Елементи на биоорганичната химия. История на развитието на биоорганичната химия

Здравейте! Много студенти по медицина сега изучават биоорганична химия, известна още като биохимия.

В някои университети този предмет завършва с тест, в други – с изпит. Понякога се случва тест в един университет да е сравним по трудност с изпит в друг.

В моя университет биоорганичната химия се вземаше като изпит през лятната сесия в самия край на първата година. Трябва да се каже, че BOC е една от онези теми, които в началото са ужасяващи и могат да вдъхновят мисълта „това е невъзможно да се премине“. Това е особено вярно, разбира се, за хора със слаба основа в органичната химия (и колкото и да е странно, има доста такива в медицинските университети).

Програмите за изучаване на биоорганична химия в различните университети могат да варират значително, а методите на преподаване могат да се различават още повече.

Изискванията към студентите обаче са приблизително еднакви навсякъде. Най-просто казано, за да издържите биоорганичната химия с 5, трябва да знаете наименованията, свойствата, структурните особености и типичните реакции на редица органични вещества.

Нашият учител, уважаван професор, представи материала така, сякаш всеки ученик е най-добрият ученик по органична химия в училище (а биоорганичната химия по същество е сложен курс в училищната органична химия). Вероятно беше прав в подхода си, всеки трябва да се стреми да достигне върха и да се опита да бъде най-добрият. Това обаче доведе до факта, че някои студенти, които не са разбрали частично материала в първите 2-3 класа, спряха да разбират всичко по-близо до средата на семестъра.

Реших да напиша този материал до голяма степен, защото бях просто такъв ученик. В училище много обичах неорганичната химия, но винаги съм се борил с органичните. Дори когато се подготвях за Единния държавен изпит, избрах стратегията да затвърдя всичките си знания по неорганични, като в същото време консолидирах само основата на органичните. Между другото, това почти ми се отрази по отношение на входните точки, но това е друга история.

Не напразно казах за методиката на преподаване, защото и нашата беше много необичайна. Веднага, почти в първия час, ни показаха помагалата, по които трябваше да се явяваме на тестове и след това на изпит.

Биоорганична химия - тестове и изпит

Целият ни курс беше разделен на 4 основни теми, всяка от които завършваше с тестов урок. Вече имахме въпроси за всеки от четирите теста от първата двойка. Те, разбира се, бяха плашещи, но в същото време служеха като своеобразна карта, по която да се движим.

Първият тест беше доста елементарен. Той беше посветен главно на номенклатурата, тривиалните (ежедневни) и международни наименования и, разбира се, класификацията на веществата. Също така под една или друга форма бяха засегнати признаците на ароматност.

Вторият тест след първия изглеждаше много по-труден. Там беше необходимо да се опишат свойствата и реакциите на вещества като кетони, алдехиди, алкохоли и карбоксилни киселини. Например, една от най-типичните реакции на алдехиди е реакцията на сребърно огледало. Доста красива гледка. Ако добавите реагент на Толенс, тоест OH, към произволен алдехид, тогава на стената на епруветката ще видите утайка, която прилича на огледало, ето как изглежда:

Третият тест в сравнение с втория не изглеждаше толкова страхотен. Всички вече са свикнали да пишат реакции и да запомнят свойства по класификации. В третия тест говорихме за съединения с две функционални групи – аминофеноли, аминоалкохоли, оксокиселини и др. Освен това всеки билет съдържаше поне един билет за въглехидрати.

Четвъртият тест по биоорганична химия беше почти изцяло посветен на протеини, аминокиселини и пептидни връзки. Специален акцент бяха въпросите, изискващи събиране на РНК и ДНК.

Между другото, точно така изглежда една аминокиселина - можете да видите аминогрупата (тя е оцветена в жълто на тази снимка) и групата на карбоксилната киселина (тя е лилава). Именно с вещества от този клас трябваше да се справим в четвъртия тест.

Всеки тест се вземаше на черната дъска - ученикът трябва без подкана да опише и обясни всички необходими свойства под формата на реакции. Например, ако правите втория тест, във вашия билет има свойства на алкохоли. Учителят ви казва - вземете пропанол. Пишете формулата на пропанола и 4-5 типични реакции, за да илюстрирате неговите свойства. Може да има и нещо екзотично, като съединения, съдържащи сяра. Грешка дори в индекса на един реакционен продукт често ме караше да проуча този материал до следващия опит (който беше седмица по-късно). Страшен? Сурова? Със сигурност!

Този подход обаче има много приятен страничен ефект. Беше трудно по време на редовните семинарни занятия. Мнозина са правили тестовете по 5-6 пъти. Но изпитът беше много лесен, защото всеки билет съдържаше 4 въпроса. Точно по едно от всеки вече научен и решен тест.

Затова дори няма да описвам тънкостите на подготовката за изпита по биоорганична химия. В нашия случай цялата подготовка се свеждаше до това как се подготвихме за самите тестове. Уверено преминах всеки от четирите теста - преди изпита просто прегледайте собствените си чернови, запишете най-основните реакции и всичко ще бъде възстановено веднага. Факт е, че органичната химия е много логична наука. Това, което трябва да запомните, не са огромните поредици от реакции, а самите механизми.

Да, отбелязвам, че това не работи с всички елементи. Няма да можете да преминете през страхотната анатомия, като просто прочетете бележките си предния ден. Редица други елементи също имат свои собствени характеристики. Дори ако вашето медицинско училище преподава биоорганична химия по различен начин, може да се наложи да коригирате подготовката си и да я направите малко по-различно от мен. Във всеки случай, успех на вас, разбирайте и обичайте науката!

План 1. Предмет и значение на биоорганичната химия 2. Класификация и номенклатура на органичните съединения 3. Методи за изобразяване на органични молекули 4. Химична връзка в биоорганични молекули 5. Електронни ефекти. Взаимно влияние на атомите в молекулата 6. Класификация на химични реакции и реагенти 7. Концепция за механизмите на химичните реакции 2

Предмет на биоорганичната химия 3 Биоорганичната химия е самостоятелен дял от химическата наука, който изучава структурата, свойствата и биологичните функции на химичните съединения от органичен произход, които участват в метаболизма на живите организми.

Обект на изучаване на биоорганичната химия са нискомолекулни биомолекули и биополимери (протеини, нуклеинови киселини и полизахариди), биорегулатори (ензими, хормони, витамини и други), естествени и синтетични физиологично активни съединения, включително лекарства и вещества с токсични ефекти. Биомолекулите са биоорганични съединения, които са част от живите организми и са специализирани за образуване на клетъчни структури и участие в биохимични реакции, формират основата на метаболизма (метаболизма) и физиологичните функции на живите клетки и многоклетъчните организми като цяло. 4 Класификация на биоорганичните съединения

Метаболизмът е набор от химични реакции, които протичат в тялото (in vivo). Метаболизмът се нарича още метаболизъм. Метаболизмът може да протича в две посоки - анаболизъм и катаболизъм. Анаболизмът е синтезът в тялото на сложни вещества от относително прости. Протича с разход на енергия (ендотермичен процес). Катаболизмът, напротив, е разграждането на сложни органични съединения на по-прости. Протича с отделяне на енергия (екзотермичен процес). Метаболитните процеси протичат с участието на ензими. Ензимите играят ролята на биокатализатори в организма. Без ензими биохимичните процеси или изобщо не биха се случили, или биха протичали много бавно и тялото не би могло да поддържа живота. 5

Биоелементи. Съставът на биоорганичните съединения, в допълнение към въглеродните атоми (C), които формират основата на всяка органична молекула, включва също водород (H), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сяра (S) . Тези биоелементи (органогени) са концентрирани в живите организми в количества над 200 пъти по-високи от съдържанието им в неодушевените обекти. Отбелязаните елементи съставляват над 99% от елементния състав на биомолекулите. 6

Биоорганичната химия възниква от дълбините на органичната химия и се основава на нейните идеи и методи. В историята на развитието органичната химия има следните етапи: емпиричен, аналитичен, структурен и модерен. Периодът от първото запознаване на човека с органичните вещества до края на 18 век се счита за емпиричен. Основният резултат от този период е, че хората осъзнават важността на елементния анализ и установяването на атомни и молекулни маси. Теорията за витализма – жизнената сила (Берцелиус). Аналитичният период продължава до 60-те години на 19 век. Той се отличава с факта, че от края на първата четвърт на 19 век са направени редица обещаващи открития, които нанасят съкрушителен удар на виталистичната теория. Първият в тази серия беше ученикът на Берцелиус, немският химик Вьолер. Той прави редица открития през 1824 г. - синтез на оксалова киселина от цианоген: (CN) 2 HOOC - COOH r. – синтез на урея от амониев цианат: NH 4 CNO NH 2 – C – NH 2 O 8

През 1853 г. К. Джерард разработва „теорията на типовете“ и я използва за класифициране на органичните съединения. Според Джерард по-сложни органични съединения могат да бъдат произведени от следните четири основни типа вещества: HHHH тип HHHH O тип ВОДА H Cl тип ХЛОРОВОДОРОД HHHHN N тип АМОНЯК От 1857 г., по предложение на Ф. А. Кекуле, въглеводородите започват да се класифицират като метан тип HHHNNHH C 9

Основни положения на теорията за структурата на органичните съединения (1861) 1) атомите в молекулите са свързани помежду си чрез химични връзки в съответствие с тяхната валентност; 2) атомите в молекулите на органичните вещества са свързани помежду си в определена последователност, която определя химическата структура (структура) на молекулата; 3) свойствата на органичните съединения зависят не само от броя и природата на съставните им атоми, но и от химичната структура на молекулите; 4) в органичните молекули има взаимодействие между атомите, както свързани помежду си, така и несвързани; 5) химическата структура на дадено вещество може да се определи чрез изучаване на неговите химични трансформации и, обратно, неговите свойства могат да се характеризират със структурата на веществото. 10

Основни положения на теорията за структурата на органичните съединения (1861) Структурната формула е изображение на последователността на връзките на атомите в молекулата. Брутна формула - CH 4 O или CH 3 OH Структурна формула Опростените структурни формули понякога се наричат ​​рационални Молекулна формула - формулата на органично съединение, която показва броя на атомите на всеки елемент в молекулата. Например: C 5 H 12 - пентан, C 6 H 6 - бензин и др. единадесет

Етапи на развитие на биоорганичната химия Като отделна област на знанието, която съчетава концептуалните принципи и методологията на органичната химия от една страна и молекулярната биохимия и молекулярната фармакология от друга страна, биоорганичната химия се формира през ХХ век въз основа на развитието на химия на природните вещества и биополимери. Съвременната биоорганична химия е придобила фундаментално значение благодарение на работата на W. Stein, S. Moore, F. Sanger (анализ на аминокиселинния състав и определяне на първичната структура на пептиди и протеини), L. Pauling и H. Astbury (изясняване на структурата на -спиралата и -структурата и тяхното значение в осъществяването на биологичните функции на протеиновите молекули), E. Chargaff (дешифриране на особеностите на нуклеотидния състав на нуклеиновите киселини), J. Watson, Fr. Крик, М. Уилкинс, Р. Франклин (установяване на моделите на пространствената структура на ДНК молекулата), Г. Корани (химически генен синтез) и др. 14

Класификация на органичните съединения според структурата на въглеродния скелет и естеството на функционалната група Огромният брой органични съединения подтикна химиците да ги класифицират. Класификацията на органичните съединения се основава на два критерия за класификация: 1. Структурата на въглеродния скелет 2. Естеството на функционалните групи Класификация според метода на структурата на въглеродния скелет: 1. Ациклични (алкани, алкени, алкини, алкадиени); 2. Цикличен 2.1. Карбоциклични (алициклични и ароматни) 2.2. Хетероциклични 15 Ацикличните съединения се наричат ​​още алифатни. Те включват вещества с отворена въглеродна верига. Ацикличните съединения се делят на наситени (или наситени) C n H 2n+2 (алкани, парафини) и ненаситени (ненаситени). Последните включват алкени C n H 2n, алкини C n H 2n -2, алкадиени C n H 2n -2.

16 Цикличните съединения съдържат пръстени (цикли) в своите молекули. Ако циклите съдържат само въглеродни атоми, тогава такива съединения се наричат ​​карбоциклични. От своя страна карбоцикличните съединения се разделят на алициклични и ароматни. Алицикличните въглеводороди (циклоалкани) включват циклопропан и неговите хомолози - циклобутан, циклопентан, циклохексан и др. Ако цикличната система, в допълнение към въглеводорода, включва и други елементи, тогава такива съединения се класифицират като хетероциклични.

Класификация по естеството на функционална група Функционалната група е атом или група от атоми, свързани по определен начин, чието присъствие в молекула на органично вещество определя характерните свойства и принадлежността му към един или друг клас съединения . Въз основа на броя и хомогенността на функционалните групи органичните съединения се разделят на моно-, поли- и хетерофункционални. Веществата с една функционална група се наричат ​​монофункционални, веществата с няколко еднакви функционални групи се наричат ​​полифункционални. Съединенията, съдържащи няколко различни функционални групи, са хетерофункционални. Важно е съединенията от един и същи клас да се комбинират в хомоложни серии. Хомоложна серия е серия от органични съединения с еднакви функционални групи и еднаква структура; всеки представител на хомоложната серия се различава от предишния с постоянна единица (CH 2), която се нарича хомоложна разлика. Членовете на една хомоложна серия се наричат ​​хомолози. 17

Номенклатурни системи в органичната химия - тривиална, рационална и международна (IUPAC) Химическата номенклатура е съвкупност от наименования на отделни химични вещества, техните групи и класове, както и правила за съставяне на наименованията им Химическата номенклатура е съвкупност от наименования на отделни хим. вещества, техните групи и класове, както и правила за съставяне на наименованията им. Тривиалната (историческа) номенклатура се свързва с процеса на получаване на веществата (пирогалол - продукт от пиролиза на галова киселина), източника на произход, от който е получен (мравчена киселина) и др. Тривиалните наименования на съединенията се използват широко в химията на природните и хетероцикличните съединения (цитрал, гераниол, тиофен, пирол, хинолин и др.) Тривиалната (историческа) номенклатура е свързана с процеса на получаване на вещества (пирогалолът е продукт на пиролиза на галова киселина), източникът на произход, от който е получена (мравчена киселина) и др. Тривиалните наименования на съединенията се използват широко в химията на природните и хетероцикличните съединения (цитрал, гераниол, тиофен, пирол, хинолин и др.). Рационалната номенклатура се основава на принципа на разделяне на органичните съединения в хомоложни серии. Всички вещества в дадена хомоложна серия се считат за производни на най-простия представител на тази серия - първият или понякога вторият. По-специално за алкани - метан, за алкени - етилен и др. Рационалната номенклатура се основава на принципа на разделяне на органичните съединения в хомоложни серии. Всички вещества в дадена хомоложна серия се считат за производни на най-простия представител на тази серия - първият или понякога вторият. По-специално, за алкани - метан, за алкени - етилен и т.н. 18

Международна номенклатура (IUPAC). Правилата на съвременната номенклатура са разработени през 1957 г. на 19-ия конгрес на Международния съюз по чиста и приложна химия (IUPAC). Радикална функционална номенклатура. Тези наименования се основават на наименованието на функционалния клас (алкохол, етер, кетон и др.), което се предхожда от имената на въглеводородните радикали, например: алилхлорид, диетилов етер, диметилкетон, пропилов алкохол и др. Заместваща номенклатура. Номенклатурни правила. Основната структура е структурният фрагмент на молекулата (молекулен скелет), лежащ в основата на името на съединението, основната въглеродна верига от атоми за алицикличните съединения и цикъла за карбоцикличните съединения. 19

Химическа връзка в органичните молекули Химическата връзка е явлението на взаимодействие между външните електронни обвивки (валентните електрони на атомите) и атомните ядра, което определя съществуването на молекула или кристал като цяло. По правило атомът, приемайки или отдавайки електрон или образувайки обща електронна двойка, се стреми да придобие конфигурация на външната електронна обвивка, подобна на тази на благородните газове. За органичните съединения са характерни следните видове химични връзки: - йонна връзка - ковалентна връзка - донорна - акцепторна връзка - водородна връзка.Съществуват и други видове химични връзки (метални, едноелектронни, двуелектронни трицентрови) , но те практически не се срещат в органични съединения. 20

Видове връзки в органичните съединения Най-характерната за органичните съединения е ковалентната връзка. Ковалентната връзка е взаимодействието на атомите, което се осъществява чрез образуването на обща електронна двойка. Този тип връзка се образува между атоми, които имат сравними стойности на електроотрицателност. Електроотрицателността е свойство на атома, което показва способността да привлича към себе си електрони от други атоми. Ковалентната връзка може да бъде полярна или неполярна. Неполярна ковалентна връзка възниква между атоми с еднаква стойност на електроотрицателност

Видове връзки в органичните съединения Полярна ковалентна връзка се образува между атоми, които имат различни стойности на електроотрицателност. В този случай свързаните атоми придобиват частични заряди δ+δ+ δ-δ- Специален подтип ковалентна връзка е донорно-акцепторната връзка. Както в предишните примери, този тип взаимодействие се дължи на наличието на обща електронна двойка, но последната се осигурява от един от атомите, образуващи връзката (донор) и се приема от друг атом (акцептор) 24

Видове връзки в органичните съединения Йонна връзка се образува между атоми, които се различават значително по стойности на електроотрицателност. В този случай електронът от по-малко електроотрицателния елемент (често метал) се прехвърля изцяло към по-електроотрицателния елемент. Този преход на електрони предизвиква появата на положителен заряд на по-малко електроотрицателния атом и отрицателен заряд на по-електроотрицателния. Така се образуват два йона с противоположни заряди, между които има електровалентно взаимодействие. 25

Видове връзки в органичните съединения Водородната връзка е електростатично взаимодействие между водороден атом, който е свързан по силно полярен начин, и електронни двойки от кислород, флуор, азот, сяра и хлор. Този тип взаимодействие е доста слабо взаимодействие. Водородната връзка може да бъде междумолекулна или вътрешномолекулна. Междумолекулна водородна връзка (взаимодействие между две молекули етилов алкохол) Вътрешномолекулна водородна връзка в салицилов алдехид 26

Химично свързване в органични молекули Съвременната теория за химическото свързване се основава на квантово-механичния модел на молекулата като система, състояща се от електрони и атомни ядра. Крайъгълният камък на теорията на квантовата механика е атомната орбитала. Атомната орбитала е част от пространството, в която вероятността за намиране на електрони е максимална. Следователно свързването може да се разглежда като взаимодействие („припокриване“) на орбитали, всяка от които носи по един електрон с противоположни спинове. 27

Хибридизация на атомни орбитали Според теорията на квантовата механика, броят на ковалентните връзки, образувани от един атом, се определя от броя на едноелектронните атомни орбитали (броя на несдвоените електрони). Въглеродният атом в своето основно състояние има само два несдвоени електрона, но възможният преход на електрон от 2s към 2 pz прави възможно образуването на четири ковалентни връзки. Състоянието на въглероден атом, в което той има четири несдвоени електрона, се нарича „възбуден“. Въпреки факта, че въглеродните орбитали са неравни, е известно, че е възможно образуването на четири еквивалентни връзки поради хибридизацията на атомните орбитали. Хибридизацията е явление, при което еднакъв брой орбитали с еднаква форма и брой се образуват от няколко орбитали с различна форма и сходна по енергия. 28

Хибридни състояния на въглеродния атом в органичните молекули ПЪРВО ХИБРИДНО СЪСТОЯНИЕ С атомът е в състояние на sp 3 хибридизация, образува четири σ връзки, образува четири хибридни орбитали, които са подредени във формата на тетраедър (свързан ъгъл) σ връзка 31

Хибридни състояния на въглеродния атом в органичните молекули ВТОРО ХИБРИДНО СЪСТОЯНИЕ С атомът е в състояние на sp 2 хибридизация, образува три σ-връзки, образува три хибридни орбитали, които са подредени във формата на плосък триъгълник (свързан ъгъл 120) σ-връзки π-връзка 32

Хибридни състояния на въглеродния атом в органичните молекули ТРЕТО ХИБРИДНО СЪСТОЯНИЕ С атомът е в състояние на sp-хибридизация, образува две σ-връзки, образува две хибридни орбитали, които са подредени в една линия (ъгъл на свързване 180) σ-връзки π -облигации 33

Характеристики на химичните връзки POLING скала: F-4.0; О – 3,5; Cl – 3,0; N – 3,0; Br – 2,8; S – 2,5; С-2,5; H-2.1. разлика 1.7

Характеристики на химичните връзки Поляризираемостта на връзката е промяна в електронната плътност под въздействието на външни фактори. Поляризираемостта на връзката е степента на подвижност на електроните. С увеличаването на атомния радиус поляризуемостта на електроните се увеличава. Следователно поляризуемостта на връзката въглерод - халоген се увеличава, както следва: C-F

Електронни ефекти. Взаимно влияние на атомите в молекулата 39 Според съвременните теоретични концепции реактивността на органичните молекули се предопределя от изместването и подвижността на електронни облаци, които образуват ковалентна връзка. В органичната химия се разграничават два вида измествания на електрони: а) електронни измествания, възникващи в системата -връзка, б) електронни измествания, предавани от системата -връзка. В първия случай се осъществява т. нар. индуктивен ефект, във втория - мезомерен ефект. Индуктивният ефект е преразпределение на електронната плътност (поляризация), произтичащо от разликата в електроотрицателността между атомите на една молекула в система от връзки. Поради незначителната поляризуемост на -връзките, индуктивният ефект бързо избледнява и след 3-4 връзки почти не се проявява.

Електронни ефекти. Взаимно влияние на атомите в молекулата 40 Концепцията за индуктивен ефект е въведена от К. Инголд, той също въвежда обозначенията: -I-ефект в случай на намаляване на електронната плътност на заместителя +I-ефект в случай на увеличаване на електронната плътност на заместителя Положителен индуктивен ефект се проявява от алкилови радикали (СН 3, С 2 Н 5 - и др.). Всички други заместители, свързани с въглерод, проявяват отрицателен индуктивен ефект.

Електронни ефекти. Взаимно влияние на атомите в молекулата 41 Мезомерният ефект е преразпределението на електронната плътност по протежение на спрегната система. Конюгираните системи включват молекули на органични съединения, в които се редуват двойни и единични връзки или когато атом с несподелена двойка електрони в р-орбиталата е разположен до двойната връзка. В първия случай се извършва - спрежение, а във втория случай се извършва p, -конюгация. Свързаните системи се предлагат в конфигурации с отворена и затворена верига. Примери за такива съединения са 1,3-бутадиен и бензин. В молекулите на тези съединения въглеродните атоми са в състояние на sp 2 хибридизация и поради нехибридни р-орбитали образуват -връзки, които се припокриват и образуват единичен електронен облак, т.е. се осъществява конюгация.

Електронни ефекти. Взаимно влияние на атомите в молекулата 42 Има два вида мезомерен ефект - положителен мезомерен ефект (+М) и отрицателен мезомерен ефект (-М). Положителен мезомерен ефект се проявява от заместители, които даряват р-електрони на конюгираната система. Те включват: -O, -S -NH 2, -OH, -OR, Hal (халогени) и други заместители, които имат отрицателен заряд или несподелена двойка електрони. Отрицателният мезомерен ефект е типичен за заместители, които изтеглят -електронната плътност от конюгираната система. Те включват заместители с множество връзки между атоми с различна електроотрицателност: - N0 2 ; -S03H; >С=О; -COON и др. Мезомерният ефект се отразява графично чрез извита стрелка, която показва посоката на изместване на електрона.За разлика от индукционния, мезомерният ефект не изчезва. Той се предава изцяло в цялата система, независимо от дължината на интерфейсната верига. С=О; -COON и др. Мезомерният ефект се отразява графично чрез извита стрелка, която показва посоката на изместване на електрона.За разлика от индукционния, мезомерният ефект не изчезва. Предава се изцяло в цялата система, независимо от дължината на интерфейсната верига.">

Видове химични реакции 43 Химическата реакция може да се разглежда като взаимодействие на реагент и субстрат. В зависимост от метода на разкъсване и образуване на химична връзка в молекулите, органичните реакции се разделят на: а) хомолитични б) хетеролитични в) молекулярни Хомолитичните или свободнорадикалните реакции се причиняват от хомолитично разкъсване на връзката, когато всеки атом има един оставен електрон , тоест образуват се радикали . Хомолитичното разцепване възниква при високи температури, действието на светлинен квант или катализа.

Хетеролитичните или йонни реакции протичат по такъв начин, че двойка свързващи електрони остава близо до един от атомите и се образуват йони. Частица с електронна двойка се нарича нуклеофилна и има отрицателен заряд (-). Частица без електронна двойка се нарича електрофилна и има положителен заряд (+). 44 Видове химични реакции

Механизъм на химичната реакция 45 Механизмът на реакцията е съвкупността от елементарни (прости) етапи, които изграждат дадена реакция. Механизмът на реакцията най-често включва следните етапи: активиране на реагента с образуване на електрофил, нуклеофил или свободен радикал. За да активирате реагент, обикновено е необходим катализатор. Във втория етап активираният реагент взаимодейства със субстрата. В този случай се образуват междинни частици (междинни продукти). Последните включват -комплекси, -комплекси (карбокатиони), карбаниони и нови свободни радикали. На последния етап добавянето или елиминирането на частица към (от) междинния продукт, образуван във втория етап, се извършва с образуването на крайния реакционен продукт. Ако реагент генерира нуклеофил при активиране, тогава това са нуклеофилни реакции. Обозначени са с буквата N - (в индекса). В случай, че реагентът генерира електрофил, реакциите се класифицират като електрофилни (E). Същото може да се каже и за реакциите на свободните радикали (R).

Нуклеофилите са реагенти, които имат отрицателен заряд или атом, обогатен с електронна плътност: 1) аниони: OH -, CN -, RO -, RS -, Hal - и други аниони; 2) неутрални молекули със самотни двойки електрони: NH 3, NH 2 R, H 2 O, ROH и други; 3) молекули с излишна електронна плътност (имащи - връзки). Електрофилите са реагенти, които имат положителен заряд или атом с намалена електронна плътност: 1) катиони: H + (протон), HSO 3 + (хидрогенсулфониев йон), NO 2 + (нитрониев йон), NO (нитрозониев йон) и други катиони; 2) неутрални молекули с празна орбитала: AlCl 3, FeBr 3, SnCl 4, BF 4 (киселини на Люис), SO 3; 3) молекули с намалена електронна плътност върху атома. 46

49

50

51

52

, антибиотици, феромони, сигнални вещества, биологично активни вещества от растителен произход, както и синтетични регулатори на биологични процеси (лекарства, пестициди и др.). Като самостоятелна наука тя се формира през втората половина на 20 век в пресечната точка на биохимията и органичната химия и е свързана с практически проблеми на медицината, селското стопанство, химическата, хранително-вкусовата и микробиологичната промишленост.

Методи

Основният арсенал се състои от методи на органичната химия; разнообразие от физични, физикохимични, математически и биологични методи се използват за решаване на структурни и функционални проблеми.

Обекти на изследване

• Смесени биополимери
• Естествени сигнални вещества
• Биологично активни вещества от растителен произход
• Синтетични регулатори (лекарства, пестициди и др.).

Източници

• Овчинников Ю. А.. - М.: Образование, 1987. - 815 с.
• Бендер М., Бержерон Р., Комияма М.
• Дугас Г., Пени К.Биоорганична химия. - М.: Мир, 1983.
• Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И.

Вижте също

Напишете рецензия на статията "Биоорганична химия"

Откъс, характеризиращ биоорганичната химия

„Ma chere, il y a un temps pour tout, [Скъпа, има време за всичко“, каза графинята, преструвайки се на сурова. „Продължаваш да я разглезиш, Ели“, добави тя към съпруга си.
„Bonjour, ma chere, je vous felicite, [Здравей, скъпа моя, поздравявам те“, каза гостът. – Quelle delicuse enfant! „Какво прекрасно дете!“ добави тя, обръщайки се към майка си.
Тъмнооко, с голяма уста, грозно, но жизнено момиче с детски отворени рамене, които, свивайки се, се движеха в корсажа от бързо бягане, с черните си къдрици, събрани назад, тънки голи ръце и малки крака в дантелени панталони и отворени обувки, бях в онази сладка възраст, когато момичето вече не е дете, а детето още не е момиче. Като се обърна от баща си, тя се затича към майка си и, без да обръща внимание на строгата й забележка, скри зачервеното си лице в дантелата на мантилата на майка си и се засмя. Тя се смееше на нещо, говорейки рязко за кукла, която беше извадила изпод полата си.
– Виждаш ли?... Кукла... Мими... Виждаш ли.
И Наташа вече не можеше да говори (всичко й се стори смешно). Тя падна върху майка си и се засмя толкова силно и силно, че всички, дори и примитивният гост, се засмя против волята си.
- Е, върви, върви с твоя изрод! - каза майката, преструвайки се, че гневно отблъсква дъщеря си. „Това е най-младият ми“, обърна се тя към госта.
Наташа, отделяйки лицето си от дантеления шал на майка си за минута, я погледна отдолу през сълзи от смях и отново скри лицето си.
Гостът, принуден да се възхищава на семейната сцена, сметна за необходимо да вземе участие в нея.
„Кажи ми, скъпа моя“, каза тя, обръщайки се към Наташа, „как се чувстваш за тази Мими?“ Дъщеря, нали?
Наташа не хареса тона на снизхождение към детски разговор, с който гостът се обърна към нея. Тя не отговори и погледна сериозно госта си.
Междувременно цялото това младо поколение: Борис - офицер, син на княгиня Анна Михайловна, Николай - студент, най-големият син на графа, Соня - петнадесетгодишната племенница на графа и малкият Петруша - най-малкият син, всички се настаниха във всекидневната и очевидно се опитаха да запазят в границите на приличието оживлението и веселието, които все още лъхаха от всяка тяхна черта. Ясно беше, че там, в задните стаи, откъдето всички избягаха толкова бързо, те водеха по-забавни разговори, отколкото тук, за градски клюки, време и графиня Апраксин. [за графиня Апраксина.] От време на време те се споглеждаха и едва се сдържаха да не се засмеят.

Гродно" href="/text/category/grodno/" rel="bookmark">Гродненски държавен медицински университет", кандидат на химическите науки, доцент;

Доцент в катедрата по обща и биоорганична химия на образователната институция "Гродненски държавен медицински университет", кандидат на биологичните науки, доцент

Рецензенти:

Катедра по обща и биоорганична химия на образователната институция „Гомелски държавен медицински университет“;

– глава Катедра по биоорганична химия Образователна институция "Беларуски държавен медицински университет", кандидат на медицинските науки, доцент.

Катедра по обща и биоорганична химия на образователната институция "Гродненски държавен медицински университет"

(протокол от 1 януари 2001 г.)

Централен научен и методически съвет на образователната институция "Гродненски държавен медицински университет"

(протокол от 1 януари 2001 г.)

Секция по специалност 1 Медицински и психологически въпроси на учебно-методическата асоциация на университетите на Република Беларус за медицинско образование

(протокол от 1 януари 2001 г.)

Отговорен за освобождаването:

Първи заместник-ректор на образователната институция "Гродненски държавен медицински университет", професор, доктор на медицинските науки

Обяснителна бележка

Уместността на изучаването на учебната дисциплина

"Биоорганична химия"

Биоорганичната химия е основна природонаучна дисциплина. Биоорганичната химия възниква като самостоятелна наука през втората половина на 20 век на пресечната точка на органичната химия и биохимията. Уместността на изучаването на биоорганичната химия се дължи на практическите проблеми, пред които са изправени медицината и селското стопанство (получаване на витамини, хормони, антибиотици, стимуланти на растежа на растенията, регулатори на поведението на животни и насекоми и други лекарства), чието решение е невъзможно без използване теоретичния и практическия потенциал на биоорганичната химия.

Биоорганичната химия непрекъснато се обогатява с нови методи за изолиране и пречистване на природни съединения, методи за синтез на природни съединения и техни аналози, знания за връзката между структурата и биологичната активност на съединенията и др.

Най-новите подходи в медицинското образование, свързани с преодоляване на репродуктивния стил в обучението, осигуряване на познавателна и изследователска активност на студентите, разкриват нови перспективи за реализация на потенциала както на индивида, така и на екипа.

Целта и задачите на учебната дисциплина

Мишена:формиране на ниво на химическа компетентност в системата на медицинското образование, осигуряващо последващо изучаване на биомедицински и клинични дисциплини.

Задачи:

Усвояване на теоретичните основи на химичните трансформации на органичните молекули във връзка с тяхната структура и биологична активност;

Формиране: познаване на молекулярните основи на жизнените процеси;

Развитие на умения за ориентиране в класификацията, структурата и свойствата на органични съединения, действащи като лекарства;

Формиране на логиката на химическото мислене;

Развитие на умения за използване на методи за качествен анализ
органични съединения;

Химическите знания и умения, които са в основата на химическата компетентност, ще допринесат за формирането на професионалната компетентност на завършилия.

Изисквания за усвояване на учебната дисциплина

Изискванията за нивото на овладяване на съдържанието на дисциплината „Биоорганична химия“ се определят от образователния стандарт на висшето образование от първия етап от цикъла на общопрофесионалните и специалните дисциплини, който е разработен, като се вземат предвид изискванията на подход, базиран на компетентности, който определя минималното съдържание за дисциплината под формата на обобщени химически знания и умения, които съставляват биоорганична компетентност, завършил университет:

а) обобщени знания:

- разбират същността на предмета като наука и връзките му с други дисциплини;

Значение в разбирането на метаболитните процеси;

Концепцията за единството на структурата и реактивността на органичните молекули;

Основни закони на химията, необходими за обяснение на процесите, протичащи в живите организми;

Химични свойства и биологично значение на основните класове органични съединения.

б) обобщени умения:

Предсказване на механизма на реакцията въз основа на познания за структурата на органичните молекули и методите за разрушаване на химичните връзки;

Обяснява значението на реакциите за функционирането на живите системи;

Използвайте придобитите знания при изучаване на биохимия, фармакология и други дисциплини.

Структура и съдържание на учебната дисциплина

В тази програма структурата на съдържанието на дисциплината „биоорганична химия“ се състои от въведение в дисциплината и два раздела, които обхващат общите въпроси на реактивността на органичните молекули, както и свойствата на хетеро- и полифункционалните съединения, участващи в жизненоважни процеси. Всеки раздел е разделен на теми, подредени в последователност, която осигурява оптимално усвояване и усвояване на програмния материал. За всяка тема са представени обобщени знания и умения, които представляват същността на биоорганичната компетентност на студентите. В съответствие със съдържанието на всяка тема се определят изисквания към компетентностите (под формата на система от обобщени знания и умения), за чието формиране и диагностика могат да се разработят тестове.

Методи на обучение

Основните методи на обучение, които адекватно отговарят на целите на изучаването на тази дисциплина, са:

Разяснение и консултация;

Лабораторен урок;

Елементи на проблемното обучение (образователна и изследователска работа на учениците);

Въведение в биоорганичната химия

Биоорганичната химия е наука, която изучава структурата на органичните вещества и техните трансформации във връзка с биологичните функции. Обекти на изследване на биоорганичната химия. Ролята на биоорганичната химия във формирането на научна основа за възприемане на биологичните и медицински знания на съвременното молекулярно ниво.

Теорията за структурата на органичните съединения и нейното развитие на съвременния етап. Изомерията на органичните съединения като основа за многообразието на органичните съединения. Видове изомерия на органичните съединения.

Физикохимични методи за изолиране и изследване на органични съединения, важни за биомедицинския анализ.

Основни правила на систематичната номенклатура на IUPAC за органични съединения: заместваща и радикално-функционална номенклатура.

Пространствена структура на органичните молекули, връзката й с типа хибридизация на въглеродния атом (sp3-, sp2- и sp-хибридизация). Стереохимични формули. Конфигурация и конформация. Конформации на отворени вериги (оклудирани, инхибирани, наклонени). Енергийни характеристики на конформациите. Проекционни формули на Нюман. Пространствена конвергенция на определени участъци от веригата в резултат на конформационно равновесие и като една от причините за преобладаващото образуване на пет- и шестчленни пръстени. Конформации на циклични съединения (циклохексан, тетрахидропиран). Енергийни характеристики на конформациите на стол и вана. Аксиални и екваториални връзки. Връзка между пространствена структура и биологична активност.

Изисквания за компетентност:

· Да познава обектите на изучаване и основните задачи на биоорганичната химия,

· Да може да класифицира органичните съединения според структурата на въглеродния скелет и естеството на функционалните групи, да използва правилата на систематичната химическа номенклатура.

· Да познава основните видове изомерия на органичните съединения, да може да определя възможните видове изомери по структурната формула на съединението.

· Да познава различните видове хибридизация на въглеродните атомни орбитали, пространствената посока на атомните връзки, техния вид и брой в зависимост от вида на хибридизацията.

· Познаване на енергийните характеристики на конформациите на циклични (конформации на стол, вана) и ациклични (конформации на инхибиране, наклонени, затъмнени) молекули, да може да ги изобразява с помощта на проекционните формули на Нюман.

· Познаване на видовете напрежения (торсионни, ъглови, ван дер ваалсови), които възникват в различни молекули, техния ефект върху стабилността на конформацията и молекулата като цяло.

Раздел 1. Реактивността на органичните молекули в резултат на взаимното влияние на атомите, механизмите на органичните реакции

Тема 1. Конюгирани системи, ароматичност, електронни ефекти на заместителите

Конюгирани системи и ароматност. Конюгация (p, p- и p, p-конюгация). Конюгирани системи с отворена верига: 1,3-диени (бутадиен, изопрен), полиени (каротеноиди, витамин А). Свързани системи със затворен кръг. Ароматност: критерии за ароматност, правило на Хюкел за ароматичност. Ароматност на бензеноидни (бензен, нафталин, фенантрен) съединения. Енергия на конюгиране. Структура и причини за термодинамична стабилност на карбо- и хетероциклични ароматни съединения. Ароматност на хетероциклични (пирол, имидазол, пиридин, пиримидин, пурин) съединения. Пиролни и пиридинови азотни атоми, p-излишни и p-дефицитни ароматни системи.

Взаимното влияние на атомите и начините за предаването му в органичните молекули. Електронната делокализация като един от факторите за повишаване на стабилността на молекулите и йоните, широкото й разпространение в биологично важни молекули (порфин, хем, хемоглобин и др.). Поляризация на връзките. Електронни ефекти на заместителите (индуктивни и мезомерни) като причина за неравномерното разпределение на електронната плътност и появата на реакционни центрове в молекулата. Индуктивни и мезомерни ефекти (положителни и отрицателни), тяхното графично обозначение в структурните формули на органичните съединения. Електронодонорни и електрон-приемни заместители.

Изисквания за компетентност:

· Познава видовете конюгация и може да определи вида на конюгацията въз основа на структурната формула на съединението.

· Да познава критериите за ароматност, да може да определя ароматните съединения на карбо- и хетероцикличните молекули с помощта на структурната формула.

· Да може да оцени електронния принос на атомите за създаването на единична спрегната система, да познава електронната структура на пиридиновите и пироловите азотни атоми.

· Познава електронните ефекти на заместителите, причините за възникването им и може да изобрази графично ефекта им.

· Да може да класифицира заместителите като електрон-донорни или електрон-оттеглящи въз основа на индуктивните и мезомерни ефекти, които проявяват.

· Да може да предвиди ефекта на заместителите върху реактивността на молекулите.

Тема 2. Реактивност на въглеводородите. Радикално заместване, електрофилно присъединяване и реакции на заместване

Общи закономерности на реактивността на органичните съединения като химическа основа на тяхното биологично функциониране. Химическата реакция като процес. Понятия: субстрат, реагент, реакционен център, преходно състояние, продукт на реакцията, енергия на активиране, скорост на реакцията, механизъм.

Класификация на органичните реакции по резултат (присъединяване, заместване, елиминиране, редокс) и по механизъм - радикални, йонни (електрофилни, нуклеофилни), съгласувани. Видове реагенти: радикални, киселинни, основни, електрофилни, нуклеофилни. Хомолитично и хетеролитично разцепване на ковалентни връзки в органични съединения и получените частици: свободни радикали, карбокатиони и карбаниони. Електронна и пространствена структура на тези частици и фактори, определящи тяхната относителна устойчивост.

Реактивност на въглеводородите. Реакции на радикално заместване: хомолитични реакции, включващи СН връзки на sp3-хибридизирания въглероден атом. Механизмът на радикално заместване на примера на реакцията на халогениране на алкани и циклоалкани. Концепцията за верижни процеси. Концепцията за региоселективност.

Пътища за образуване на свободни радикали: фотолиза, термолиза, редокс реакции.

Електрофилни присъединителни реакции ( А.Е.) в серията от ненаситени въглеводороди: хетеролитични реакции, включващи p-връзки между sp2-хибридизирани въглеродни атоми. Механизъм на реакциите на хидратация и хидрохалогениране. Киселинна катализа. Правилото на Марковников. Влияние на статичните и динамичните фактори върху региоселективността на реакциите на електрофилно присъединяване. Характеристики на реакциите на електрофилно присъединяване към диенови въглеводороди и малки цикли (циклопропан, циклобутан).

Реакции на електрофилно заместване ( S.E.): хетеролитични реакции, включващи р-електронния облак на ароматната система. Механизъм на реакциите на халогениране, нитриране, алкилиране на ароматни съединения: p - и с- комплекси. Ролята на катализатора (киселина на Луис) при образуването на електрофилна частица.

Влиянието на заместителите в ароматния пръстен върху реактивоспособността на съединенията в реакциите на електрофилно заместване. Ориентиращо влияние на заместителите (ориентанти от първи и втори род).

Изисквания за компетентност:

· Да познава понятията субстрат, реагент, реакционен център, реакционен продукт, енергия на активиране, скорост на реакцията, механизъм на реакцията.

· Познаване на класификацията на реакциите според различни критерии (по крайния резултат, по метода на разрушаване на връзките, по механизъм) и видовете реагенти (радикални, електрофилни, нуклеофилни).

· Познава електронната и пространствената структура на реагентите и факторите, определящи тяхната относителна стабилност, да може да сравнява относителната стабилност на реактиви от същия тип.

· Да познава методите за образуване на свободни радикали и механизма на реакциите на радикално заместване (SR), като използва примери за реакции на халогениране на алкани и циклоалакан.

· Да може да определи статистическата вероятност за образуване на възможни продукти при реакции на радикално заместване и възможността за региоселективно протичане на процеса.

· Да познава механизма на реакциите на електрофилно присъединяване (AE) в реакциите на халогениране, хидрохалогениране и хидратация на алкени, да може да оценява качествено реактивността на субстратите въз основа на електронните ефекти на заместителите.

· Да познава правилото на Марковников и да може да определя региоселективността на реакциите на хидратация и хидрохалогениране въз основа на влиянието на статични и динамични фактори.

· Да познава характеристиките на реакциите на електрофилно присъединяване към спрегнати диенови въглеводороди и малки цикли (циклопропан, циклобутан).

· Познаване на механизма на реакциите на електрофилно заместване (SE) в реакциите на халогениране, нитриране, алкилиране, ацилиране на ароматни съединения.

· Да може да определя, въз основа на електронните ефекти на заместителите, тяхното влияние върху реактивността на ароматния пръстен и техния ориентиращ ефект.

Тема 3. Киселинно-алкални свойства на органичните съединения

Киселинност и основност на органични съединения: теории на Brønsted и Lewis. Стабилността на киселинния анион е качествен показател за киселинните свойства. Общи модели в промените в киселинните или основни свойства във връзка с природата на атомите в киселинния или основен център, електронните ефекти на заместителите в тези центрове. Киселинни свойства на органични съединения с водородсъдържащи функционални групи (алкохоли, феноли, тиоли, карбоксилни киселини, амини, СН-киселинност на молекули и кабрикови катиони). p-бази и н- основания. Основни свойства на неутрални молекули, съдържащи хетероатоми с несподелени двойки електрони (алкохоли, тиоли, сулфиди, амини) и аниони (хидроксидни, алкоксидни йони, аниони на органични киселини). Киселинно-алкални свойства на азотсъдържащи хетероцикли (пирол, имидазол, пиридин). Водородната връзка като специфична проява на киселинно-алкални свойства.

Сравнителни характеристики на киселинните свойства на съединения, съдържащи хидроксилна група (едновалентни и многовалентни алкохоли, феноли, карбоксилни киселини). Сравнителна характеристика на основните свойства на алифатни и ароматни амини. Влияние на електронния характер на заместителя върху киселинно-алкалните свойства на органичните молекули.

Изисквания за компетентност:

· Да знае дефинициите на киселини и основи според протолитичната теория на Бронстед и електронната теория на Луис.

· Познаване на класификацията на Брьонстед за киселини и основи в зависимост от естеството на атомите на киселинните или основните центрове.

· Да познава факторите, влияещи върху силата на киселините и стабилността на техните спрегнати бази, да може да извършва сравнителна оценка на силата на киселините въз основа на стабилността на съответните им аниони.

· Познайте факторите, влияещи върху силата на основите на Bronsted, можете да извършите сравнителна оценка на здравината на основите, като вземете предвид тези фактори.

· Да познават причините за възникването на водородна връзка, да могат да интерпретират образуването на водородна връзка като специфична проява на киселинно-алкалните свойства на веществото.

· Да знае причините за възникването на кето-енолната тавтомерия в органичните молекули, да може да ги обясни от гледна точка на киселинно-алкалните свойства на съединенията във връзка с тяхната биологична активност.

· Знаете и можете да провеждате качествени реакции, които ви позволяват да разграничите поливалентните алкохоли, феноли, тиоли.

Тема 4. Реакции на нуклеофилно заместване при тетрагоналния въглероден атом и реакции на конкурентно елиминиране

Реакции на нуклеофилно заместване при sp3-хибридизирания въглероден атом: хетеролитични реакции, причинени от поляризация на връзката въглерод-хетероатом (халогенни производни, алкохоли). Групи, които напускат лесно и трудно: връзката между лекотата на напускане на група и нейната структура. Влиянието на разтворителя, електронните и пространствените фактори върху реактивоспособността на съединенията в реакции на моно- и бимолекулно нуклеофилно заместване (SN1 и SN2). Стереохимия на реакциите на нуклеофилно заместване.

Реакции на хидролиза на халогенни производни. Реакции на алкилиране на алкохоли, феноли, тиоли, сулфиди, амоняк, амини. Ролята на киселинната катализа в нуклеофилното заместване на хидроксилната група. Халогенни производни, алкохоли, естери на сярна и фосфорна киселини като алкилиращи реагенти. Биологична роля на реакциите на алкилиране.

Реакции на моно- и бимолекулно елиминиране (Е1 и Е2): (дехидратация, дехидрохалогениране). Повишена СН киселинност като причина за реакции на елиминиране, придружаващи нуклеофилно заместване при sp3-хибридизирания въглероден атом.

Изисквания за компетентност:

· Познаване на факторите, които определят нуклеофилността на реагентите и структурата на най-важните нуклеофилни частици.

· Познаване на общите закони на реакциите на нуклеофилно заместване при наситен въглероден атом, влиянието на статичните и динамичните фактори върху реактивността на веществото в реакция на нуклеофилно заместване.

· Да познава механизмите на моно- и бимолекулно нуклеофилно заместване, да може да оцени влиянието на пространствените фактори, влиянието на разтворителите, влиянието на статичните и динамичните фактори върху протичането на реакцията според един от механизмите.

· Да познава механизмите на моно- и бимолекулно елиминиране, причините за конкуренцията между реакциите на нуклеофилно заместване и елиминиране.

· Да познава правилото на Зайцев и да може да определя основния продукт в реакциите на дехидратация и дехидрохалогениране на несиметрични алкохоли и халоалкани.

Тема 5. Реакции на нуклеофилно присъединяване и заместване при тригоналния въглероден атом

Реакции на нуклеофилно присъединяване: хетеролитични реакции, включващи р-връзката въглерод-кислород (алдехиди, кетони). Механизмът на реакциите на взаимодействие на карбонилни съединения с нуклеофилни реагенти (вода, алкохоли, тиоли, амини). Влияние на електронни и пространствени фактори, роля на киселинната катализа, обратимост на реакциите на нуклеофилно присъединяване. Полуацетали и ацетали, тяхното получаване и хидролиза. Биологична роля на реакциите на ацетализация. Реакции на присъединяване на алдол. Основна катализа. Структура на енолатния йон.

Реакции на нуклеофилно заместване в серията карбоксилни киселини. Електронна и пространствена структура на карбоксилната група. Реакции на нуклеофилно заместване при sp2-хибридизирания въглероден атом (карбоксилни киселини и техните функционални производни). Ацилиращи агенти (киселинни халогениди, анхидриди, карбоксилни киселини, естери, амиди), сравнителна характеристика на тяхната реактивност. Реакции на ацилиране - образуване на анхидриди, естери, тиоестери, амиди - и техните реакции на обратна хидролиза. Ацетил коензим А е естествен високоенергиен ацилиращ агент. Биологична роля на реакциите на ацилиране. Концепцията за нуклеофилно заместване при фосфорни атоми, реакции на фосфорилиране.

Реакции на окисление и редукция на органични съединения. Специфика на редокс реакциите на органичните съединения. Концепцията за едноелектронен трансфер, трансфер на хидридни йони и действието на системата NAD+ ↔ NADH. Реакции на окисление на алкохоли, феноли, сулфиди, карбонилни съединения, амини, тиоли. Редукционни реакции на карбонилни съединения и дисулфиди. Ролята на редокс реакциите в жизнените процеси.

Изисквания за компетентност:

· Познава електронната и пространствената структура на карбонилната група, влиянието на електронните и пространствените фактори върху реактивността на оксо групата в алдехиди и кетони.

· Да познава механизма на реакциите на нуклеофилно присъединяване на вода, алкохоли, амини, тиоли към алдехиди и кетони, ролята на катализатора.

· Познаване на механизма на реакциите на алдолна кондензация, факторите, определящи участието на съединение в тази реакция.

· Познава механизма на редукционните реакции на оксо съединения с метални хидриди.

· Познаване на реакционните центрове, присъстващи в молекулите на карбоксилната киселина. Да може да извърши сравнителна оценка на силата на карбоксилните киселини в зависимост от структурата на радикала.

· Познават електронната и пространствената структура на карбоксилната група, могат да извършват сравнителна оценка на способността на въглеродния атом на оксо групата в карбоксилните киселини и техните функционални производни (киселинни халогениди, анхидриди, естери, амиди, соли) да подложени на нуклеофилна атака.

· Да познава механизма на реакциите на нуклеофилно заместване, като използва примери за ацилиране, естерификация, хидролиза на естери, анхидриди, киселинни халиди, амиди.

Тема 6. Липиди, класификация, структура, свойства

Липиди, осапуняеми и неосапуняеми. Неутрални липиди. Естествени мазнини като смес от триацилглицероли. Основните естествени висши мастни киселини, които изграждат липидите: палмитинова, стеаринова, олеинова, линолова, линоленова. Арахидонова киселина. Характеристики на ненаситените мастни киселини, w-номенклатура.

Пероксидно окисление на фрагменти от ненаситени мастни киселини в клетъчните мембрани. Ролята на мембранната липидна пероксидация в ефекта на ниски дози радиация върху тялото. Антиоксидантни защитни системи.

Фосфолипиди. Фосфатидни киселини. Фосфатидилколамини и фосфатидилсерини (цефалини), фосфатидилхолини (лецитини) са структурни компоненти на клетъчните мембрани. Липиден двуслой. Сфинголипиди, керамиди, сфингомиелини. Мозъчни гликолипиди (цереброзиди, ганглиозиди).

Изисквания за компетентност:

· Познава класификацията на липидите и тяхната структура.

· Познава структурата на структурните компоненти на осапунените липиди - алкохоли и висши мастни киселини.

· Да познава механизма на реакциите на образуване и хидролиза на прости и сложни липиди.

· Да знае и да може да извършва качествени реакции към ненаситени мастни киселини и масла.

· Да познават класификацията на неосапуняемите липиди, да имат представа за принципите на класификация на терпените и стероидите, тяхната биологична роля.

· Познават биологичната роля на липидите, техните основни функции, имат представа за основните етапи на липидната пероксидация и последствията от този процес за клетката.

Раздел 2. Стереоизомерия на органични молекули. Поли- и хетерофункционални съединения, участващи в жизненоважни процеси

Тема 7. Стереоизомерия на органични молекули

Стереоизомерия в редица съединения с двойна връзка (р-диастереомерия). Цис и транс изомерия на ненаситени съединения. E, Z – система за означение на р-диастереомери. Сравнителна стабилност на р-диастереомери.

Хирални молекули. Асиметричен въглероден атом като център на хиралност. Стереоизомерия на молекули с един център на хиралност (енантиомерия). Оптична дейност. Проекционни формули на Фишер. Глицералдехид като конфигурационен стандарт, абсолютна и относителна конфигурация. D, L-система на стереохимичната номенклатура. R, S-система на стереохимичната номенклатура. Рацемични смеси и методи за тяхното разделяне.

Стереоизомерия на молекули с два или повече хирални центъра. Енантиомери, диастереомери, мезоформи.

Изисквания за компетентност:

· Познаване на причините за появата на стереоизомерия в серията алкени и диенови въглеводороди.

· Да може да използва съкратената структурна формула на ненаситено съединение, за да определи възможността за съществуване на р-диастереомери, да прави разлика между цис-транс изомери и да оценява тяхната сравнителна стабилност.

· Познава елементите на симетрия на молекулите, необходимите условия за възникване на хиралност в органична молекула.

· Да знае и да може да изобразява енантиомери с помощта на проекционните формули на Фишер, да изчислява броя на очакваните стереоизомери въз основа на броя на хиралните центрове в молекулата, принципите за определяне на абсолютната и относителната конфигурация, D-, L-системата на стереохимичната номенклатура .

· Познава методите за разделяне на рацемати, основните принципи на R, S-системата на стереохимичната номенклатура.

Тема 8. Физиологично активни поли- и хетерофункционални съединения от алифатни, ароматни и хетероциклични серии

Поли- и хетерофункционалността като една от характерните черти на органичните съединения, участващи в жизнените процеси и предшественици на най-важните групи лекарства. Особености във взаимното влияние на функционалните групи в зависимост от взаимното им разположение.

Многовалентни алкохоли: етилен гликол, глицерин. Естери на многовалентни алкохоли с неорганични киселини (нитроглицерин, глицеролфосфати). Двуатомни феноли: хидрохинон. Окисление на двуатомни феноли. Хидрохинон-хинонова система. Фенолите като антиоксиданти (уловители на свободните радикали). Токофероли.

Двуосновни карбоксилни киселини: оксалова, малонова, янтарна, глутарова, фумарова. Превръщането на янтарна киселина във фумарова киселина е пример за биологично важна реакция на дехидрогениране. Реакции на декарбоксилиране, тяхната биологична роля.

Аминоалкохоли: аминоетанол (коламин), холин, ацетилхолин. Ролята на ацетилхолина в химическото предаване на нервните импулси в синапсите. Аминофеноли: допамин, норепинефрин, адреналин. Концепцията за биологичната роля на тези съединения и техните производни. Невротоксични ефекти на 6-хидроксидопамин и амфетамини.

Хидрокси и аминокиселини. Реакции на циклизация: влиянието на различни фактори върху процеса на образуване на цикъл (внедряване на съответните конформации, размер на получения цикъл, коефициент на ентропия). лактони. лактами. Хидролиза на лактони и лактами. Реакция на елиминиране на b-хидрокси и аминокиселини.

Алдехидни и кето киселини: пирогроздена, ацетооцетна, оксалооцетна, а-кетоглутарова. Киселинни свойства и реактивност. Реакции на декарбоксилиране на b-кето киселини и окислително декарбоксилиране на a-кето киселини. Ацетооцетен естер, кето-енол тавтомеризъм. Представители на "кетонни тела" са b-хидроксимаслена, b-кетомаслена киселини, ацетон, тяхното биологично и диагностично значение.

Хетерофункционални бензенови производни като лекарства. Салицилова киселина и нейните производни (ацетилсалицилова киселина).

Пара-аминобензоена киселина и нейните производни (анестезин, новокаин). Биологична роля на р-аминобензоената киселина. Сулфанилова киселина и нейният амид (стрептоцид).

Хетероцикли с няколко хетероатома. Пиразол, имидазол, пиримидин, пурин. Пиразолон-5 е в основата на ненаркотичните аналгетици. Барбитуровата киселина и нейните производни. Хидроксипурини (хипоксантин, ксантин, пикочна киселина), тяхната биологична роля. Хетероцикли с един хетероатом. Пирол, индол, пиридин. Биологично важни пиридинови производни са никотинамид, пиридоксал и производни на изоникотинова киселина. Никотинамидът е структурен компонент на коензима NAD+, който определя участието му в OVR.

Изисквания за компетентност:

· Да може да класифицира хетерофункционалните съединения по състав и по относително разположение.

· Познава специфичните реакции на амино и хидрокси киселини с a, b, g - подреждане на функционалните групи.

· Да познава реакциите, водещи до образуването на биологично активни съединения: холин, ацетилхолин, адреналин.

· Познаване на ролята на кето-енолната тавтомерия в проявата на биологичната активност на кето киселини (пирогроздена киселина, оксалооцетна киселина, ацетооцетна киселина) и хетероциклични съединения (пиразол, барбитурова киселина, пурин).

· Познаване на методите за окислително-редукционни трансформации на органични съединения, биологичната роля на окислително-възстановителните реакции при проявата на биологичната активност на двуатомни феноли, никотинамид и образуването на кетонни тела.

Предмет9 . Въглехидрати, класификация, структура, свойства, биологична роля

Въглехидрати, тяхната класификация по отношение на хидролизата. Класификация на монозахаридите. Алдози, кетози: триози, тетрози, пентози, хексози. Стереоизомерия на монозахаридите. D- и L-серии на стереохимичната номенклатура. Отворени и циклични форми. Формули на Фишер и формули на Хауърт. Фуранози и пиранози, a- и b-аномери. Цикло-оксо-тавтомерия. Конформации на пиранозните форми на монозахаридите. Структурата на най-важните представители на пентозите (рибоза, ксилоза); хексози (глюкоза, маноза, галактоза, фруктоза); дезоксизахари (2-дезоксирибоза); аминозахари (глюкозамин, манозамин, галактозамин).

Химични свойства на монозахаридите. Реакции на нуклеофилно заместване, включващи аномерен център. O- и N-гликозиди. Хидролиза на гликозиди. Фосфати на монозахариди. Окисляване и редукция на монозахаридите. Редуциращи свойства на алдозите. Гликонова, гликарова, гликуронова киселини.

Олигозахариди. Дизахариди: малтоза, целобиоза, лактоза, захароза. Структура, цикло-оксо-тавтомерия. Хидролиза.

полизахариди. Обща характеристика и класификация на полизахаридите. Хомо- и хетерополизахариди. Хомополизахариди: нишесте, гликоген, декстрани, целулоза. Първична структура, хидролиза. Концепцията за вторична структура (нишесте, целулоза).

Изисквания за компетентност:

· Познаване на класификацията на монозахаридите (според броя на въглеродните атоми, състава на функционалните групи), структурата на отворените и цикличните форми (фураноза, пираноза) на най-важните монозахариди, тяхното съотношение на D - и L - серии на стереохимична номенклатура, да може да определи броя на възможните диастереомери, да класифицира стереоизомерите като диастереомери, епимери, аномери.

· Познаване на механизма на реакциите на циклизация на монозахаридите, причините за мутаротацията на монозахаридните разтвори.

· Познаване на химичните свойства на монозахаридите: окислително-редукционни реакции, реакции на образуване и хидролиза на О- и N-гликозиди, реакции на естерификация, фосфорилиране.

· Да може да извършва висококачествени реакции върху диолния фрагмент и наличието на редуциращи свойства на монозахаридите.

· Познаване на класификацията на дизахаридите и тяхната структура, конфигурацията на аномерния въглероден атом, образуващ гликозидна връзка, тавтомерните трансформации на дизахаридите, техните химични свойства, биологична роля.

· Познава класификацията на полизахаридите (по отношение на хидролизата, според монозахаридния състав), структурата на най-важните представители на хомополизахаридите, конфигурацията на аномерния въглероден атом, образуващ гликозидна връзка, техните физични и химични свойства и биологична роля. Имайте представа за биологичната роля на хетерополизахаридите.

Тема 10.а-Аминокиселини, пептиди, протеини. Строеж, свойства, биологична роля

Структура, номенклатура, класификация на а-аминокиселините, които изграждат протеини и пептиди. Стереоизомерия на а-аминокиселините.

Биосинтетични пътища за образуване на а-аминокиселини от оксокиселини: реакции на редукционно аминиране и реакции на трансаминиране. Есенциални аминокиселини.

Химични свойства на а-аминокиселините като хетерофункционални съединения. Киселинно-алкални свойства на а-аминокиселините. Изоелектрична точка, методи за разделяне на а-аминокиселини. Образуване на вътрешнокомплексни соли. Реакции на естерификация, ацилиране, алкилиране. Взаимодействие с азотиста киселина и формалдехид, значението на тези реакции за анализа на аминокиселините.

g-аминомаслената киселина е инхибиторен невротрансмитер на централната нервна система. Антидепресивен ефект на L-триптофан, серотонин - като невротрансмитер на съня. Медиаторни свойства на глицин, хистамин, аспарагинова и глутаминова киселини.

Биологично важни реакции на а-аминокиселини. Реакции на дезаминиране и хидроксилиране. Декарбоксилирането на а-аминокиселините е пътят към образуването на биогенни амини и биорегулатори (коламин, хистамин, триптамин, серотонин.) Пептиди. Електронна структура на пептидната връзка. Киселинна и алкална хидролиза на пептиди. Установяване на аминокиселинен състав чрез съвременни физикохимични методи (методи на Сангер и Едман). Понятие за невропептиди.

Първична структура на протеините. Частична и пълна хидролиза. Концепцията за вторични, третични и кватернерни структури.

Изисквания за компетентност:

· Познаване на структурата, стереохимичната класификация на а-аминокиселините, принадлежащи към D- и L-стереохимичните серии на естествени аминокиселини, незаменими аминокиселини.

· Познаване на начините за синтез на а-аминокиселини in vivo и in vitro, познаване на киселинно-базовите свойства и методите за превръщане на а-аминокиселините в изоелектрично състояние.

· Да познават химичните свойства на а-аминокиселините (реакции на амино и карбоксилни групи), да могат да извършват качествени реакции (ксантопротеин, с Cu (OH) 2, нинхидрин).

· Познава електронната структура на пептидната връзка, първичната, вторичната, третичната и кватернерната структура на протеините и пептидите, знае как да определи аминокиселинния състав и аминокиселинната последователност (метод на Sanger, метод на Edman), може да извършва биуретова реакция за пептиди и протеини.

· Познаване на принципа на метода за синтез на пептиди чрез защита и активиране на функционални групи.

Тема 11. Нуклеотиди и нуклеинови киселини

Нуклеинови бази, които изграждат нуклеиновите киселини. Пиримидинови (урацил, тимин, цитозин) и пуринови (аденин, гуанин) бази, тяхната ароматичност, тавтомерни трансформации.

Нуклеозиди, реакции на тяхното образуване. Естеството на връзката между нуклеиновата основа и въглехидратния остатък; конфигурация на гликозиден център. Хидролиза на нуклеозиди.

Нуклеотиди. Структурата на мононуклеотидите, които образуват нуклеинови киселини. Номенклатура. Хидролиза на нуклеотиди.

Първична структура на нуклеиновите киселини. Фосфодиестерна връзка. Рибонуклеинови и дезоксирибонуклеинови киселини. Нуклеотиден състав на РНК и ДНК. Хидролиза на нуклеинови киселини.

Концепцията за вторичната структура на ДНК. Ролята на водородните връзки в образуването на вторична структура. Комплементарност на нуклеиновите бази.

Лекарства на основата на модифицирани нуклеинови бази (5-флуороурацил, 6-меркаптопурин). Принципът на химичното сходство. Промени в структурата на нуклеиновите киселини под въздействието на химикали и радиация. Мутагенен ефект на азотиста киселина.

Нуклеозидни полифосфати (ADP, ATP), характеристики на тяхната структура, които им позволяват да изпълняват функциите на високоенергийни съединения и вътреклетъчни биорегулатори. Структурата на cAMP - вътреклетъчен "посредник" на хормоните.

Изисквания за компетентност:

· Познава структурата на пиримидиновите и пуриновите азотни основи, техните тавтомерни трансформации.

· Да познава механизма на реакциите за образуване на N-гликозиди (нуклеозиди) и тяхната хидролиза, номенклатурата на нуклеозидите.

· Познаване на основните прилики и разлики между естествените и синтетичните антибиотични нуклеозиди в сравнение с нуклеозидите, които изграждат ДНК и РНК.

· Познаване на реакциите на образуване на нуклеотиди, структурата на мононуклеотидите, които изграждат нуклеиновите киселини, тяхната номенклатура.

· Познава структурата на нуклеозидните цикло- и полифосфати, тяхната биологична роля.

· Познаване на нуклеотидния състав на ДНК и РНК, ролята на фосфодиестерната връзка в създаването на първичната структура на нуклеиновите киселини.

· Да познават ролята на водородните връзки при формирането на вторичната структура на ДНК, комплементарността на азотните основи, ролята на комплементарните взаимодействия при осъществяването на биологичната функция на ДНК.

Познайте факторите, които причиняват мутации, и принципа на тяхното действие.

Информационна част

Библиография

Основен:

1. Романовски, биоорганична химия: учебник в 2 части /. - Минск: BSMU, 20с.

2. Романовски, към семинара по биоорганична химия: учебник / редактиран. – Минск: BSMU, 1999. – 132 с.

3. Тюкавкина, Н. А., Биоорганична химия: учебник /,. - Москва: Медицина, 1991. - 528 с.

Допълнителен:

4. Овчинников, химия: монография / .

- Москва: Образование, 1987. - 815 с.

5. Потапов,: учебник /. - Москва:

Химия, 1988. – 464 с.

6. Riles, A. Основи на органичната химия: учебник / A. Rice, K. Smith,

Р. Уорд. – Москва: Мир, 1989. – 352 с.

7. Тейлър, Г. Основи на органичната химия: учебник / Г. Тейлър. -

Москва: Мирс.

8. Терни, А. Съвременна органична химия: учебник в 2 тома /

А. Терни. – Москва: Мир, 1981. – 1310 с.

9. Тюкавкина, за лабораторни изследвания на биоорган

химия: учебник / [и др.]; редактиран от N.A.

Тюкавкина. – Москва: Медицина, 1985. – 256 с.

10. Тюкавкина, Н. А., Биоорганична химия: Учебник за студенти

медицински институти / , . - Москва.

Биоорганичната химия е наука, която изучава структурата и свойствата на веществата, участващи в жизнените процеси, в пряка връзка с познаването на техните биологични функции.

Биоорганичната химия е наука, която изучава структурата и реактивността на биологично значими съединения. Предмет на биоорганичната химия са биополимери и биорегулатори и техните структурни елементи.

Биополимерите включват протеини, полизахариди (въглехидрати) и нуклеинови киселини. Тази група включва и липиди, които не са BMC, но обикновено са свързани с други биополимери в тялото.

Биорегулаторите са съединения, които химически регулират метаболизма. Те включват витамини, хормони и много синтетични съединения, включително лекарствени вещества.

Биоорганичната химия се основава на идеите и методите на органичната химия.

Без познаване на общите принципи на органичната химия е трудно да се изучава биоорганична химия. Биоорганичната химия е тясно свързана с биологията, биологичната химия и медицинската физика.

Съвкупността от реакции, протичащи в условията на даден организъм, се нарича метаболизъм.

Веществата, образувани по време на метаболизма, се наричат ​​- метаболити.

Метаболизмът има две посоки:

Катаболизмът е реакция на разпадане на сложни молекули на по-прости.

Анаболизмът е процес на синтезиране на сложни молекули от по-прости вещества с помощта на енергия.

Терминът биосинтеза се прилага за химическа реакция IN VIVO (в тялото), IN VITRO (извън тялото)

Има антиметаболити - конкуренти на метаболитите в биохимичните реакции.

Конюгацията като фактор за повишаване на стабилността на молекулите. Взаимното влияние на атомите в молекулите на органичните съединения и начините за неговото предаване

Конспект на лекцията:

Сдвояване и неговите видове:

p, p - сдвояване,

r,p - спрежение.

Енергия на конюгиране.

Свързани системи с отворена верига.

Витамин А, каротини.

Конюгация в радикали и йони.

Свързани системи със затворен кръг. Ароматност, критерии за ароматност, хетероциклични ароматни съединения.

Ковалентна връзка: неполярна и полярна.

Индуктивни и мезомерни ефекти. EA и ED са заместители.

Основният тип химични връзки в органичната химия са ковалентните връзки. В органичните молекули атомите са свързани чрез s и p връзки.

Атомите в молекулите на органичните съединения са свързани с ковалентни връзки, които се наричат ​​s и p връзки.

Единичната s - връзка в SP 3 - хибридизирано състояние се характеризира с l - дължина (C-C 0,154 nm), E-енергия (83 kcal/mol), полярност и поляризуемост. Например:

Двойната връзка е характерна за ненаситените съединения, в които освен централната s-връзка има и припокриване, перпендикулярно на s-връзката, което се нарича π-връзка).

Двойните връзки са локализирани, т.е. електронната плътност обхваща само 2 ядра на свързаните атоми.

Най-често вие и аз ще се занимаваме с спрегнатисистеми. Ако двойните връзки се редуват с единични връзки (и в общия случай атом, свързан с двойна връзка, има p-орбитала, тогава p-орбиталите на съседни атоми могат да се припокриват, образувайки обща p-електронна система). Такива системи се наричат конюгирани или делокализирани . Например: бутадиен-1,3

p, p - спрегнати системи

Всички атоми в бутадиена са в SP 2 хибридизирано състояние и лежат в една и съща равнина (Pz не е хибридна орбитала). Рz – орбиталите са успоредни една на друга. Това създава условия за тяхното взаимно припокриване. Припокриването на Pz орбитала възниква между C-1 и C-2 и C-3 и C-4, както и между C-2 и C-3, т.е. делокализиранковалентна връзка. Това се отразява в промените в дължините на връзките в молекулата. Дължината на връзката между C-1 и C-2 е увеличена, а между C-2 и C-3 е скъсена в сравнение с единична връзка.

l-C -С, 154 nm l С=С 0.134 nm

l С-N 1.147 nm l С =O 0.121 nm

r, p - сдвояване

Пример за p, π конюгирана система е пептидна връзка.

r, p - спрегнати системи

Двойната връзка C=0 се удължава до 0,124 nm в сравнение с обичайната дължина от 0,121, а C–N връзката става по-къса и става 0,132 nm в сравнение с 0,147 nm в нормалния случай. Тоест процесът на делокализация на електрони води до изравняване на дължините на връзките и намаляване на вътрешната енергия на молекулата. Въпреки това, ρ,p – конюгиране се среща в ациклични съединения, не само когато се редуват = връзки с единични C-C връзки, но също и когато се редуват с хетероатом:

Х атом със свободна р-орбитала може да бъде разположен близо до двойната връзка. Най-често това са O, N, S хетероатоми и техните p-орбитали, които взаимодействат с p-връзки, образувайки p, p-конюгация.

Например:

CH 2 = CH – O – CH = CH 2

Конюгирането може да се случи не само в неутрални молекули, но и в радикали и йони:

Въз основа на горното, в отворени системи сдвояването се извършва при следните условия:

Всички атоми, участващи в спрегнатата система, са в SP 2 - хибридизирано състояние.

Pz – орбиталите на всички атоми са перпендикулярни на равнината на s-скелета, тоест успоредни една на друга.

Когато се образува конюгирана многоцентрова система, дължините на връзките се изравняват. Тук няма "чисти" единични и двойни връзки.

Делокализацията на р-електроните в спрегната система е придружена от освобождаване на енергия. Системата преминава на по-ниско енергийно ниво, става по-стабилна, по-стабилна. Така образуването на спрегната система в случая на бутадиен - 1,3 води до освобождаване на енергия в количество от 15 kJ/mol. Благодарение на конюгацията се увеличава стабилността на йонните радикали от алилов тип и тяхното разпространение в природата.

Колкото по-дълга е веригата на конюгиране, толкова по-голямо е освобождаването на енергия от нейното образуване.

Това явление е доста широко разпространено в биологично важни съединения. Например:

Постоянно ще се сблъскваме с проблемите на термодинамичната стабилност на молекулите, йоните и радикалите в курса на биоорганичната химия, която включва редица йони и молекули, широко разпространени в природата. Например:

Свързани системи със затворен контур

Ароматност. В цикличните молекули при определени условия може да възникне спрегната система. Пример за p, p - спрегната система е бензенът, където p - електронният облак покрива въглеродните атоми, такава система се нарича - ароматен.

Печалбата на енергия поради конюгиране в бензен е 150,6 kJ/mol. Следователно бензенът е термично стабилен до температура от 900 o C.

Наличието на затворен електронен пръстен е доказано с помощта на ЯМР. Ако молекула бензен се постави във външно магнитно поле, възниква индуктивен пръстенен ток.

По този начин критерият за ароматност, формулиран от Hückel, е:

молекулата има циклична структура;

всички атоми са в SP 2 – хибридизирано състояние;

има делокализирана p - електронна система, съдържаща 4n + 2 електрона, където n е броят на циклите.

Например:

Особено място в биоорганичната химия заема въпросът ароматност на хетероцикличните съединения.

В циклични молекули, съдържащи хетероатоми (азот, сяра, кислород), се образува единичен p-електронен облак с участието на p-орбитали на въглеродни атоми и хетероатом.

Петчленни хетероциклични съединения

Ароматната система се образува от взаимодействието на 4 р-орбитали С и една орбитала на хетероатом, който съдържа 2 електрона. Шест p електрона образуват ароматния скелет. Такава свързана система е електронно излишна. В пирола N атомът е в SP 2 хибридизирано състояние.

Пиролът е част от много биологично важни вещества. Четири пиролови пръстена образуват порфин, ароматна система с 26 p - електрона и висока енергия на конюгиране (840 kJ/mol)

Порфиновата структура е част от хемоглобина и хлорофила

Шестчленни хетероциклични съединения

Ароматната система в молекулите на тези съединения се формира от взаимодействието на пет р-орбитали на въглеродни атоми и една р-орбитала на азотен атом. Два електрона в две SP 2 орбитали участват в образуването на s - връзки с въглеродните атоми на пръстена. Р орбиталата с един електрон е включена в ароматния скелет. SP 2 – орбитала с несподелена двойка електрони лежи в равнината на s-скелета.

Електронната плътност в пиримидина е изместена към N, т.е. системата е изчерпана от p-електрони, има електронен дефицит.

Много хетероциклени съединения могат да съдържат един или повече хетероатоми

Пироловите, пиримидиновите и пуриновите ядра са част от много биологично активни молекули.

Взаимното влияние на атомите в молекулите на органичните съединения и начините за неговото предаване

Както вече беше отбелязано, връзките в молекулите на органичните съединения се осъществяват поради s и p връзки; електронната плътност е равномерно разпределена между свързаните атоми само когато тези атоми са еднакви или близки по електроотрицателност. Такива връзки се наричат неполярни.

CH 3 -CH 2 → CI полярна връзка

По-често в органичната химия се занимаваме с полярни връзки.

Ако електронната плътност е изместена към по-електроотрицателен атом, тогава такава връзка се нарича полярна. Въз основа на стойностите на енергията на връзката американският химик Л. Полинг предложи количествена характеристика на електроотрицателността на атомите. По-долу е скалата на Полинг.

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

Въглеродните атоми в различни състояния на хибридизация се различават по електроотрицателност. Следователно s - връзката между SP 3 и SP 2 хибридизираните атоми - е полярна

Индуктивен ефект

Пренасянето на електронна плътност чрез механизма на електростатична индукция по верига от s-връзки се нарича чрез индукция, ефектът се нарича индуктивени се обозначава с J. Ефектът на J, като правило, се отслабва чрез три връзки, но близко разположените атоми изпитват доста силно влияние на близкия дипол.

Заместителите, които изместват електронната плътност по веригата на s-връзката в тяхната посока, проявяват -J – ефект и обратното +J ефект.

Изолирана p-връзка, както и единичен p-електронен облак на отворена или затворена конюгирана система, могат лесно да бъдат поляризирани под въздействието на EA и ED заместители. В тези случаи индуктивният ефект се прехвърля върху p-връзката, поради което се означава с Jp.

Мезомерен ефект (ефект на конюгация)

Преразпределението на електронната плътност в спрегната система под въздействието на заместител, който е член на тази спрегната система, се нарича мезомерен ефект(М-ефект).

За да бъде заместителят част от конюгирана система, той трябва да има двойна връзка (p,p конюгация) или хетероатом с несподелена електронна двойка (r,p конюгация). M – ефектът се предава през свързаната система без затихване.

Заместителите, които понижават електронната плътност в спрегната система (изместена електронна плътност в нейната посока), проявяват -М ефект, а заместителите, които увеличават електронната плътност в спрегната система, проявяват +М ефект.

Електронни ефекти на заместителите

Реактивността на органичните вещества до голяма степен зависи от характера на J и M ефектите. Познаването на теоретичните възможности на електронните ефекти ни позволява да предвидим хода на определени химични процеси.

Киселинно-алкални свойства на органичните съединения. Класификация на органичните реакции.

Конспект на лекцията

Концепцията за субстрат, нуклеофил, електрофил.

Класификация на органичните реакции.

обратими и необратими

радикален, електрофилен, нуклеофилен, синхронен.

моно- и бимолекулни

реакции на заместване

реакции на присъединяване

реакции на елиминиране

окисление и редукция

киселинно-алкални взаимодействия

Реакциите са региоселективни, хемоселективни, стереоселективни.

Електрофилни присъединителни реакции. Управлението на Морковников, присъединяването на анти-Морковников.

Реакции на електрофилно заместване: ориентанти от 1-ви и 2-ри род.

Киселинно-алкални свойства на органичните съединения.

Киселинност и основност по Бренстед

Люис киселинност и основност

Теория на твърдите и меките киселини и основи.

Класификация на органичните реакции

Систематизирането на органичните реакции позволява да се намали разнообразието от тези реакции до относително малък брой типове. Органичните реакции могат да бъдат класифицирани:

към: обратими и необратими

от естеството на промените в връзките в субстрата и реагента.

Субстрат– молекула, която осигурява въглероден атом за образуване на нова връзка

реагент- съединение, действащо върху субстрата.

Реакциите, базирани на естеството на промените в връзките в субстрата и реагента, могат да бъдат разделени на:

радикал Р

електрофилен Е

нуклеофилен N(Y)

синхронен или координиран

Механизъм на СР реакциите

Посвещение

Верижен растеж

Отворена верига

КЛАСИРАНЕ ПО КРАЙЕН РЕЗУЛТАТ

Съответствията с крайния резултат от реакцията са:

А) реакции на заместване

Б) реакции на присъединяване

Б) реакции на елиминиране

Г) прегрупиране

Г) окисление и редукция

Д) киселинно-алкални взаимодействия

Случват се и реакции:

Региоселективни– за предпочитане тече през един от няколко реакционни центъра.

Хемоселективен– преференциална реакция за една от свързаните функционални групи.

Стереоселективен– преференциално образуване на един от няколко стереоизомера.

Реактивност на алкени, алкани, алкадиени, арени и хетероциклични съединения

Основата на органичните съединения са въглеводороди. Ще разгледаме само онези реакции, проведени при биологични условия и съответно не със самите въглеводороди, а с участието на въглеводородни радикали.

Ненаситените въглеводороди включват алкени, алкадиени, алкини, циклоалкени и ароматни въглеводороди. Обединяващият принцип за тях е π – електронният облак. При динамични условия органичните съединения също са склонни да бъдат атакувани от E+

Реакциите на взаимодействие на алкини и арени с реагенти обаче водят до различни резултати, тъй като в тези съединения естеството на π-електронния облак е различно: локализирано и делокализирано.

Ще започнем нашето разглеждане на реакционните механизми с реакции A E. Както знаем, алкените взаимодействат с

Механизъм на реакцията на хидратация

Според правилото на Марковников - добавяне към ненаситени въглеводороди на асиметрични съединения с обща формула HX - към най-хидрогенирания въглероден атом се добавя водороден атом, ако заместителят е ED. При добавяне на анти-Марковников водороден атом се добавя към най-малко хидрогенирания, ако заместителят е ЕА.

Реакциите на електрофилно заместване в ароматните системи имат свои собствени характеристики. Първата характеристика е, че взаимодействието с термодинамично стабилна ароматна система изисква силни електрофили, които обикновено се генерират с помощта на катализатори.

Реакционен механизъм S E

ОРИЕНТИРАЩО ВЪЗДЕЙСТВИЕ
ДЕПУТАТ

Ако има някакъв заместител в ароматния пръстен, тогава той задължително влияе върху разпределението на електронната плътност на пръстена. ED - заместители (ориентанти на 1-ви ред) CH 3, OH, OR, NH 2, NR 2 - улесняват заместването в сравнение с незаместения бензен и насочват входящата група към орто- и пара-позиция. Ако ED заместителите са силни, тогава не е необходим катализатор; тези реакции протичат на 3 етапа.

ЕА заместителите (ориентанти от втори вид) пречат на реакциите на електрофилно заместване в сравнение с незаместения бензен. SE реакцията се случва при по-строги условия; входящата група влиза в мета позиция. Заместителите от тип II включват:

COOH, SO3H, CHO, халогени и др.

SE реакциите са характерни и за хетероцикличните въглеводороди. Пиролът, фуранът, тиофенът и техните производни принадлежат към π-излишните системи и доста лесно влизат в SE реакции. Те лесно се халогенират, алкилират, ацилират, сулфонират и нитрират. При избора на реагенти е необходимо да се вземе предвид тяхната нестабилност в силно кисела среда, т.е. ацидофобност.

Пиридиновите и други хетероциклични системи с пиридинов азотен атом са π-недостатъчни системи, те много по-трудно влизат в SE реакции и входящият електрофил заема β-позиция спрямо азотния атом.

Киселинни и основни свойства на органичните съединения

Най-важните аспекти на реактивността на органичните съединения са киселинно-алкалните свойства на органичните съединения.

Киселинност и основностсъщо важни понятия, които определят много функционални физикохимични и биологични свойства на органичните съединения. Киселинната и основната катализа е една от най-честите ензимни реакции. Слабите киселини и основи са общи компоненти на биологичните системи, които играят важна роля в метаболизма и неговото регулиране.

В органичната химия има няколко концепции за киселини и основи. Теорията на Брьонстед за киселините и основите, общоприета в неорганичната и органичната химия. Според Брьонстед киселините са вещества, които могат да отдадат протон, а основите са вещества, които могат да приемат протон.

Киселинност по Бронстед

По принцип повечето органични съединения могат да се считат за киселини, тъй като в органичните съединения Н е свързан с C, N O S

Органичните киселини съответно се разделят на C – H, N – H, O – H, S-H – киселини.

Киселинността се оценява под формата на Ka или - log Ka = pKa, колкото по-ниско е pKa, толкова по-силна е киселината.

Количествената оценка на киселинността на органичните съединения не е определена за всички органични вещества. Следователно е важно да се развие способността за извършване на качествена оценка на киселинните свойства на различни киселинни центрове. За това се използва общ методически подход.

Силата на една киселина се определя от стабилността на аниона (конюгирана база). Колкото по-стабилен е анионът, толкова по-силна е киселината.

Анионната стабилност се определя от комбинация от редица фактори:

електроотрицателност и поляризуемост на елемента в киселинния център.

степента на делокализация на отрицателния заряд в аниона.

природата на радикала, свързан с киселинния център.

ефекти на солватация (влияние на разтворителя)

Нека разгледаме ролята на всички тези фактори последователно:

Ефект на електроотрицателността на елементите

Колкото по-електроотрицателен е елементът, толкова по-делокализиран е зарядът и колкото по-стабилен е анионът, толкова по-силна е киселината.

C (2,5) N (3,0) O (3,5) S (2,5)

Следователно киселинността се променя в серията CH< NН < ОН

За SH киселините преобладава друг фактор - поляризуемостта.

Серният атом е по-голям по размер и има свободни d орбитали. следователно, отрицателният заряд може да се делокализира в голям обем, което води до по-голяма стабилност на аниона.

Тиолите, като по-силни киселини, реагират с основи, както и с оксиди и соли на тежки метали, докато алкохолите (слаби киселини) могат да реагират само с активни метали

Относително високата киселинност на толите се използва в медицината и в химията на лекарствата. Например:

Използва се при отравяне с As, Hg, Cr, Bi, чийто ефект се дължи на свързването на металите и отстраняването им от тялото. Например:

При оценка на киселинността на съединения с един и същ атом в киселинния център, определящ фактор е делокализацията на отрицателния заряд в аниона. Стабилността на аниона се увеличава значително с появата на възможността за делокализация на отрицателния заряд по протежение на системата от спрегнати връзки. Значителното увеличение на киселинността във фенолите в сравнение с алкохолите се обяснява с възможността за делокализация в йони в сравнение с молекулата.

Високата киселинност на карбоксилните киселини се дължи на резонансната стабилност на карбоксилатния анион

Делокализацията на заряда се улеснява от наличието на електрон-оттеглящи заместители (EA), те стабилизират анионите, като по този начин повишават киселинността. Например, въвеждане на заместител в молекула ЕА

Влияние на заместителя и разтворителя

a - хидрокси киселините са по-силни киселини от съответните карбоксилни киселини.

ED - заместителите, напротив, намаляват киселинността. Разтворителите имат по-голямо влияние върху стабилизирането на аниона; като правило малките йони с ниска степен на делокализация на заряда са по-добре солватирани.

Ефектът на солватацията може да се проследи, например, в серията:

Ако атом в киселинен център носи положителен заряд, това води до повишена киселинност.

Въпрос към аудиторията: коя киселина - оцетна или палмитинова C 15 H 31 COOH - трябва да има по-ниска стойност на pKa?

Ако атомът в киселинния център носи положителен заряд, това води до повишена киселинност.

Може да се отбележи силната CH - киселинност на σ - комплекса, образуван в реакцията на електрофилно заместване.

Основност на Бронстед

За да се образува връзка с протон, е необходима несподелена електронна двойка на хетероатома,

или да бъдат аниони. Има p-бази и

π бази, където е центърът на основност

електрони на локализирана π връзка или π електрони на спрегната система (π компоненти)

Силата на основата зависи от същите фактори като киселинността, но влиянието им е противоположно. Колкото по-голяма е електроотрицателността на един атом, толкова по-здраво той държи несподелена двойка електрони и толкова по-малко достъпен е за свързване с протон. Тогава, като цяло, силата на n-бази със същия заместител се променя в серията:

Най-основните органични съединения са амини и алкохоли:

Солите на органичните съединения с минерални киселини са силно разтворими. Много лекарства се използват под формата на соли.

Киселинно-базисен център в една молекула (амфотерен)

Водородните връзки като киселинно-алкални взаимодействия

За всички α-аминокиселини има преобладаване на катионни форми в силно киселинни и анионни в силно алкални среди.

Наличието на слаби киселинни и основни центрове води до слаби взаимодействия - водородни връзки. Например: имидазолът с ниско молекулно тегло има висока точка на кипене поради наличието на водородни връзки.

J. Lewis предложи по-обща теория за киселините и основите, основана на структурата на електронните черупки.

Киселината на Люис може да бъде атом, молекула или катион, който има свободна орбитала, способна да приеме двойка електрони, за да образува връзка.

Представители на киселините на Луис са халогенидите на елементи от групи II и III на периодичната система D.I. Менделеев.

Базите на Луис са атом, молекула или анион, способни да отдадат двойка електрони.

Базите на Луис включват амини, алкохоли, етери, тиоли, тиоетери и съединения, съдържащи π връзки.

Например взаимодействието по-долу може да бъде представено като киселинно-основно взаимодействие на Луис

Важно следствие от теорията на Луис е, че всяко органично вещество може да бъде представено като киселинно-алкален комплекс.

В органичните съединения вътремолекулните водородни връзки се срещат много по-рядко от междумолекулните, но те също се срещат в биоорганичните съединения и могат да се разглеждат като киселинно-алкални взаимодействия.

Понятията „твърд“ и „мек“ не са идентични със силни и слаби киселини и основи. Това са две независими характеристики. Същността на LCMO е, че твърдите киселини реагират с твърди основи, а меките киселини реагират с меки основи.

Според принципа на Пиърсън за твърди и меки киселини и основи (HABP), киселините на Луис се разделят на твърди и меки. Твърдите киселини са акцепторни атоми с малък размер, голям положителен заряд, висока електроотрицателност и ниска поляризуемост.

Меките киселини са големи акцепторни атоми с малък положителен заряд, ниска електроотрицателност и висока поляризуемост.

Същността на LCMO е, че твърдите киселини реагират с твърди основи, а меките киселини реагират с меки основи. Например:

Окисляване и редукция на органични съединения

Редокс реакциите са от изключително значение за жизнените процеси. С тяхна помощ тялото задоволява енергийните си нужди, тъй като при окисляването на органичните вещества се освобождава енергия.

От друга страна, тези реакции служат за превръщане на храната в клетъчни компоненти. Окислителните реакции насърчават детоксикацията и отстраняването на лекарствата от тялото.

Окисляването е процесът на отстраняване на водорода, за да се образува множествена връзка или нови по-полярни връзки.

Редукцията е процес, обратен на окислението.

Окислението на органичните субстрати протича по-лесно, колкото по-силна е тенденцията му да отдава електрони.

Окисляването и редукцията трябва да се разглеждат във връзка със специфични класове съединения.

Окисляване на C–H връзки (алкани и алкили)

Когато алканите изгорят напълно, се образуват CO 2 и H 2 O и се отделя топлина. Други начини за тяхното окисление и редукция могат да бъдат представени чрез следните схеми:

Окисляването на наситени въглеводороди се извършва при тежки условия (хромната смес е гореща), по-меките окислители не ги засягат. Междинните продукти на окисление са алкохоли, алдехиди, кетони и киселини.

Хидропероксидите R – O – OH са най-важните междинни продукти на окисляването на C – H връзки при меки условия, по-специално in vivo

Важна окислителна реакция на С–Н връзките при телесни условия е ензимното хидроксилиране.

Пример за това е производството на алкохоли чрез окисляване на храна. Дължи се на молекулярния кислород и неговите активни форми. проведено in vivo.

Водородният пероксид може да служи като хидроксилиращ агент в тялото.

Излишъкът от пероксид трябва да се разложи от каталаза до вода и кислород.

Окислението и редукцията на алкените могат да бъдат представени чрез следните трансформации:

Алкен редукция

Окисляване и редукция на ароматни въглеводороди

Бензолът е изключително труден за окисляване дори при тежки условия по схемата:

Способността за окисляване се увеличава значително от бензен към нафталин и по-нататък към антрацен.

ED заместителите улесняват окисляването на ароматните съединения. EA – възпрепятстват окисляването. Възстановяване на бензен.

C 6 H 6 + 3 H 2

Ензимно хидроксилиране на ароматни съединения

Окисляване на алкохоли

В сравнение с въглеводородите, окислението на алкохолите протича при по-меки условия

Най-важната реакция на диолите при условия на тялото е трансформацията в системата хинон-хидрохинон

Прехвърлянето на електрони от субстрата към кислорода се извършва в метахондриите.

Окисляване и редукция на алдехиди и кетони

Един от най-лесно окисляващите се класове органични съединения

2H 2 C = O + H 2 O CH 3 OH + HCOOH тече особено лесно на светлина

Окисляване на азотсъдържащи съединения

Амините се окисляват доста лесно; крайните продукти на окислението са нитро съединения

Изчерпателното намаляване на азотсъдържащите вещества води до образуването на амини.

Окисляване на амини in vivo

Окисление и редукция на тиоли

Сравнителна характеристика на O-B свойствата на органичните съединения.

Най-лесно се окисляват тиолите и 2-атомните феноли. Алдехидите се окисляват доста лесно. Алкохолите се окисляват по-трудно, а първичните са по-лесни от вторичните и третичните. Кетоните са устойчиви на окисляване или се окисляват с разцепването на молекулата.

Алкините се окисляват лесно дори при стайна температура.

Най-трудни за окисляване са съединенията, съдържащи въглеродни атоми в Sp3-хибридизирано състояние, тоест наситени фрагменти от молекули.

ED – заместителите улесняват окисляването

EA – възпрепятстват окисляването.

Специфични свойства на поли- и хетерофункционалните съединения.

Конспект на лекцията

Поли- и хетерофункционалността като фактор, повишаващ реактивността на органичните съединения.

Специфични свойства на поли- и хетерофункционалните съединения:

образуване на амфотерност на вътрешномолекулни соли.

вътрешномолекулна циклизация на γ, δ, ε – хетерофункционални съединения.

междумолекулна циклизация (лактиди и декетопипирозини)

хелатиране.

реакции на елиминиране на бета-хетерофункционал

връзки.

кето-енол тавтомеризъм. Фосфоенолпируват, като

макроергично съединение.

декарбоксилиране.

стереоизомерия

Поли- и хетерофункционалността като причина за появата на специфични свойства в хидрокси, амино и оксо киселини.

Наличието на няколко еднакви или различни функционални групи в една молекула е характерна черта на биологично важните органични съединения. Една молекула може да съдържа две или повече хидроксилни групи, амино групи или карбоксилни групи. Например:

Важна група вещества, участващи в жизнената дейност, са хетерофункционалните съединения, които имат двойна комбинация от различни функционални групи. Например:

В алифатните съединения всички от горните функционални групи проявяват ЕА характер. Поради взаимното им влияние реактивността им взаимно се засилва. Например, в оксокиселините, електрофилността на всеки от двата карбонилни въглеродни атома се подобрява от -J на другата функционална група, което води до по-лесна атака от нуклеофилни реагенти.

Тъй като I ефектът избледнява след 3-4 връзки, важно обстоятелство е близостта на местоположението на функционалните групи във въглеводородната верига. Хетерофункционалните групи могат да бъдат разположени на един и същ въглероден атом (α - разположение) или на различни въглеродни атоми, както съседни (β разположение), така и по-отдалечени едно от друго (γ, делта, епсилон) места.

Всяка хетерофункционална група запазва собствената си реактивност; по-точно хетерофункционалните съединения влизат в „двоен“ брой химични реакции. Когато взаимното разположение на хетерофункционалните групи е достатъчно близко, реактивността на всяка от тях се усилва взаимно.

При едновременното присъствие на киселинни и основни групи в молекулата, съединението става амфотерно.

Например: аминокиселини.

Взаимодействие на хетерофункционални групи

Молекулата на герофункционалните съединения може да съдържа групи, способни да взаимодействат една с друга. Например, в амфотерни съединения, като α-аминокиселини, е възможно образуването на вътрешни соли.

Следователно всички α-аминокиселини се срещат под формата на биополярни йони и са силно разтворими във вода.

В допълнение към киселинно-базовите взаимодействия стават възможни и други видове химични реакции. Например, реакцията S N при SP 2 е хибрид на въглероден атом в карбонилната група поради взаимодействие с алкохолната група, образуване на естери, карбоксилна група с аминогрупа (образуване на амиди).

В зависимост от относителното разположение на функционалните групи, тези реакции могат да протичат както в рамките на една молекула (вътремолекулни), така и между молекули (междумолекулни).

Тъй като реакцията води до образуването на циклични амиди и естери. тогава определящ фактор става термодинамичната стабилност на циклите. В тази връзка крайният продукт обикновено съдържа шестчленни или петчленни пръстени.

За да може вътрешномолекулното взаимодействие да образува пет или шестчленен естерен (амиден) пръстен, хетерофункционалното съединение трябва да има гама или сигма подреждане в молекулата. След това в клас