Елементи біоорганічної хімії. Історія розвитку біоорганічної хімії

Вітання! Багато студентів медичних вишів зараз розбирають біоорганічну хімію, вона ж – БОХ.

У деяких вузах цей предмет закінчується заліком, у деяких – іспитом. Іноді буває, що залік в одному вузі можна порівняти за складністю з іспитом в іншому.

У моєму університеті біоорганічна хімія здавалася якраз іспитом під час літньої сесії наприкінці першого курсу. Треба сказати, що БОХ відноситься до тих предметів, які спочатку жахають і можуть вселяти думку - це здати неможливо. Особливо це, звичайно, стосується людей зі слабкою базою органічної хімії (а таких у медичних університетах, як не дивно, досить багато).

Програми вивчення біоорганічної хімії у різних університетах можуть дуже відрізнятися, а методики викладання – ще сильніше.

Проте вимоги до студентів скрізь приблизно однакові. Якщо дуже спростити, щоб здати біоорганічну хімію на 5, ви повинні знати назви, властивості, особливості будови і типові реакції ряду органічних речовин.

Наш викладач, шановний професор, подавав матеріал так, ніби кожен студент був найкращим у школі з органічної хімії (а біоорганічна хімія по суті є ускладненим курсом шкільної органічної хімії). Напевно, він мав рацію у своєму підході, всі повинні тягтися нагору і намагатися бути кращими. Однак це призвело до того, що деякі студенти, які на перших 2-3 парах не розуміли матеріал частково, ближче до середини семестру взагалі перестали розуміти все.

Я вирішив написати цей матеріал здебільшого через те, що я був таким студентом. У школі я дуже любив неорганічну хімію, а от з органікою у мене завжди не складалося. Я навіть коли готувався до ЄДІ, вибрав стратегію посилення всіх своїх знань з неорганіки, водночас закріплюючи лише базу органіки. Мені, до речі, це мало не вийшло боком у плані вступних балів, але це інша історія.

Я не дарма сказав про методику викладання, тому що в нас вона теж була дуже незвичайна. Нам відразу ж, чи не на першій парі, продемонстрували методички, за якими ми мали складати заліки і потім іспит.

Біоорганічна хімія - заліки та іспит

Весь курс у нас ділився на 4 великі теми, кожна з яких закінчувалася заліковим заняттям. Запитання до кожного з чотирьох заліків у нас вже були з перших пар. Вони, звичайно ж, лякали, проте водночас служили своєрідною картою, якою слід рухатися.

Перший залік був дуже елементарний. Він був присвячений, в основному, номенклатурі, тривіальним (побутовим) та міжнародним назвам, і, звичайно ж, класифікації речовин. Також у тому чи іншому вигляді торкалися ознак ароматичності.

Другий залік після першого здавався значно складнішим. Там необхідно було розписувати властивості та реакції таких речовин, як кетони, альдегіди, спирти, карбонові кислоти. Наприклад, одна з типових реакцій альдегідів – це реакція срібного дзеркала. Досить гарне видовище. Якщо до якого-небудь альдегіду ви додасте реактив Толленса, тобто ВІН, то на стінці пробірки ви побачите осад, що нагадує дзеркало, як це виглядає:

Третій залік на тлі другого не видавався таким грізним. Усі вже звикли писати реакції та запам'ятовувати властивості за класифікаціями. У третьому заліку йшлося про сполуки із двома функціональними групами – амінофеноли, аміноспирти, оксокислоти та інші. Також у кожному квитку був мінімум один квиток про вуглеводи.

Четвертий залік з біоорганічної хімії був майже повністю присвячений білкам, амінокислотам і пептидним зв'язкам. Особливою родзинкою були питання, на яких потрібно зібрати РНК та ДНК.

До речі, саме так виглядає амінокислота — ви можете побачити аміногрупу (вона підфарбована жовтим на цьому малюнку) і групу карбоксильної кислоти (вона бузкова). Саме з речовинами цього класу доводилося мати справу у четвертому заліку.

Кожен залік здавався біля дошки – студент повинен без підказок розписати та пояснити усі необхідні властивості у вигляді реакцій. Наприклад, якщо ви здаєте другий залік, у вас у квитку властивості спиртів. Вам викладач каже – візьми пропанол. Ви пишете формулу пропанолу та 4-5 типових реакцій, щоб проілюструвати його властивості. Могла бути і екзотика, на кшталт сірковмісних сполук. Помилка навіть у індексі одного продукту реакції найчастіше відправляла далі вивчати цей матеріал до наступної спроби (яка була за тиждень). Страшно? Суворо? Звичайно!

Однак такий підхід має дуже приємний побічний ефект. Під час регулярних семінарських занять доводилося тяжко. Багато хто складав заліки по 5-6 разів. Але на іспиті було дуже легко, адже кожен квиток містив 4 питання. Саме по одному з кожного вже вивченого та вирішеного заліку.

Тому я навіть не розписуватиму тонкощів підготовки до іспиту з біоорганічної хімії. У нашому випадку вся підготовка зводилася до того, як ми готувалися до зарахунків. Упевнено здав кожен із чотирьох заліків – перед іспитом просто переглянь свої ж чернетки, розпиши ще основні реакції і відразу все відновиться. Справа в тому, що органічна хімія – це дуже логічна наука. Запам'ятовувати потрібно не величезні рядки реакцій, а самі механізми.

Так, наголошу, що це працює далеко не з усіма предметами. Грізну анатомію не вдасться здати, просто почитавши свої записи напередодні. Ряд інших предметів також має свої особливості. Навіть якщо у вашому медичному університеті біоорганічна хімія викладається якось інакше, можливо, вам потрібно буде скоригувати вашу підготовку та здійснювати її трохи не так, як я робив. У будь-якому випадку, удачі вам, розумійте та любите науку!

План 1. Предмет та значення біоорганічної хімії 2. Класифікація та номенклатура органічних сполук 3. Способи зображення органічних молекул 4. Хімічний зв'язок у біоорганічних молекулах 5. Електронні ефекти. Взаємний вплив атомів у молекулі 6. Класифікація хімічних реакцій та реагентів 7. Поняття про механізми хімічних реакцій 2

Предмет біоорганічної хімії 3 Біоорганічна хімія - самостійний розділ хімічної науки, що вивчає будову, властивості та біологічні функції хімічних сполук органічного походження, що беруть участь в обміні речовин живих організмів.

Об'єктами вивчення біоорганічної хімії є низькомолекулярні біомолекули та біополімери (білки, нуклеїнові кислоти та полісахариди), біо-гулятори (ферменти, гормони, вітаміни та інші), природні та синтетичні фізіологічно активні сполуки, у тому числі лікарські засоби та речовини з токсичною дією. Біомолекули - біоорганічні сполуки, що входять до складу живих організмів та спеціалізовані для утворення клітинних структур та участі у біохімічних реакціях, становлять основу обміну речовин (метаболізм) та фізіологічних функцій живих клітин та багатоклітинних організмів у цілому. 4 Класифікація біоорганічних сполук

Обмін речовин – сукупність хімічних реакцій, що протікають в організмі (in vivo). Обмін речовин називають також метаболізмом. Метаболізм може відбуватися у двох напрямках – анаболізм та катаболізм. Анаболізм – це синтез в організмі складних речовин із порівняно простих. Він протікає із витратою енергії (ендотермічний процес). Катаболізм - навпаки, розпад складних органічних сполук більш прості. Проходить він із виділенням енергії (екзотермічний процес). Метаболітичні процеси відбуваються за участю ферментів. Ферменти виконують в організмі роль біокаталізаторів. Без ферментів біохімічні процеси або зовсім не протікали б, або протікали дуже повільно і організм не зміг би підтримувати життя. 5

Біоелементи. До складу біоорганічних сполук, крім атомів вуглецю (С), які складають основу будь-якої органічної молекули, входять також водень (Н), кисень (О), азот (N), фосфор (Р) та сірка (S). Ці біоелементи (органогени) сконцентровані у живих організмах у кількості, що понад 200 разів перевищує їх вміст у об'єктах неживої природи. Зазначені елементи становлять понад 99% елементного складу біомолекул. 6

Біоорганічна хімія виникла з надр органічної хімії та базується на її ідеях та методах. В історії розвитку для органічної хімії відведено такі етапи: емпіричний, аналітичний, структурний та сучасний. Період від першого знайомства людини з органічними речовинами до кінця XVІІІ ст. вважається емпіричним. Основний результат цього періоду – люди усвідомили значення елементного аналізу та встановлення атомних та молекулярних мас. Теорія віталізму – життєвої сили (Берцеліус). До 60-х років ХІХ століття продовжувався аналітичний період. Він ознаменувався тим, що з кінця першої чверті ХІХ століття було зроблено низку перспективних відкриттів, які завдали нищівного удару по віталістичній теорії. Першим у цьому ряду був учень Берцеліуса, німецький хімік Велер. Він здійснив низку відкриттів у 1824 р. – синтез щавлевої кислоти з диціану: (CN) 2 НООС – СООН р. – синтез сечовини з амонію ціанату: NH 4 CNO NH 2 – C – NH 2 Про 8

У 1853 Ш. Жерар розробив «теорію типів» та й користував її для класифікації органічних сполук. Згідно Жерару, більш складні органічні сполуки можуть бути вироблені від наступних основних чотирьох типів речовин: НННН тип ВОДОРОДУ НННН O тип ВОДИ Н Cl тип ХЛОРИСТОГО ВОДОРОДУ ННHННH N тип АМІАКУ З 1857 за пропозицією Ф. А. КекуН вуглевод 9

Основні положення теорії будови органічних сполук (1861) 1) атоми в молекулах з'єднані один з одним хімічними зв'язками відповідно до їх валентності; 2) атоми в молекулах органічних речовин з'єднуються між собою у певній послідовності, що зумовлює хімічну будову (структуру) молекули; 3) властивості органічних сполук залежать не тільки від числа і природи атомів, що входять до їх складу, але і від хімічної будови молекул; 4) в органічних молекулах існує взаємодія між атомами як пов'язаними один з одним, так і незв'язаними; 5) хімічну будову речовини можна визначити в результаті вивчення її хімічних перетворень і, навпаки, будовою речовини можна характеризувати її властивості. 10

Основні положення теорії будови органічних сполук (1861) Структурна формула - це зображення послідовності зв'язку атомів у молекулі. Брутто-формула – СН 4 Про або CH 3 OH Структурна формула Спрощені формули будови іноді називають раціональними Молекулярна формула – формула органічної сполуки, яка вказує на кількість атомів кожного елемента у молекулі. Наприклад: З 5 Н 12 - Пентана, З 6 Н 6 - бензин і т.д. 11

Етапи розвитку біоорганічної хімії Як окрема галузь знань, що поєднує концептуальні принципи та методологію органічної хімії з одного боку та молекулярної біохімії та молекулярної фармакології з іншого боку, біоорганічна хімія сформувалася у роках ХХ століття на підставі розробок хімії природних речовин та біохімічних речовин. Фундаментальне значення сучасна біоорганічна хімія набула завдяки роботам В. Стейна, С. Мура, Ф. Сенгера (аналіз амінокислотного складу та визначення первинної структури пептидів та білків), Л. Полінга та Х. Астбері (з'ясування будови -спіралі та -структури та їх значення у реалізації біологічних функцій білкових молекул), Е. Чаргаффа (розшифрування особливостей нуклеотидного складу нуклеїнових кислот), Дж. Вотсона, Фр. Крику, М. Вілкінса, Р. Франкліна (встановлення закономірностей просторової структури молекули ДНК), Г. Корані (хімічний синтез гена) і т.д. 14

Класифікація органічних сполук за будовою вуглецевого скелета і природою функціональної групи Величезна кількість органічних сполук спонукало хіміків провести їх класифікацію. В основу класифікації органічних сполук покладено дві класифікаційні ознаки: 1. Будова карбонового скелета 2. Природа функціональних груп Класифікація за способом будови карбонового скелета: 1. Ациклічні (алкани, алкени, алкіни, алкадієни); 2. Циклічні 2.1. Карбоциклічні (аліциклічні та ароматичні) 2.2. Гетероциклічні 15 Ациклічні сполуки називають ще аліфатичними. До них належать речовини із незамкненим вуглецевим ланцюгом. Ациклічні сполуки ділять на насичені (або граничні) n H 2n+2 (алкани, парафіни) і ненасичені (ненасичені). До останніх відносять алкени З n H 2n, алкіни З n H 2n -2, алкадієни З n H 2n -2.

16 Циклічні сполуки у складі своїх молекул містять кільця (цикли). Якщо до складу циклів входять лише атоми вуглецю, такі сполуки називають карбоциклическими. У свою чергу карбоциклічні сполуки поділяють на аліциклічні та ароматичні. До аліциклічних вуглеводнів (циклоалкани) відносять циклопропан та його гомологи - циклобутан, циклопентан, циклогексан і так далі. Якщо ж циклічну систему крім вуглеводню входять інші елементи, такі сполуки відносять до гетероциклическим.

Класифікація за природою функціональної групи Функціональна група – це атом чи група певним чином пов'язаних атомів, наявність що у молекулі органічного речовини визначає характерні властивості та її приналежність до того чи іншого класу сполук. За кількістю та однорідністю функціональних груп органічні сполуки ділять на моно-, полі- та гетерофункціональні. Речовини з однією функціональною групою називають монофункціональними, з кількома однаковими функціональними групами поліфункціональними. З'єднання, що містять кілька різних функціональних груп гетерофункціональними. Важливо, що сполуки одного класу об'єднані в гомологічні лави. Гомологічний ряд це ряд органічних сполук з однаковими функціональними групами та однотипною будовою, кожен представник гомологічного ряду відрізняється від попереднього на постійну одиницю (СН 2), яку називають гомологічною різницею. Члени гомологічного ряду називають гомологами. 17

Номенклатурні системи в органічній хімії – тривіальна, раціональна та міжнародна (IUPAC) Хімічна номенклатура сукупність назв індивідуальних хімічних речовин, їх груп та класів, а також правила складання їх назв. Хімічна номенклатура сукупність назв індивідуальних хімічних речовин, їх груп та класів, а також правила складання їх назв. Тривіальна (історична) номенклатура пов'язана з процесом одержання речовин (пірогаллол – продукт піролізу галової кислоти), джерела походження, з якого отримували (мурашина кислота) тощо. Тривіальні назви сполук широко застосовують у хімії природних і гетероциклічних сполук (цитраль, гераніол, тіофен, пірол, хінолін та ін.). Тривіальна (історична) номенклатура пов'язана з процесом отримання речовин (пірогаллол – продукт піролізу галової кислоти) якого отримували (мурашина кислота) і т.д. Тривіальні назви сполук широко застосовують у хімії природних та гетероциклічних сполук (цитраль, гераніол, тіофен, пірол, хінолін та ін.). В основі раціональної номенклатури використовується принцип розподілу органічних сполук на гомологічні лави. Усі речовини у певному гомологічному ряду розглядаються як похідні найпростішого представника цього ряду – першого чи іноді другого. Зокрема, у алканів – метану, у алкенів – етилену тощо. У основі раціональної номенклатури використовується принцип розподілу органічних сполук на гомологічні ряди. Усі речовини у певному гомологічному ряду розглядаються як похідні найпростішого представника цього ряду – першого чи іноді другого. Зокрема, у алканів – метану, у алкенів – етилену тощо. 18

Міжнародна номенклатура (IUPAC) Правила сучасної номенклатури було розроблено у 1957 році на ХІХ конгресі Міжнародного союзу теоретичної та прикладної хімії (International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC). Радикально-функціональна номенклатура. В основі цих назв лежить назва функціонального класу (спирт, ефір, кетон та ін), якому передують назви вуглеводневих радикалів, наприклад: алілхлорид, діетиловий ефір, диметилкетон, пропіловий спирт і т.д. Замінна номенклатура. правила номенклатури. Родоначальна структура - структурний фрагмент молекули (молекулярний кістяк), що лежить в основі назви сполуки, головний вуглецевий ланцюг атомів для аліциклічних сполук, для карбоциклічних - цикл. 19

Хімічний зв'язок в органічних молекулах Хімічний зв'язок – явище взаємодії зовнішніх електронних оболонок (валентних електронів атомів) та ядер атомів, що зумовлює існування молекули чи кристала як цілого. Зазвичай атом, приймаючи, віддаючи електрон чи утворюючи загальну електронну пару, прагне придбати конфігурацію зовнішньої електронної оболонки аналогічну інертним газам. Для органічних сполук характерні такі типи хімічних зв'язків: - іонний зв'язок -ковалентний зв'язок -донорно - акцепторний зв'язок -водневий зв'язок Також існують деякі інші типи хімічного зв'язку (металевий, одноелектронний, двоелектронний трицентровий), проте в органічних сполуках вони практично не зустрічаються. 20

Типи зв'язків в органічних сполуках Найбільш характерним для органічних сполук є ковалентний зв'язок. Ковалентний зв'язок - це взаємодія атомів, що реалізується у вигляді утворення загальної електронної пари. Цей тип зв'язку утворюється між атомами, які мають порівняні значення електронегативності. Електронегативність - властивість атома, що показує здатність відтягувати себе електрони з інших атомів. Ковалентний зв'язок може бути полярним або неполярним. Неполярний ковалентний зв'язок виникає між атомами з однаковим значенням електронегативності

Типи зв'язків у органічних сполуках Ковалентний полярний зв'язок утворюється між атомами, які мають різні значення електронегативності. У цьому випадку зв'язані атоми набувають часткових зарядів δ+δ+ δ-δ- Особливим підтипом ковалентного зв'язку є донорно-акцепторний зв'язок. Як і в попередніх прикладах даний тип взаємодії обумовлений наявністю загальної електронної пари, однак остання надається одним з атомів, що утворюють зв'язок (донором) і приймається іншим атомом (акцептором) 24

Типи зв'язків в органічних сполуках Іонний зв'язок утворюється між атомами, які дуже відрізняються за значеннями електронегативності. У цьому випадку електрон менш електронегативного елемента (часто це метал) повністю переходить до електронегативнішого елемента. Даний перехід електрона обумовлює появу позитивного заряду у менш електронегативного атома і негативного у більш від'ємного. Таким чином, утворюється два іони з протилежним зарядом, між якими існує електровалентна взаємодія. 25

Типи зв'язків в органічних сполуках Водневий зв'язок є електростатичною взаємодією між атомом водню, який пов'язаний сильнополярним зв'язком, та електронними парами кисню, фтору, азоту, сірки та хлору. Цей тип взаємодії є досить слабкою взаємодією. Водневий зв'язок може бути міжмолекулярним та внутрішньомолекулярним. Міжмолекулярний водневий зв'язок (взаємодія між двома молекулами етилового спирту) Внутрішньомолекулярний водневий зв'язок у саліциловому альдегіді

Хімічний зв'язок в органічних молекулах Сучасна теорія хімічного зв'язку ґрунтується на квантово-механічній моделі молекули як системи, що складається з електронів та атомних ядер. Наріжним поняттям квантово-механічної теорії є атомна орбіталь. Атомна орбіталь – частина простору, де ймовірність знаходження електронів є максимальною. Зв'язок, таким чином, може бути розглянутий як взаємодія (перекриття) орбіталей, які несуть по одному електрону з протилежними спинами. 27

Гібридизація атомних орбіталей Згідно з квантово-механічною теорією, кількість утворених атомом ковалентних зв'язків визначається кількістю одноелектронних атомних орбіталей (кількістю неспарених електронів). У атома вуглецю в основному стані всього два неспарені електрони, проте можливий перехід електрона з 2s на 2 рz обумовлює можливість утворення чотирьох ковалентних зв'язків. Стан атома вуглецю, при якому він має чотири неспарені електрони називається «збудженим». Незважаючи на те, що орбіталі вуглецю є нерівноцінними, відомо, що можливе утворення чотирьох еквівалентних зв'язків унаслідок гібридизації атомних орбіталей. Гібридизація – явище, у якому з кількох різних формою і близьких енергією орбіталей утворюється таку ж кількість однакових формою і кількості орбіталей. 28

Атом С знаходиться в стані sp 3 –гібридизації, утворює чотири σ-зв'язки, формує чотири гібридні орбіталі, які розташовуються у формі тетраедра (валентний кут) σ–зв'язок 31

Гібридні стани атома вуглецю в органічних молекулах ДРУГИЙ ГІБРИДНИЙ СТАН Атом С знаходиться у стані sp 2 –гібридизації, утворює три σ- зв'язки, формує три гібридні орбіталі, які розташовуються у формі плоского трикутника (валентний кут 120) σ–зв'язку π

Гібридні стани атома вуглецю в органічних молекулах ТРЕТІЙ ГІБРИДНИЙ СТАН Атом С знаходиться в стані sp-гібридизації, утворює дві σ-зв'язку, формує дві гібридні орбіталі, які розташовуються в лінію (валентний кут 180) σ-зв'язку π-зв'язку 3

Характеристики хімічних зв'язків Шкала ПОЛІНГА: F-4,0; O - 3,5; Cl – 3,0; N - 3,0; Br - 2,8; S – 2,5; C-2,5; H-2,1. різниця 1,7

Характеристики хімічних зв'язків Поляризованість зв'язку - усунення електронної щільності під дією зовнішніх факторів. Поляризованість зв'язку - ступінь рухливості електронів. Зі збільшенням атомного радіусу зростає поляризованість електронів. Тому поляризованість зв'язку Карбон - галоген збільшується наступним чином: C-F

Електронні ефекти. Взаємний вплив атомів у молекулі 39 За сучасними теоретичними уявленнями, реакційна здатність органічних молекул зумовлена ​​зміщенням та рухливістю електронних хмар, що утворюють ковалентний зв'язок. В органічній хімії розрізняють два типи зміщень електронів: а) електронні усунення, що відбуваються в системі -зв'язків, б) електронні усунення, що передаються системою -зв'язків. У першому випадку має місце так званий індуктивний ефект, у другому – мезомерний. Індуктивний ефект - перерозподіл електронної щільності (поляризація), що виникає в результаті різниці електронегативності між атомами молекули в системі зв'язків. Через незначну поляризацію зв'язків індуктивний ефект швидко згасає і через 3-4 зв'язки він майже не проявляється.

Електронні ефекти. Взаємний вплив атомів у молекулі 40 Поняття про індуктивний ефект було введено К. Інгольдом, ним же було введено позначення: –I-ефект у разі зниження заступником електронної густини +I-ефект у разі підвищення заступником електронної густини Позитивний індуктивний ефект виявляють алкільні радили ( 3, 2 Н 5 - і т.д.). Усі інші заступники, пов'язані з атомом вуглецю, виявляють негативний індуктивний ефект.

Електронні ефекти. Взаємний вплив атомів у молекулі 41 Мезомірним ефектом називають перерозподіл електронної густини вздовж сполученої системи. До сполучених систем належать молекули органічних сполук, в яких чергуються подвійні та одинарні зв'язки або коли поруч із подвійним зв'язком розміщений атом, що має на р-орбіталі неподілену пару електронів. У першому випадку має місце, - поєднання, а в другому - р, - сполучення. Сполучені системи бувають з відкритим та замкнутим ланцюгом сполучення. Прикладом таких сполук є 1,3-бутадієн та бензин. У молекулах цих сполук атоми вуглецю знаходяться в стані sp 2 -гібридизації і за рахунок негібридних p-орбіталей утворюють зв'язки, які взаємно перекриваються між собою і формують єдину електронну хмару, тобто має місце сполучення.

Електронні ефекти. Взаємний вплив атомів у молекулі 42 Існує два види мезомерного ефекту – позитивний мезомерний ефект (+М) та негативний мезомерний ефект (-М). Позитивний мезомерний ефект виявляють заступники, що надають p-електрони у сполучену систему. До таких відносять: -O, -S -NН 2, -ВІН, -OR, Hal (галогени) та інші заступники, які мають негативний заряд або неподілену пару електронів. Негативний мезомерний ефект характерний для заступників відтягують на себе електронну щільність із сполученої системи. До таких відносять заступники, що мають кратні зв'язки між атомами з різною електронегативністю: - N0 2; -SO 3 Н; >С=О; -СООН та інші. Мезомерний ефект графічно відображається зігнутою стрілкою, яка показує напрямок зміщення електронів На відміну від індукційного ефекту, мезомерний ефект не згасає. Він передається повністю за системою, незалежно від довжини ланцюга сполучення. С=О; -СООН та інші. Мезомерний ефект графічно відображається зігнутою стрілкою, яка показує напрямок зміщення електронів На відміну від індукційного ефекту, мезомерний ефект не згасає. Він передається повністю за системою, незалежно від довжини ланцюга сполучення.">

Типи хімічних реакцій 43 Хімічну реакцію можна розглядати як взаємодію реагенту та субстрату. Залежно від способу розриву та утворення хімічного зв'язку в молекулах, органічні реакції поділяють на: а) гомолітичні; б) гетеролітичні; в) молекулярні. . Гомолітичний розрив відбувається за високих температур, дії кванта світла або каталізу.

Гетеролітичні або іонні реакції протікають таким чином, що пара сполучних електронів залишається біля одного з атомів і утворюються іони. Частка з електронною парою називається нуклеофільною і має негативний заряд (-). Частка без електронної пари називається електрофільною і має позитивний заряд (+). 44 Типи хімічних реакцій

Механізм хімічної реакції 45 Механізм реакції називають сукупність елементарних (простих) стадій, з яких складається дана реакція. Механізм реакції найчастіше включає такі стадії: активація реагенту з утворенням електрофіла, нуклеофілу або вільного радикала. Для активації реагенту потрібний, як правило, каталізатор. У другій стадії відбувається взаємодія активованого реагенту із субстратом. При цьому утворюються проміжні частки (інтермедіати). До останніх належать -комплекси, -комплекси (карбокатіони), карбаніони, нові вільні радикали. На кінцевій стадії проходить приєднання або відщеплення до (від) утвореного на другій стадії інтермедіату якоїсь частинки з формуванням кінцевого продукту реакції. Якщо реагент при активації генерує нуклеофіл, це - нуклеофільні реакції. Їх позначають буквою N-(в індексі). У разі коли реагент генерує електрофіл, реакції належать до електрофільних (Е). Аналогічно можна сказати і про вільнорадикальні реакції (R).

Нуклеофіли – реагенти, що мають негативний заряд або збагачений електронною щільністю атом: 1) аніони: OH-, CN-, RO-, RS-, Hal- та інші аніони; 2) нейтральні молекули з неподіленими парами електронів: NH 3, NH 2 R, H 2 O, ROH та інші; 3) молекули з надлишковою електронною щільністю (що мають – зв'язки). Електрофіли - реагенти, що мають позитивний заряд або збіднений електронною щільністю атом: 1) катіони: Н + (протон), НSO 3 + (іон гідрогенсульфонію), NO 2 + (іон нітронію), NO (іон нітрозонію) та інші катіони; 2) нейтральні молекули, що мають вакантну орбіталь: AlCl 3, FeBr 3, SnCl 4, BF 4 (кислоти Льюїса), SO 3 ; 3) молекули з збідненою електронною густиною на атомі. 46

49

50

51

52

, антибіотики, феромони, сигнальні речовини, біологічно активні речовини рослинного походження, а також синтетичні регулятори біологічних процесів (лікарські препарати, пестициди та ін.). Як самостійна наука сформувалася у другій половині XX століття на стику біохімії та органічної хімії та пов'язана з практичними завданнями медицини, сільського господарства, хімічної, харчової та мікробіологічної промисловості.

Методи

Основний арсенал складають методи органічної хімії, для вирішення структурно-функціональних завдань залучаються різноманітні фізичні, фізико-хімічні, математичні та біологічні методи.

Об'єкти вивчення

• Біополімери змішаного типу
• Природні сигнальні речовини
• Біологічно активні речовини рослинного походження
• Синтетичні регулятори (лікарські препарати, пестициди тощо).

Джерела

• Овчинніков Ю. А.. – М.: Просвітництво, 1987. – 815 с.
• Бендер М., Бергерон Р., Коміяма М.
• Дюга Р., Пенні До.Біоорганічна хімія. - М: Мир, 1983.
• Тюкавкіна Н. А., Бауков Ю. І.

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Біоорганічна хімія"

Уривок, що характеризує біоорганічна хімія

- Ma chere, il y a un temps pour tout, - сказала графиня, прикидаючись строгою. - Ти її все балуєш, Elie, - додала вона чоловікові.
– Bonjour, ma chere, je vous felicite, [Здрастуйте, моя люба, вітаю вас,] – сказала гостя. - Quelle delicuse enfant! [Яке чарівне дитя!] – додала вона, звертаючись до матері.
Чорноока, з великим ротом, некрасива, але жива дівчинка, зі своїми дитячими відкритими плічками, які, стискаючись, рухалися у своєму корсажі від швидкого бігу, зі своїми чорними кучерями, що збилися назад, тоненькими оголеними руками і маленькими ніжками в мереживних баштанках і була у тому милому віці, коли дівчинка вже не дитина, а дитина ще не дівчина. Вивернувшись від батька, вона підбігла до матері і, не звертаючи жодної уваги на її суворе зауваження, сховала своє розчервонене обличчя в мереживах материнської мантильї і засміялася. Вона сміялася чомусь, говорячи уривчасто про ляльку, яку вийняла з-під спіднички.
– Бачите?… Лялька… Мімі… Бачите.
І Наталя не могла більше говорити (їй все смішно здавалося). Вона впала на матір і розреготалася так голосно і дзвінко, що всі, навіть манірна гостя, насильно засміялися.
- Ну, іди, іди зі своїм виродком! - сказала мати, вдавано сердито відштовхуючи дочку. - Це моя менша, - звернулася вона до гості.
Наташа, відірвавши на хвилину обличчя від мереживної косинки матері, глянула на неї знизу крізь сльози сміху і знову сховала обличчя.
Гостя, змушена милуватися сімейною сценою, вважала за потрібне взяти в ній якусь участь.
- Скажіть, моя люба, - сказала вона, звертаючись до Наталки, - як же вам доводиться ця Мімі? Дочка, правда?
Наталці не сподобався тон поблажливості до дитячої розмови, з якою гостя звернулася до неї. Вона нічого не відповіла і серйозно подивилася на гостю.
Тим часом все це молоде покоління: Борис – офіцер, син княгині Ганни Михайлівни, Микола – студент, старший син графа, Соня – п'ятнадцятирічна племінниця графа, і маленький Петруша – менший син, всі розмістилися у вітальні і, мабуть, намагалися утримати у межах пристойності пожвавлення та веселість, якими ще дихала кожна їхня риса. Видно було, що там, у задніх кімнатах, звідки вони всі так стрімко прибігли, у них були веселіші розмови, ніж тут про міські плітки, погоду і comtesse Apraksine. [про графину Апраксину.] Зрідка вони поглядали один на одного і ледве утримувалися від сміху.

Гродненський державний медичний університет», кандидат хімічних наук, доцент;

Доцент кафедри загальної та біоорганічної хімії Установи освіти «Гродненський державний медичний університет», кандидат біологічних наук, доцент

Рецензенти:

Кафедра загальної та біоорганічної хімії Установи освіти «Гомельський державний медичний університет»;

– зав. кафедрою біоорганічної хімії Установа освіти "Білоруський державний медичний університет", кандидат медичних наук, доцент.

Кафедрою загальної та біоорганічної хімії Установи освіти «Гродненський державний медичний університет»

(протокол від 01.01.01 р.)

Центральною науково-методичною радою Установи освіти «Гродненський державний медичний університет»

(протокол від 01.01.01 р.)

Секцією за спеціальністю 1Медико-психологічна справа навчально-методичного об'єднання ВНЗ Республіки Білорусь з медичної освіти

(протокол від 01.01.01 р.)

Відповідальний за випуск:

Перший проректор Установи освіти «Гродненський державний медичний університет», професор, доктор медичних наук

Пояснювальна записка

Актуальність вивчення навчальної дисципліни

«Біоорганічна хімія»

Біоорганічна хімія - це фундаментальна природничо дисципліна. Біоорганічна хімія сформувалася як самостійна наука у 2-й половині XX століття на стику органічної хімії та біохімії. Актуальність вивчення біоорганічної хімії обумовлена ​​практичними завданнями, що стоять перед медициною та сільським господарством (отримання, вітамінів, гормонів, антибіотиків, стимуляторів росту рослин, регуляторів поведінки тварин і комах, інших лікарських засобів), вирішення яких без використання теоретичного та практичного потенціалу біоорганічної хімії неможливе.

Біоорганічна хімія постійно збагачується новими методами виділення та очищення природних сполук, способами синтезу природних сполук та їх аналогів, знаннями про взаємозв'язок структури та біологічну активність сполук тощо.

Нові підходи до медичної освіти, пов'язані з подоланням репродуктивного стилю в навчанні, забезпеченням пізнавальної та дослідницької активності студентів, відкривають і нові перспективи для реалізації потенціалу як особистості, так і колективу.

Мета та завдання навчальної дисципліни

Ціль:формування рівня хімічної компетентності у системі медичної освіти, що забезпечує подальше вивчення медико-біологічних та клінічних дисциплін.

Завдання:

Освоєння студентами теоретичних основ хімічних перетворень органічних молекул у взаємозв'язку з їх будовою та біологічною активністю;

Формування знань молекулярних основ процесів життєдіяльності;

Розвитку умінь орієнтуватися у класифікації, будову та властивості органічних сполук, що у ролі лікарських засобів;

формування логіки хімічного мислення;

Розвиток умінь використовувати методи якісного аналізу
органічних сполук;

Хімічні знання та навички, що становлять основу хімічної компетентності, сприятимуть формуванню професійної компетенції випускника.

Вимоги до освоєння навчальної дисципліни

Вимоги до рівня освоєння змісту дисципліни «Біоорганічна хімія» визначено освітнім стандартом вищої освіти першого ступеня за циклом загальних професійних та спеціальних дисциплін, який розроблений з урахуванням вимог компетентнісного підходу, де вказано мінімум змісту з дисципліни у вигляді узагальнених хімічних компетентностей. випускника вишу:

а) узагальнені знання:

- розуміти сутність предмета як науки та його зв'язку з іншими дисциплінами;

Значимість у розумінні процесів метаболізму;

Концепцію єдності структури та реакційної здатності органічних молекул;

Фундаментальні закони хімії, необхідні пояснення процесів, які у живих організмах;

Хімічні властивості та біологічну значимість основних класів органічних сполук.

б) узагальнені вміння:

Прогнозувати механізм реакції на основі знань про будову органічних молекул та способів розриву хімічних зв'язків;

Пояснювати значення реакцій функціонування живих систем;

Використовувати отримані знання щодо біохімії, фармакології та інших дисциплін.

Структура та зміст навчальної дисципліни

У цій програмі структура змісту дисципліни «біоорганічна хімія» складається з вступу до дисципліни і двох розділів, які охоплюють загальні питання реакційної здатності органічних молекул, а також властивості гетеро- та поліфункціональних сполук, що беруть участь у процесах життєдіяльності. Кожен розділ ділиться на теми, які у послідовності, що забезпечує оптимальне вивчення та засвоєння програмного матеріалу. Для кожної теми представлені узагальнені знання та вміння, що становлять суть біоорганічної компетентності студентів. Відповідно до змісту кожної теми визначено вимоги до компетенцій (у вигляді системи узагальнених знань та умінь), для формування та діагностики яких можуть бути розроблені тести.

Методи навчання

Основними методами навчання, що адекватно відповідають цілям вивчення даної дисципліни, є:

Пояснення та консультація;

лабораторне заняття;

Елементи проблемного навчання (навчально-дослідницька робота студентів);

Введення у біоорганічну хімію

Біоорганічна хімія як наука, що вивчає будову органічних речовин та їх перетворення у взаємозв'язку з біологічними функціями. Об'єкти вивчення біоорганічної хімії. Роль біоорганічної хімії у формуванні наукової основи для сприйняття біологічних та медичних знань на сучасному молекулярному рівні.

Теорія будови органічних сполук та її розвиток на етапі. Ізомерія органічних сполук як основа різноманіття органічних сполук. Типи ізомерії органічних сполук.

Фізико-хімічні методи виділення та дослідження органічних сполук, що мають значення для біомедичного аналізу.

Основні правила систематичної номенклатури IUPAC для органічних сполук: замісна та радикально-функціональна номенклатура.

Просторова будова органічних молекул, його зв'язок з типом гібридизації атома вуглецю (sp3-, sp2-і sp-гібридизація). Стереохімічні формули. Конфігурація та конформація. Конформації відкритих ланцюгів (затулена, загальмована, скошена). Енергетична характеристика конформацій. Проекційні формули Ньюмена. Просторове зближення певних ділянок ланцюга як наслідок конформаційної рівноваги та як одна з причин переважної освіти п'яти- та шестичленних циклів. Конформації циклічних сполук (циклогексан, тетрагідропіран). Енергетична характеристика конформацій крісла та ванни. Аксіальні та екваторіальні зв'язки. Зв'язок просторової будови з біологічною активністю.

Вимоги до компетентності:

· Знати об'єкти вивчення та основні завдання біоорганічної хімії,

· Вміти класифікувати органічні сполуки щодо будови вуглецевого скелета та за природою функціональних груп, користуватися правилами систематичної хімічної номенклатури.

· Знати основні типи ізомерії органічних сполук, вміти за структурною формулою сполуки визначати можливі типи ізомерів.

· Знати різні типи гібридизації атомних орбіталей вуглецю, просторову спрямованість зв'язків атома, їх тип та число залежно від типу гібридизації.

· Знати енергетичні характеристики конформацій циклічних (конформації крісла, ванни) та ациклічних (загальмована, скошена, заслонена конформації) молекул, вміти їх зображати проекційними формулами Ньюмена.

· Знати види напруг (торсіонні, кутові, ван-дер-ваальсові), що виникають у різних молекулах, їх вплив на стійкість конформації та молекули загалом.

Розділ 1. Реакційна здатність органічних молекул як результат взаємного впливу атомів, механізми перебігу органічних реакцій

Тема 1. Сполучені системи, ароматичність, електронні ефекти заступників

Сполучені системи та ароматичність. Поєднання (p, p - і р, p-спряження). Сполучені системи з відкритим ланцюгом: 1,3-дієни (бутадієн, ізопрен), полієни (каротиноїди, вітамін А). Сполучені системи із замкнутим ланцюгом. Ароматичність: критерії ароматичності, правило ароматичності Хюккеля. Ароматичність бензоїдних (бензол, нафталін, фенантрен) сполук. Енергія сполучення. Будова та причини термодинамічної стійкості карбо- та гетероциклічних ароматичних сполук. Ароматичність гетероциклічних (піррол, імідазол, піридин, піримідин, пурин) сполук. Пірольний і піридиновий атоми азоту, p-надлишкові та p-недостатні ароматичні системи.

Взаємний вплив атомів та способи його передачі в органічних молекулах. Делокалізація електронів як із чинників підвищення стійкості молекул та іонів, її широка поширеність у біологічно важливих молекулах (порфін, гем, гемоглобін та інших.). Поляризація зв'язків. Електронні ефекти заступників (індуктивний та мезомерний) як причина нерівномірного розподілу електронної щільності та виникнення реакційних центрів у молекулі. Індуктивний та мезомерний ефекти (позитивний та негативний), їх графічне позначення у структурних формулах органічних сполук. Електронодонорні та електроноакцепторні заступники.

Вимоги до компетентності:

· Знати види сполучення та вміти визначати вид поєднання за структурною формулою сполуки.

· Знати критерії ароматичності, вміти за структурною формулою визначати належність до ароматичних сполук карбо- та гетероциклічних молекул.

· Вміти оцінювати електронний внесок атомів у створення єдиної пари, знати електронну будову піридинового і пірольного атомів азоту.

· Знати електронні ефекти заступників, причини їх виникнення та вміти графічно зображувати їхню дію.

· Вміти відносити заступники до електронодонорних або електроноакцепторних на підставі індуктивного і мезомерного ефектів, що виявляються ними.

· Вміти прогнозувати вплив заступників на реакційну здатність молекул.

Тема 2. Реакційна здатність вуглеводнів. Реакції радикального заміщення, електрофільного приєднання та заміщення

Загальні закономірності реакційної спроможності органічних сполук як хімічна основа їхнього біологічного функціонування. Хімічна реакція як процес. Поняття: субстрат, реагент, реакційний центр, перехідний стан, продукт реакції, енергія активації, швидкість реакції, механізм.

Класифікація органічних реакцій за результатом (приєднання, заміщення, елімінування, окислювально-відновлювальні) та за механізмом – радикальні, іонні (електрофільні, нуклеофільні), узгоджені. Типи реагентів: радикальні, кислотні, основні, електрофільні, нуклеофільні. Гомолітичний і гетеролітичний розрив ковалентного зв'язку в органічних сполуках і частинки, що при цьому утворюються: вільні радикали, карбкатіони і карбаніони. Електронна та просторова будова цих частинок та фактори, що зумовлюють їхню відносну стійкість.

Реакційна здатність вуглеводнів. Реакції радикального заміщення: гомолітичні реакції за участю СН-зв'язків sp3-гібридизованого атома вуглецю. Механізм радикального заміщення на прикладі реакції галогенування алканів та циклоалканів. Поняття про ланцюгові процеси. Поняття про регіоселективність.

Шляхи утворення вільних радикалів: фотоліз, термоліз, окисно-відновлювальні реакції.

Реакції електрофільного приєднання ( AE) у ряді ненасичених вуглеводнів: гетеролітичні реакції за участю p-зв'язку між sp2-гібридизованими атомами вуглецю. Механізм реакцій гідратації та гідрогалогенування. Кислотний каталіз. Правило Марковнікова. Вплив статичних та динамічних факторів на регіоселективність реакцій електрофільного приєднання. Особливості реакцій електрофільного приєднання до дієнових вуглеводнів та малих циклів (циклопропан, циклобутан).

Реакції електрофільного заміщення ( SE): гетеролітичні реакції за участю p-електронної хмари ароматичної системи. Механізм реакцій галогенування, нітрування, алкілування ароматичних сполук: p - та s- Комплекси. Роль каталізатора (кислоти Льюїса) у освіті електрофільної частки.

Вплив замісників в ароматичному ядрі на реакційну здатність сполук у реакціях електрофільного заміщення. Орієнтуючий вплив заступників (орієнтанти І та ІІ роду).

Вимоги до компетентності:

· Знати поняття субстрат, реагент, реакційний центр, продукт реакції, енергія активації, швидкість реакції, механізм реакції.

· Знати класифікацію реакцій за різними ознаками (за кінцевим результатом, за способом розриву зв'язків, за механізмом) та типи реагентів (радикальні, електрофільні, нуклеофільні).

· Знати електронну та просторову будову реагентів та фактори, що зумовлюють їхню відносну стійкість, вміти порівнювати відносну стійкість однотипних реагентів.

· Знати способи утворення вільних радикалів та механізм реакцій радикального заміщення (SR) на прикладах реакцій галогенування алканів та циклоалаканів.

· Вміти визначати статистичну ймовірність утворення можливих продуктів у реакціях радикального заміщення та можливість регіоселективного перебігу процесу.

· Знати механізм реакцій електрофільного приєднання (АЕ) у реакціях галогенування, гідрогалогенування та гідратації алкенів, вміти якісно оцінювати реакційну здатність субстратів, виходячи з електронних ефектів замісників.

· Знати правило Марковникова та вміти визначати регіоселективність перебігу реакцій гідратації та гідрогалогенування виходячи з впливу статичного та динамічного факторів.

· Знати особливості реакцій електрофільного приєднання до сполучених дієнових вуглеводнів та малих циклів (циклопропан, циклобутан).

· Знати механізм реакцій електрофільного заміщення (SЕ) у реакціях галогенування, нітрування, алкілування, ацилювання ароматичних сполук.

· Вміти виходячи з електронних ефектів заступників, визначати їх вплив на реакційну здатність ароматичного ядра та їхню орієнтуючу дію.

Тема 3. Кислотно-основні властивості органічних сполук

Кислотність та основність органічних сполук: теорії Бренстеда та Льюїса. Стабільність аніону кислоти – якісний показник кислотних властивостей. Загальні закономірності у зміні кислотних чи основних властивостей у взаємозв'язку з природою атомів у кислотному чи основному центрі, електронними ефектами замісників при цих центрах. Кислотні властивості органічних сполук з водневмісними функціональними групами (спирти, феноли, тіоли, карбонові кислоти, аміни, СН-кислотність молекул і кабркатіонів). p-основи та n-основи. Основні властивості нейтральних молекул, що містять гетероатоми з неподіленими парами електронів (спирти, тіоли, сульфіди, аміни) та аніонів (гідроксид-, алкоксид-іони, аніони органічних кислот). Кислотно-основні властивості азотовмісних гетероциклів (піррол, імідазол, піридин). Водневий зв'язок як специфічний прояв кислотно-основних властивостей.

Порівняльна характеристика кислотних властивостей сполук, що містять гідроксильну групу (одноатомні та багатоатомні спирти, феноли, карбонові кислоти). Порівняльна характеристика основних властивостей аліфатичних та ароматичних амінів. Вплив електронної природи замісника на кислотно-основні властивості органічних молекул.

Вимоги до компетентності:

· Знати визначення кислот та основ відповідно до протолітичної теорії Бренстеда та електронної теорії Льюїса.

· Знати класифікацію кислот та основ Бренстеда залежно від природи атомів кислотного чи основного центрів.

· Знати фактори, що впливають на силу кислот і стабільність пов'язаних ним підстав, вміти проводити порівняльну оцінку сили кислот виходячи зі стабільності аніонів, що їм відповідають.

· Знати чинники, які впливають силу підстав Бренстеда, вміти проводити порівняльну оцінку сили підстав з урахуванням цих чинників.

· Знати причини виникнення водневого зв'язку, вміти трактувати утворення водневого зв'язку як специфічний прояв кислотно-основних властивостей речовини.

· Знати причини виникнення кето-енольної таутомерії в органічних молекулах, вміти пояснювати їх з позиції кислотно-основних властивостей сполук у взаємозв'язку з їх біологічною активністю.

· Знати та вміти проводити якісні реакції, що дозволяють відрізняти багатоатомні спирти, феноли, тіоли.

Тема 4. Реакції нуклеофільного заміщення у тетрагонального атома вуглецю та конкурентні їм реакції елімінування

Реакції нуклеофільного заміщення у sp3-гібридизованого атома вуглецю: гетеролітичні реакції, зумовлені поляризацією зв'язку вуглець-гетероатом (галогенопохідні, спирти). Легко і складні групи: зв'язок легкості догляду групи з її будовою. Вплив розчинника, електронних та просторових факторів на реакційну здатність сполук у реакціях моно- та бимолекулярного нуклеофільного заміщення (SN1 та SN2). Стереохімія реакцій нуклеофільного заміщення.

Реакції гідролізу галогенопохідних. Реакції алкілування спиртів, фенолів, тіолів, сульфідів, аміаку, амінів. Роль кислотного каталізу у нуклеофільному заміщенні гідроксильної групи. Галогенопохідні, спирти, ефіри сірчаної та фосфорної кислот як алкілуючі реагенти. Біологічна роль реакцій алкілування.

Реакції моно- та бимолекулярного елімінування (Е1 та Е2): (дегідратація, дегідрогалогенування). Підвищена СН-кислотність як причина реакцій елімінування, що супроводжують нуклеофільне заміщення sp3- гібридизованого атома вуглецю.

Вимоги до компетентності:

· Знати фактори, що визначають нуклеофільність реагентів, будову найважливіших нуклеофільних частинок.

· Знати загальні закономірності реакцій нуклеофільного заміщення у насиченого атома вуглецю, вплив статичного та динамічного факторів на реакційну здатність речовини у реакції нуклеофільного заміщення.

· Знати механізми моно- та бимолекулярного нуклеофільного заміщення, вміти оцінювати вплив стеричних факторів, вплив розчинників, вплив статичного та динамічного факторів на перебіг реакції по одному з механізмів.

· Знати механізми моно- та бимолекулярного елімінування, причини конкуренції між реакціями нуклеофільного заміщення та елімінування.

· Знати правило Зайцева та вміти визначати головний продукт у реакціях дигідратації та дегідрогалогенування несиметричних спиртів та галогеналканів.

Тема 5. Реакції нуклеофільного приєднання та заміщення у тригонального атома вуглецю

Реакції нуклеофільного приєднання: гетеролітичні реакції за участю p-зв'язку вуглець-кисень (альдегіди, кетони). Механізм реакцій взаємодії карбонільних сполук з нуклеофільними реагентами (водою, спиртами, тіолами, амінами). Вплив електронних та просторових факторів, роль кислотного каталізу, оборотність реакцій нуклеофільного приєднання. Напівацеталі та ацеталі, їх отримання та гідроліз. Біологічна роль реакцій ацеталізації. Реакції альдольного приєднання. Основний каталіз. Будова енолят – іона.

Реакції нуклеофільного заміщення у ряді карбонових кислот. Електронна та просторова будова карбоксильної групи. Реакції нуклеофільного заміщення у sp2-гібридизованого атома вуглецю (карбонові кислоти та їх функціональні похідні). Ацилюючі агенти (галогенангідриди, ангідриди, карбонові кислоти, складні ефіри, аміди), порівняльна характеристика їхньої реакційної здатності. Реакції ацилювання - утворення ангідридів, складних ефірів, тіоефірів, амідів - і зворотні реакції гідролізу. Ацетилкофермент А – природний макроергічний ацилюючий агент. Біологічна роль реакцій ацилування. Поняття про нуклеофільне заміщення у атомів фосфору, реакцію фосфорилювання.

Реакції окислення та відновлення органічних сполук. Специфіка окислювально-відновних реакцій органічних сполук. Поняття про одноелектронне перенесення, перенесення гідрид-іону та дію системи НАД+ ↔ НАДН. Реакції окиснення спиртів, фенолів, сульфідів, карбонільних сполук, амінів, тіолів. Реакції відновлення карбонільних сполук, дисульфідів. Роль окислювально-відновних реакцій у процесах життєдіяльності.

Вимоги до компетентності:

· Знати електронну та просторову будову карбонільної групи, вплив електронних та стеричних факторів на реакційну здатність оксо-групи в альдегідах та кетонах.

· Знати механізм реакцій нуклеофільного приєднання води, спиртів, амінів, тіолів до альдегідів та кетонів, роль каталізатора.

· Знати механізм реакцій альдольної конденсації, фактори, що визначають участь поєднання в цій реакції.

· Знати механізм реакцій відновлення оксосоединений гідридами металів.

· Знати реакційні центри, що є в молекулах карбонових кислот. Вміти проводити порівняльну оцінку сили карбонових кислот залежно від будови радикалу.

· Знати електронну та просторову будову карбоксильної групи, вміти проводити порівняльну оцінку здатності атома вуглецю оксо-групи в карбонових кислотах та їх функціональних похідних (галогенангідриди, ангідриди, складні ефіри, аміди, солі) піддаватися нуклеофільній атакі.

· Знати механізм реакцій нуклефільного заміщення на прикладах реакцій ацилювання, етерифікації, гідролізу складних ефірів, ангідридів, галогенангідридів, амідів.

Тема 6. Ліпіди, класифікація, будова, властивості

Ліпіди омилювані та неомилювані. Нейтральні ліпіди. Природні жири як суміш триацилгліцеринів. Основні природні вищі жирні кислоти, що входять до складу ліпідів: пальмітинова, стеаринова, олеїнова, лінолева, ліноленова. Арахідонова кислота. Особливості ненасичених жирних кислот, w-номенклатура.

Пероксидне окиснення фрагментів ненасичених жирних кислот у клітинних мембранах. Роль пероксидного окиснення ліпідів мембран у дії малих доз радіації на організм. Системи антиоксидантного захисту.

Фосфоліпіди. Фосфатидні кислоти. Фосфатидилколаміни та фосфатидилсерини (кефаліни), фосфатидилхоліни (лецитини) – структурні компоненти клітинних мембран. Ліпідний бішар. Сфінголіпіди, цераміди, сфінгомієліни. Гліколіпіди мозку (цереброзиди, гангліозиди).

Вимоги до компетентності:

· Знати класифікацію ліпідів, їхню будову.

· Знати будову структурних компонентів омилюваних ліпідів – спиртів та вищих жирних кислот.

· Знати механізм реакцій освіти та гідролізу простих та складних ліпідів.

· Знати та вміти проводити якісні реакції на ненасичені жирні кислоти та олії.

· Знати класифікацію неомилюваних ліпідів, мати уявлення про принципи класифікації терпенів та стероїдів, їх біологічну роль.

· Знати біологічну роль ліпідів, їх основні функції, мати уявлення про основні етапи перекисного окислення ліпідів та наслідки цього процесу для клітини.

Розділ 2. Стереоізомерія органічних молекул. Полі- та гетерофункціональні сполуки, що беруть участь у процесах життєдіяльності

Тема 7. Стереоізомерія органічних молекул

Стереоізомерія у ряді сполук з подвійним зв'язком (p-діастереомерія). Цис - і трансізомерія ненасичених сполук. Е, Z – система позначень p-діастереомерів. Порівняльна стійкість p-діастереомерів.

Хіральні молекули. Ассиметричний атом вуглецю як центр хіральності. Стереоізомерія молекул з одним центром хіральності (енантіомерія). Оптична активність. Проекційні формули Фішера. Гліцериновий альдегід як конфігураційний стандарт, абсолютна та відносна конфігурація. D, L-система стереохімічної номенклатури. R, S-система стереохімії номенклатури. Рацемічні суміші та способи їх поділу.

Стереоізомерія молекул з двома та більше центрами хіральності. Енантіомери, діастереоміри, мезоформи.

Вимоги до компетентності:

· Знати причини виникнення стереоізомерії у ряді алкенів та дієнових вуглеводнів.

· Вміти за скороченою структурною формулою ненасиченої сполуки визначати можливість існування p-діастереомерів, розрізняти цис-транс-ізомери, оцінювати їх порівняльну стійкість.

· Знати елементи симетрії молекул, необхідні умови виникнення хіральності в органічної молекули.

· Знати та вміти зображати енантіомери за допомогою проекційних формул Фішера, вираховувати кількість очікуваних стереоізомерів виходячи з числа хіральних центрів у молекулі, принципи визначення абсолютної та відносної конфігурації, D-, L-систему стереохімічної номенклатури.

· Знати способи поділу рацематів, основні засади R, S-системи стереохімічної номенклатури.

Тема 8. Фізіологічно активні полі- та гетерофункціональні сполуки аліфатичного, ароматичного та гетероциклічного рядів

Полі - і гетерофункціональність як із характерних ознак органічних сполук, що у процесах життєдіяльності і є родоначальниками найважливіших груп лікарських засобів. Особливості у взаємному впливі функціональних груп залежно від їхнього відносного розташування.

Багатоатомні спирти: етиленгліколь, гліцерин. Складні ефіри багатоатомних спиртів із неорганічними кислотами (нітрогліцерин, фосфати гліцерину). Двохатомні феноли: гідрохінон. Окислення двоатомних фенолів. Система гідрохінон-хінон. Феноли як антиоксиданти (пастки вільних радикалів). Токофероли.

Двоосновні карбонові кислоти: щавлева, малонова, янтарна, глутарова, фумарова. Перетворення бурштинової кислоти на фумарову як приклад біологічно важливої ​​реакції дегідрування. Реакції декарбоксилювання, їхня біологічна роль.

Аміноспирти: аміноетанол (коламін), холін, ацетилхолін. Роль ацетилхоліну у хімічній передачі нервового імпульсу в синапсах. Амінофеноли: дофамін, норадреналін, адреналін. Поняття про біологічну роль цих сполук та їх похідних. Нейротоксична дія 6-гідроксідофаміну та амфетамінів.

Гідрокси- та амінокислоти. Реакції циклізації: вплив різних факторів на процес утворення циклів (реалізація відповідних конформацій, розмір циклу, що утворюється, ентропійний фактор). Лактони. Лактами. Гідроліз лактонів та лактамів. Реакція елімінування b-гідрокси та амінокислот.

Альдегідо - і кетокислоти: піровиноградна, ацетооцтова, щавлевооцтова, a-кетоглутарова. Кислотні властивості та реакційна здатність. Реакції декарбоксилювання b-кетокислот та окисного декарбоксилювання a-кетокислот. Ацетооцтовий ефір, кето-інольна таутомерія. Представники «кетонових тіл» - b-гідроксимасляна, b-кетомасляна кислоти, ацетон, їх біологічне та діагностичне значення.

Гетерофункціональні похідні бензольного ряду як лікарські засоби. Саліцилова кислота та її похідні (ацетилсаліцилова кислота).

Пара-амінобензойна кислота та її похідні (анестезин, новокаїн). Біологічна роль п-амінобензойної кислоти. Сульфанілова кислота та її амід (стрептоцид).

Гетероцикли з кількома гетероатомами. Піразол, імідазол, піримідин, пурин. Піразолон-5 – основа ненаркотичних аналгетиків. Барбітурова кислота та її похідні. Гідроксипурини (гіпоксантин, ксантин, сечова кислота), їхня біологічна роль. Гетероцикли з одним гетероатомом. Піррол, індол, піридин. Біологічно важливі похідні піридину – нікотинамід, піридоксаль, похідні ізонікотинової кислоти. Нікотинамід – структурний компонент коферменту НАД+, що зумовлює його участь у ОВР.

Вимоги до компетентності:

· Вміти класифікувати гетерофункціональні сполуки за складом та за їх взаємним розташуванням.

· Знати специфічні реакції аміно- та гідроксикислот з a, b, g – розташуванням функціональних груп.

· Знати реакції, що ведуть до утворення біологічно активних сполук: холіну, ацетилхоліну, адреналіну.

· Знати роль кето-енольної таутомерії у прояві біологічної активності кетокислот (піровиноградної, щавлевооцтової, ацетооцтової) та гетероциклічних сполук (піразолу, барбітурової кислоти, пурину).

· Знати способи окиснювально-відновних перетворень органічних сполук, біологічну роль окиснювально-відновних реакцій у прояві біологічної активності двоатомних фенолів, нікотинаміду, утворенні кетонових тіл.

Тема9 . Вуглеводи, класифікація, будова, властивості, біологічна роль

Вуглеводи, їх класифікація стосовно гідролізу. Класифікація моносахаридів. Альдози, кетози: тріози, тетрози, пентози, гексоз. Стереоізомерія моносахаридів. D- та L-ряди стереохімічної номенклатури. Відкриті та циклічні форми. Формули Фішера та формули Хеуорса. Фуранози та піранози, a - та b-аноміри. Цикло-оксо-таутомерія. Конформація піранозних форм моносахаридів. Будова найважливіших представників пентоз (рибоза, ксилоза); гексоз (глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза); дезоксицукорів (2-дезоксирибозу); аміносахарів (глюкозамін, манозамін, галактозамін).

Хімічні властивості моносахаридів. Реакція нуклеофільного заміщення за участю аномерного центру. Про - та N-глікозиди. Гідроліз глікозидів. Фосфати моносахаридів. Окислення та відновлення моносахаридів. Відновлювальні властивості альдоз. Гліконові, глікарові, глікуронові кислоти.

Олігосахариди. Дисахариди: мальтоза, целобіоз, лактоза, сахароза. Будова, цикло-оксо-таутомерія. Гідроліз.

Полісахариди. Загальна характеристика та класифікація полісахаридів. Гомо - і гетерополісахариди. Гомополісахариди: крохмаль, глікоген, декстрани, целюлоза. Первинна структура, гідроліз. Поняття про вторинну структуру (крохмаль, целюлоза).

Вимоги до компетентності:

· Знати класифікацію моносахаридів (за кількістю атомом вуглецю, за складом функціональних груп), будову відкритих і циклічних форм (фуранози, піранози) найважливіших моносахаридів, їх відношення D - і L - рядів стереохімічної номенклатури, вміти визначати число можливих діастереом. , епімерів, аномерів.

· Знати механізм реакцій циклізації моносахаридів, причини мутаротації розчинів моносахаридів.

· Знати хімічні властивості моносахаридів: окисно-відновні реакції, реакції утворення та гідролізу О- та N-глікозидів, реакції етерифікації, фосфорилювання.

· Вміти проводити якісні реакції на діольний фрагмент та наявність відновлювальних властивостей моносахаридів.

· Знати класифікацію дисахаридів та його будову, конфігурацію аномерного атома вуглецю, що утворює глікозидний зв'язок, таутомерні перетворення дисахаридів, їх хімічні властивості, біологічну роль.

· Знати класифікацію полісахаридів (стосовно гідролізу, по моносахаридному складу), будова найважливіших представників гомополісахаридів, конфігурацію аномерного атома вуглецю, що утворює глікозидний зв'язок, їх фізичні та хімічні властивості, біологічну роль. Мати уявлення про біологічну роль гетерополісахаридів.

Тема 10a-Амінокислоти, пептиди, білки. Будова, властивості, біологічна роль

Будова, номенклатура, класифікація a-амінокислот, що входять до складу білків та пептидів. Стереоізомерія a-амінокислот.

Біосинтетичні шляхи утворення a-амінокислот з оксокислот: реакції відновного амінування та реакції переамінування. Незамінні амінокислоти.

Хімічні властивості a-амінокислот як гетерофункціональних сполук. Кислотно-основні властивості a-амінокислот. Ізоелектрична точка, методи поділу a-амінокислот. Утворення внутрішньокомплексних солей. Реакції етерифікації, ацилювання, алкілування. Взаємодія з азотистою кислотою та формальдегідом, значення цих реакцій для аналізу амінокислот.

g-аміномасляна кислота - гальмівний медіатор ЦНС. Антидепресивна дія L-триптофану, серотонін – як нейромедіатор сну. Медіаторні властивості гліцину, гістаміну, аспарагінової та глутамінової кислот.

Біологічно важливі реакції a-амінокислот. Реакції дезамінування та гідроксилювання. Декарбоксилювання a-амінокислот – шлях до утворення біогенних амінів та біорегуляторів (коламін, гістамін, триптамін, серотонін.) Пептиди. Електронна будова пептидного зв'язку. Кислотний та лужний гідроліз пептидів. Встановлення амінокислотного складу за допомогою сучасних фізико-хімічних методів (методи Сенгера та Едмана). Поняття про нейропептиди.

Первинна структура білків. Частковий та повний гідроліз. Поняття про вторинну, третинну та четвертинну структури.

Вимоги до компетентності:

· Знати будову, стереохімічну класифікацію a-амінокислот, належність до D- та L-стереохімічних рядів природних амінокислот, незамінні амінокислоти.

· Знати шляхи синтезу a-амінокислот in vivo та in vitro, знати кислотно-основні властивості та способи переведення a-амінокислот в ізоелектричний стан.

· Знати хімічні властивості a-амінокислот (реакції з аміно- та карбоксильних груп), вміти проводити якісні реакції (ксантопротеїнову, з Сu(ОН)2, нінгідрином).

· Знати електронну будову пептидного зв'язку, первинну, вторинну, третинну та четвертинну структуру білків і петидів, знати способи визначення амінокислотного складу та амінокислотної послідовності (метод Сенгера, метод Едмана), вміти проводити біуретову реакцію на пептиди та білки.

· Знати принцип методу синтезу пептидів з використанням захисту та активації функціональних груп.

Тема 11. Нуклеотиди та нуклеїнові кислоти

Нуклеїнові основи, що входять до складу нуклеїнових кислот. Піримидинові (урацил, тимін, цитозин) та пуринові (аденін, гуанін) основи, їх ароматичність, таутомерні перетворення.

Нуклеозиди, реакції їхньої освіти. Характер зв'язку нуклеїнової основи з вуглеводним залишком; конфігурація глікозидного центру. Гідроліз нуклеозидів.

нуклеотиди. Будова мононуклеотидів, що утворюють нуклеїнові кислоти. Номенклатура. Гідроліз нуклеотидів.

Первинна структура нуклеїнових кислот. Фосфодіефірний зв'язок. Рибонуклеїнові та дезоксирибонуклеїнові кислоти. Нуклеотидний склад РНК та ДНК. Гідроліз нуклеїнових кислот.

Поняття про вторинну структуру ДНК. Роль водневих зв'язків у формуванні вторинної структури. Комплементарність нуклеїнових основ.

Лікарські засоби на основі модифікованих нуклеїнових основ (5-фторурацил, 6-меркаптопурин). Принцип хімічної подоби. Зміна структури нуклеїнових кислот під дією хімічних речовин та радіації. Мутагенна дія азотистої кислоти.

Нуклеозидполіфосфати (АДФ, АТФ), особливості їх будови, що дозволяють виконувати функції макроергічних сполук та внутрішньоклітинних біорегуляторів. Будова цАМФ – внутрішньоклітинного «посередника» гормонів.

Вимоги до компетентності:

· Знати будову піримідинових та пуринових азотистих основ, їх таутомерні перетворення.

· Знати механізм реакцій утворення N-глікозидів (нуклеозидів) та їх гідролізу, номенклатуру нуклеозидів.

· Знати принципові подібність та відмінності природних та синтетичних нуклеозидів-антибіотиків у порівнянні з нуклеозидами, що входять до складу ДНК та РНК.

· Знати реакції утворення нуклеотидів, будову мононуклеотидів, що входять до складу нуклеїнових кислот, їхню номенклатуру.

· Знати будову цикло- та поліфосфатів нуклеозидів, їх біологічну роль.

· Знати нуклетидний склад ДНК та РНК, роль фосфодіефірного зв'язку у створенні первинної структури нуклеїнових кислот.

· Знати роль водневих зв'язків у формуванні вторинної структури ДНК, комплементарність азотистих основ, роль комплементарних взаємодій у здійсненні біологічної функції ДНК.

· Знати фактори, що викликають виникнення мутацій, та принцип їх дії.

Інформаційна частина

Список літератури

Основна:

1. Романовський, біоорганічна хімія: навчальний посібник у 2-х частинах / . - Мінськ: БДМУ, 20с.

2. Романовський, до практикуму з біоорганічної хімії: навчальний посібник / за редакцією. - Мінськ: БДМУ, 1999. - 132 с.

3. Тюкавкіна, Н. А., Біоорганічна хімія: підручник / , . - Москва: Медицина, 1991. - 528 с.

Додаткова:

4. Овчинників, хімія: монографія / .

- Москва: Просвітництво, 1987. - 815 с.

5. Потапов,: навчальний посібник / . - Москва:

Хімія, 1988. - 464 с.

6. Райлс, А. Основи органічної хімії: навчальний посібник / А. Райс, К. Сміт,

Р. Уорд. - Москва: Світ, 1989. - 352 с.

7. Тейлор, Г. Основи органічної хімії: навчальний посібник/Г. Тейлор. -

Москва: Мірс.

8. Терней, А. Сучасна органічна хімія: навчальний посібник у 2-х томах /

А. Терней. - Москва: Світ, 1981. - 1310 с.

9. Тюкавкіна, до лабораторних занять з біоорганічної

хімії: навчальний посібник / [та ін]; за редакцією Н. А.

Тюкавкіної. - Москва: Медицина, 1985. - 256 с.

10. Тюкавкіна, Н. А., Біоорганічна хімія: Підручник для студентів

медичних інститутів / , . - Москва.

Біоорганічна хімія – наука, що вивчає будову та властивості речовин, що беруть участь у процесах життєдіяльності, у безпосередньому зв'язку з пізнанням їх біологічних функцій.

Біоорганічна хімія наука вивчає будову та реакційну здатність біологічно значимих сполук. Предметом біоорганічної хімії є біополімери та біорегулятори та їх структурні елементи.

До біополімерів відносяться білки, полісахариди (вуглеводи) та нуклеїнові кислоти. До цієї групи також включають ліпіди, які не є ВМС, але в організмі зазвичай пов'язані з іншими біополімерами.

Біорегулятори – це сполуки, що хімічно регулюють обмін речовин. До них відносяться вітаміни, гормони, багато синтетичних сполук, у тому числі лікарські речовини.

Біоорганічна хімія базується на ідеях та методах органічної хімії.

Без знання загальних закономірностей органічної хімії складно вивчення біоорганічної хімії. Біоорганічна хімія тісно пов'язана із біологією, біологічною хімією, медичною фізикою.

Сукупність реакцій, які у умовах організму, називається метаболізмом.

Речовини, що утворюються у процесі метаболізму, називаються – метаболітами.

Метаболізм має два напрями:

Катаболізм – реакції розпаду складних молекул більш прості.

Анаболізм - це процес синтезу складних молекул із більш простих речовин із витратою енергії.

Термін біосинтез застосовується до хімічної реакції IN VIVO (в організмі), IN VITRO (поза організмом)

Існують антиметаболіти – конкуренти метаболітів у біохімічних реакціях.

Поєднання як фактор підвищення стабільності молекул. Взаємний вплив атомів у молекулах органічних сполук та способи її передачі

План лекції:

Сполучення та його види:

p, p - сполучення,

r, p – сполучення.

Енергія сполучення.

Сполучені системи з відкритим ланцюгом.

Вітамін А, каротини.

Поєднання в радикалах та іонах.

Сполучені системи із замкнутим ланцюгом. Ароматичність, критерії ароматичності, гетероциклічні ароматичні сполуки.

Ковалентний зв'язок: неполярний та полярний.

Індуктивний та мезомірний ефекти. ЕА та ЕД – заступники.

Основним типом хімічних зв'язків у органічній хімії є ковалентні зв'язки. В органічних молекул атоми з'єднані s і p - зв'язками.

Атоми в молекулах органічних сполук з'єднані ковалентними зв'язками, які називаються s і p - зв'язками.

Одинарний s - зв'язок у SP 3 – гібридизованому стані характеризується l – довжиною (С-С 0,154 нм) Е-енергією (83 ккал/моль), полярністю та поляризацією. Наприклад:

Подвійний зв'язок характерний ненасиченим сполукам, у яких, крім центрової s - зв'язку, є ще перекриття перпендикулярне s - зв'язку яка називається π-зв'язком).

Подвійні зв'язки бувають локалізованими, тобто електронна щільність охоплює тільки 2 ядра атомів, що зв'язуються.

Найчастіше ми з вами будемо мати справу з пов'язанимисистемами. Якщо ж подвійні зв'язки чергуються з одинарними зв'язками (а в загальному випадку у атома сполученого з подвійним зв'язком є ​​р-орбіталь, то р-орбіталі сусідніх атомів можуть перекриватися один з одним, утворюючи загальну p - електронну систему). Такі системи називаються пов'язаними або справакалізованими . Наприклад: бутадієн-1,3

p, p - сполучені системи

Всі атоми в бутадієні знаходяться в SP 2 - гібридизований стан і лежать в одній площині (Рz - не гібрид орбіталі). Рz - орбіталі паралельні один одному. Це створює умови їхнього взаємного перекривання. Перекриття Рz орбіталі відбувається між С-1 і С-2 і С-3 та С-4, а також між С-2 та С-3, тобто виникає справакалізованаковалентний зв'язок. Це знаходить свій відбиток у зміні довжин зв'язків у молекулі. Довжина зв'язку між С-1 та С-2 збільшена, а між С-2 та С-3 укорочена, порівняно з одинарним зв'язком.

l-C-З, 154 нм l С=З 0,134 нм

l С-N 1,147 нм l С = O 0,121 нм

r, p - сполучення

Прикладом р, сполученої системи може служити пептидна зв'язок.

r, p - сполучені системи

Подвійний зв'язок С=0 подовжується до 0,124 нм проти звичайної довжини 0,121, а зв'язок С – N стає коротшим і стає рівним 0,132 нм порівняно з 0,147 нм у звичайному випадку. Тобто процес ділалізації електронів призводить до вирівнювання довжин зв'язків та зниження внутрішньої енергії молекули. Однак ρ,p – сполучення виникає в ациклічних з'єднаннях, не тільки коли чергується = зв'язки з одинарними З зв'язками, а ще при чергуванні з гетероатомом:

Поряд з подвійним зв'язком може бути атом Х, що має вільну р-орбіталь. Найчастіше це гетероатоми О,N, S та їх р-орбіталі, взаємодіють з p – зв'язками, утворюючи р, p – сполучення.

Наприклад:

СН 2 = СН - О - СН = СН 2

Поєднання може здійснюватися у нейтральних молекулах, а й у радикалах і іонах:

Виходячи з вище викладеного, у відкритих системах сполучення виникає за таких умов:

Всі атоми, що беруть участь у сполученій системі, знаходяться у SP 2 – гібридизованому стані.

Рz - орбіталі всіх атомів перпендикулярні площині s - скелета, тобто паралельні один одному.

При утворенні пов'язаної багатоцентрової системи відбувається вирівнювання довжин зв'язків. Тут немає «чистих» одинарних та подвійних зв'язків.

Делокалізація p-електронів у сполученій системі супроводжується виділенням енергії. Система переходить на нижчий енергетичний рівень, стає стійкішою, стабільнішою. Так, утворення сполученої системи у разі бутадієну – 1,3 призводить до викиду енергії у кількості 15 кДж/моль. Саме з допомогою поєднання підвищується стійкість радикалів іонів алільного типу та його поширеність у природі.

Чим довше ланцюг сполучення, тим більше викид енергії її утворення.

Це досить поширене в біологічно важливих сполуках. Наприклад:

З питаннями термодинамічної стійкості молекул, іонів, радикалів ми постійно зустрічатимемося в курсі біоорганічної хімії, до яких належать ряд іонів і молекул широко поширених у природі. Наприклад:

Сполучені системи із замкнутим ланцюгом

Ароматичність. У циклічних молекулах за певних умов може виникати сполучена система. Прикладом p, p - сполученої системи є бензол, де p - електронна хмара охоплює атоми вуглецю, така система називається - ароматичної.

Виграш енергії за рахунок сполучення у бензолі становить 150,6 кДж/моль. Тому бензол термічно стійкий до температури 900 про С.

Наявність замкненого електронного кільця підтверджено за допомогою ЯМР. Якщо молекулу бензолу помістити у зовнішнє магнітне поле, виникає індуктивний кільцевий струм.

Таким чином, критерієм ароматичності, сформульованим Хюккелем є:

молекула має циклічну будову;

всі атоми знаходяться у SP 2 – гібридизованому стані;

існує ділокалізована p - електронна система, що містить 4n + 2 електронів, де n - Число циклів.

Наприклад:

Особливе місце у біоорганічній хімії займає питання ароматичності гетероциклічних сполук.

У циклічних молекулах, що містять гетероатоми (азот, сірка, кисень) єдина p - електронна хмара, утворюється за участю р - орбіталей атомів вуглецю та гетероатома.

П'ятичленові гетероциклічні сполуки

Ароматична система утворюється при взаємодії 4-х р-орбіталей С та однієї орбіталі гетероатому, на якому знаходиться 2 електрони. Шість p – електронів утворюють ароматичний скелет. Така пов'язана система є електронно надмірною. У піролі атом N знаходиться в SP 2 гібридизований стан.

Піррол входить до складу багатьох біологічно важливих речовин. Чотири піррольні кільця утворюють порфін – ароматичну систему з 26 p - електронами та високою енергією сполучення (840 кДж/моль)

Порфінова структура входить до складу гемоглобіну та хлорофілу

Шестичленні гетероциклічні сполуки

Ароматична система у молекулах цих сполук утворюється при взаємодії п'яти р-орбіталей атомів вуглецю та однієї р-орбіталі атома азоту. Два електрони двох SP 2 – орбіталі бере участь у освіті s - зв'язків із атомами вуглецю кільця. Р-орбіталь з одним електроном входить до ароматичного скелета. SP 2 - орбіталь з неподіленою парою електронів лежить у площині s - скелета.

Електронна щільність у піримідині зміщена до N, тобто система збіднена p – електронами, вона електронно дефіцитна.

Багато гетероциклічних сполук можуть містити один і більше гетероатомів.

Ядра пірола, піримідину, пурину входять до складу багатьох біологічно активних молекул.

Взаємний вплив атомів у молекулах органічних сполук та способи його передачі

Як зазначалося, зв'язки у молекулах органічних сполук здійснюються з допомогою s і p зв'язків, електронна щільність рівномірно розподілена між зв'язаними атомами лише тоді, коли ці атоми однакові чи близькі по электроотрицательности. Такі зв'язки називаються неполярними.

CH 3 -CH 2 →CI полярний зв'язок

Найчастіше в органічній хімії маємо справу із полярними зв'язками.

Якщо електронна щільність змішана у бік більш електронегативного атома, такий зв'язок називається – полярної. Ґрунтуючись на значеннях енергії зв'язків, американський хімік Л.Полінг запропонував кількісну характеристику електронегативності атомів. Нижче представлена ​​шкала Полінга.

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

Атоми вуглецю в різному стані гібридизації розрізняються за електронегативністю. Тому s - зв'язок між SP 3 та SP 2 гібридизованими атомами - полярна

Індуктивний ефект

Передача електронної щільності за механізмом електростатичної індукції ланцюгом s - зв'язків називається індукцією, ефект називається індуктивнимі позначається J. Дія J, як правило, загасає через три зв'язки, проте близько розташовані атоми відчувають досить сильний вплив диполя, що знаходиться поруч.

Заступники, що зміщують електронну щільність ланцюга s - зв'язків у свій бік, виявляють -J - ефект, а навпаки +J ефект.

Ізольована p-зв'язок, а також єдина p-електронна хмара відкритої або замкнутої сполученої системи здатна легко поляризуватися під впливом ЕА та ЕД заступників. У таких випадках індуктивний ефект передається на p - зв'язок, тому позначає Jp.

Мезомірний ефект (ефект сполучення)

Перерозподіл електронної щільності у сполученій системі під впливом заступника, що є учасником цієї сполученої системи, називається мезомірним ефектом(М-ефект).

Для того, щоб заступник сам входив у сполучену систему, він повинен мати або подвійний зв'язок (p,p-спряження), або гетероатомом з неподіленою парою електронів (r,p-спряження). М – ефект передається по сполученій системі без загасання.

Заступники, що знижують електронну щільність у сполученій системі (зміщена електронна щільність у свій бік) виявляють -М-ефект, а заступники, що підвищують електронну щільність у сполученій системі виявляють+М-ефект.

Електронні ефекти заступників

Реакційна здатність органічних речовин значною мірою залежить від характеру дії J та M ефектів. Знання теоретичних можливостей дії електронних ефектів дозволяє передбачити перебіг тих чи інших хімічних процесів.

Кислотно-основні властивості органічних сполук. Класифікація органічних реакцій.

План лекції

Концепція субстрату, нуклеофіла, електрофіла.

Класифікація органічних реакцій.

оборотні та незворотні

радикальні, електрофільні, нуклеофільні, синхронні.

моно- та бимолекулярні

реакції заміщення

реакції приєднання

реакції елімінування

окислення та відновлення

кислотно-основні взаємодії

Реакції регіоселективні, хемоселективні, стереоселективні.

Реакція електрофільного приєднання. Правило Морковнікова, антиморковнікове приєднання.

Реакції електрофільного заміщення: орієнтанти 1-го та 2-го роду.

Кислотно-основні властивості органічних сполук.

кислотність та основність за Бренстедом

кислотність та основність за Льюїсом

Теорія жорстких і м'яких кислих і основ.

Класифікація органічних реакцій

Систематизація органічних реакцій дозволяє звести різноманіття цих реакцій до порівняно невеликій кількості типів. Органічні реакції можна класифікувати:

у напрямку: оборотні та незворотні

за характером зміни зв'язків у субстраті та реагенті.

Субстрат– молекула, яка надає атом вуглецю для утворення нового зв'язку

Реагент- З'єднання, що діє на субстрат.

Реакції щодо характеру зміни зв'язків у субстраті та реагенті можна розділити на:

радикальні R

електрофільні Е

нуклеофільні N(Y)

синхронні чи узгоджені

Механізм реакцій SR

Ініціювання

Зростання ланцюга

Обрив ланцюга

КЛАСИФІКАЦІЯ З КІНЦЕВОГО РЕЗУЛЬТАТУ

Відповідність з кінцевим результатом реакції бувають:

А) реакції заміщення

Б) реакції приєднання

В) реакції елімінування

Г) перегрупування

Д) окислення та відновлення

Е) кислотно-основні взаємодії

Реакції також бувають:

Регіоселективні- переважно протікають по одному з кількох реакційних центрів.

Хемоселективні- Переважний перебіг реакції по одній з родинних функціональних груп.

Стереоселективні- Переважне утворення одного з декількох стереоізомерів.

Реакційна здатність алкенів, алканів, алкадієнів, аренів та гетероциклічних сполук

Основу органічних сполук складають вуглеводні. Ми розглядатимемо лише ті реакції, що здійснюються в біологічних умовах і відповідно не з самими вуглеводнями, а за участю вуглеводневих радикалів.

До ненасичених вуглеводнів ми відносимо алкени, алкадієни, алкіни, циклоалкени та ароматичні вуглеводні. Об'єднуючий початок для них π – електронна хмара. У динамічних умовах також органічні сполуки схильні зазнавати атаки Е+

Однак, реакції взаємодії для алкінів і аренів з реагенами призводить до різних результатів, оскільки в цих сполуках різна природа π – електронної хмари: локалізована та ділокалізована.

Розгляд механізмів реакцій почнемо з реакцій А Е. Як відомо, алкени взаємодіють з

Механізм реакції гідратації

За правилом Марковникова – приєднання до ненасичених вуглеводнів несиметричної будови сполук із загальною формулою НХ - атом водню приєднується до найбільш гідрогенізованого атома вуглецю, якщо заступник ЕД. При антимарковниковском приєднанні атом водню приєднується до найменш гідрогенізованого, якщо заступник ЕА.

Реакції електрофільного заміщення в ароматичних системах мають особливості. Перша особливість полягає в тому, що для взаємодії з термодинамічно стійкою ароматичною системою потрібні сильні електрофіли, які зазвичай генеруються за допомогою каталізаторів.

Механізм реакції S E

ОРІЄНТУВАЛЬНИЙ ВПЛИВ
ЗАМІСНИКІВ

Якщо в ароматичному ядрі знаходиться якийсь заступник, він обов'язково впливає на розподіл електронної щільності кільця. ЕД – заступники (орієнтанти 1-го ряду) СН 3 , ВІН, ОR, NН 2 , NR 2 – полегшують заміщення порівняно з незаміщеним бензолом і направляють вхідну групу в орто-і пара-становище. Якщо ЕД заступники сильні, то каталізатор не потрібно ці реакції протікають в 3 стадії.

ЕА – заступники (орієнтанти ІІ-го роду) ускладнюють реакції електрофільного заміщення порівняно з незаміщеним бензолом. Реакції SЕ йде у жорсткіших умовах, вхідна група входить у мета становище. До заступників ІІ роду відносяться:

СООН, SО 3 Н, СНТ, галогени та ін.

Реакції SЕ характерні також гетероциклічних вуглеводнів. Піррол, фуран, тіофен та їх похідні відносяться до - надлишкових систем і досить легко вступає в реакції SЕ. Вони легко галогенуються, алкілюються, ацилуються, сульфуються, нітруються. При виборі реагентів необхідно враховувати їхню стабільність у сильнокислотному середовищі тобто ацидофобність.

Пиридин та інші гетероциклічні системи з піридиновим атомом азоту, є π-не достатніми системами, вони набагато важче вступають у реакції SЕ, при цьому вхідний електрофіл займає β-положення по відношенню до атома азоту.

Кислотні та основні властивості органічних сполук

Найважливішими аспектами реакційної здатності органічних сполук є кислотно-основні властивості органічних сполук.

Кислотність та основністьтакож важливі поняття, що визначають багато функціональних фізико-хімічних та біологічних властивостей органічних сполук. Кислотний та основний каталіз є однією з найпоширеніших ферментативних реакцій. Слабкі кислоти та основи – звичайні компоненти біологічних систем, які відіграють важливу роль у метаболізмі та його регуляції.

В органічній хімії існує кілька концепцій кислот та основ. Загальноприйнята в неорганічній та органічній хімії теорія кислот та основ Бренстеда. Згідно з Бренстедом, кислоти представляють речовини, здатні віддати протон, а основи – речовини, здатні приєднати протон.

Кислотність за Бренстедом

В принципі, більшість органічних сполук можна розглядати як кислоти, оскільки в органічних сполуках Н пов'язаний із С, N O S

Органічні кислоти відповідно діляться С – Н, N – Н, Про – Н, S-Н – кислоти.

Кислотність оцінюється як Ка або - lg Ка = рКа, що менше рКа, тим більше кислота.

Кількісна оцінка кислотності органічних сполук визначена далеко не у всіх органічних речовин. Тому важливо виробити вміння проводити якісну оцінку кислотних властивостей різних кислотних центрів. І тому використовують загальний методичний підхід.

Сила кислоти визначається стабільністю аніону (сполученої основи). Чим стабільніший аніон, тим сильніша кислота.

Стабільність аніону визначається сукупністю ряду факторів:

електронегативністю і поляризацією елемента в кислотному центрі.

ступенем ділалізації негативного заряду в аніоні.

характером пов'язаного із кислотним центром радикала.

сольватаційними ефектами (вплив розчинника)

Розглянемо послідовно роль усіх цих факторів:

Вплив електронегативності елементів

Чим більш негативний елемент, тим більше справакалізований заряд і тим стабільніший аніон, тим сильніше кислота.

З (2,5) N (3,0) О(3.5) S (2,5)

Тому кислотність змінюється у ряді СН< NН < ОН

Для SH – кислот переважає інший фактор – поляризованість.

Атом сірки більше за розміром та має вакантні d – орбіталі. отже, негативний заряд здатний ділокалізуватися у великому обсязі, що призводить до більшої стабільності аніону.

Тіоли, як сильніші кислоти, реагують з лугами, а також з оксидами і солями важких металів, тоді як спирти (слабкі кислоти) здатні реагувати тільки з активними металами

Відносно висока кислотність толів використовується в медицині, хімії лікарських засобів. Наприклад:

Застосовують при отруєннях As, Hg, Cr, Bi, дія яких зумовлена ​​зв'язуванням металів та виведенням їх з організму. Наприклад:

Оцінюючи кислотності сполук з однаковим атомом в кислотному центрі визначальним чинником є ​​делокализация негативного заряду в аніоні. Стабільність аніону значно підвищується з появою можливості справакалізації негативного заряду системою сполучених зв'язків. Значне збільшення кислотності у фенолах, порівняно зі спиртами, пояснюється можливістю діокалізації в іонах порівняно з молекулою.

Висока кислотність карбонових кислот обумовлена ​​резонансною стабільністю карбоксилат аніону.

Делокалізація заряду сприяє наявність електроноакцепторних замісників (ЕА), вони стабілізують аніони, тим самим збільшують кислотність. Наприклад, введення в молекулу ЕА заступника

Вплив заступника та розчинника

a - оксикислоти сильніші кислоти, ніж відповідні карбонові кислоти.

ЕД – заступники навпаки знижують кислотність. Розчинники роблять більший вплив на стабілізацію аніону, як правило, краще сольватуються невеликі іони з низьким ступенем декалізації заряду.

Вплив сольватації можна простежити, наприклад, у рядку:

Якщо атом у кислотному центрі несе позитивний заряд, це призводить до посилення кислотних властивостей.

Питання до аудиторії: яка кислота – оцтова чи пальмітинова З 15 Н 31 СООН – повинна мати менше значення рКу?

Якщо атом у кислотному центрі несе позитивний заряд, це призводить до посилення кислотних властивостей.

Можна відзначити сильну СН - кислотність - комплексу, що утворюється в реакції електрофільного заміщення.

Основність за Бренстедом

Для того, щоб утворити зв'язок із протоном, необхідно не поділена електронна пара у гетероатома,

або бути аніонами. Існують п-основи та

π-підстави, де центром основності є

електрони локалізованого π-зв'язку або π-електрони сполученої системи (π-компоненти)

Сила основи залежить від тих самих факторів, що й кислотність, але вплив їх протилежний. Чим більше електронегативність атома, тим міцніше він утримує неподілену пару електронів і тим менш доступна вона для зв'язку з протоном. Тоді загалом сила n-підстав з однаковим заступником змінюється у ряду:

Найбільшу основність з органічних сполук виявляють аміни та спирти:

Солі органічних сполук з мінеральними кислотами добре розчиняються. Багато лікарських засобів використовують у вигляді солей.

Кислотно-основний центр в одній молекулі (амфотерність)

Водневі зв'язки як кислотно-основна взаємодія

Для всіх α – амінокислот є переважання катіонних форм сильнокислих і аніонних в сильнолужних середовищах.

Наявність слабких кислотних та основних центрів призводить до слабких взаємодій – водневих зв'язків. Наприклад: імідазол при невеликій молекулярній масі має високу температуру кипіння за рахунок наявності водневих зв'язків.

Дж. Льюїсом запропонована більш загальна теорія кислот і основ, що визначається будовою електронних оболонок.

Кислотами по Льюїсу можуть бути атом, молекула або катіон, що мають вакантну орбіталлю, здатне приймати пару електронів з утворенням зв'язку.

Представниками кислот Льюїса служать галогеніди елементів ІІ та ІІІ груп періодичної системи Д.І. Менделєєва.

Підстави Льюїса атом, молекула чи аніон здатний надавати пару електронів.

До основ Льюїса відносяться аміни, спирти, прості ефіри, тіоли, тіоефіри і сполуки, що містять π-зв'язки.

Наприклад, наведену нижче взаємодію можна представити як взаємодію кислот і основ Льюїса

Важливим наслідком теорії Льюїса є те, що будь-яку органічну речовину можна представити як кислотно-основний комплекс.

В органічних сполуках внутрішньомолекулярні водневі зв'язки виникають значно рідше, ніж міжмолекулярні, але також мають місце у біоорганічних сполуках та їх можна розглядати як кислотно-основні взаємодії.

Поняття «жорсткі» та «м'які» не тотожні сильним і слабким кислотам і основам. Це дві незалежні характеристики. Суть ЖКМО полягає в тому, що жорсткі кислоти реагують з твердими основами та м'які кислоти реагують з мякими основами.

Відповідно до принципу жорстких і м'яких кислот і основ (ЖМКО) Пірсона кислоти Льюїса поділяються на жорсткі та м'які. Жорсткі кислоти - акцепторні атоми з малим розміром, великим позитивним зарядом, великою електронегативністю і низькою поляризацією.

М'які кислоти-акцепторні атоми великого розміру з малим позитивним зарядом, з невеликою електронегативністю і високою поляризацією.

Суть ЖКМО полягає в тому, що жорсткі кислоти реагують з твердими основами та м'які кислоти реагують з мякими основами. Наприклад:

Окислення та відновлення органічних сполук

Окисно-відновні реакції займають найважливіше значення для процесів життєдіяльності. З їхньою допомогою організм задовольняє свої енергетичні потреби, оскільки за окисленні органічних речовин відбувається вивільнення енергії.

З іншого боку, ці реакції служать для перетворення їжі на компоненти клітини. Реакції окислення сприяють детоксикації та виведенню лікарських засобів з організму.

Окислення – процес видалення водню з утворенням кратного зв'язку або нових полярних зв'язків

Відновлення - процес зворотний окиснення.

Окислення органічних субстратів протікає тим легше, що його тенденція до віддачі електронів.

Окислення та відновлення необхідно розглядати по відношенню до певних класів сполук.

Окислення С – Н зв'язків (алканів та алкілів)

При повному згорянні алканів утворюється 2 і Н 2 Про при цьому виділяється тепло. Інші шляхи їх окислення та відновлення можна надати такими схемами:

Окислення насичених вуглеводнів протікає в жорстких умовах (хромова гаряча суміш) більш м'які окислювачі не діють на них. Проміжними продуктами окиснення є спирти, альдегіди, кетони, кислоти.

Гідропероксиди R – О – ВІН найважливіші проміжні продукти окислення С – Н зв'язків у м'яких умовах, зокрема in vivo

p align="justify"> Важливою реакцією окислення С - Н зв'язків в умовах організму є ферментативне гідроксилювання.

Прикладом може бути одержання спиртів при окисненні їжі. За рахунок молекулярного кисню та його активних форм. здійснюється у in vivo.

Перекис водню може бути в організмі гідроксилюючим агентом.

Надлишок перекису повинен розкладатися за допомогою каталази на воду та кисень.

Окислення та відновлення алкенів можна представити такими перетвореннями:

Відновлення алкенів

Окислення та відновлення ароматичних вуглеводнів

Бензол надзвичайно важко окислюється навіть у жорстких умовах за схемою:

Здатність до окислення помітно збільшується від бензолу до нафталіну і далі антрацену.

ЕД-заступники полегшують окислення ароматичних сполук. ЕА – ускладнюють окислення. Відновлення бензолу.

З 6 Н 6 + 3Н 2

Ферментативне гідроксилювання ароматичних сполук

Окислення спиртів

Порівняно з вуглеводнями, окислення спиртів здійснюється в більш м'яких умовах

Найважливішою реакцією діолів в умовах організму є перетворення в системі хінон-гідрохінон

Перенесення електронів від субстрату до кисню здійснюється у метахондріях.

Окислення та відновлення альдегідів та кетонів

Один з класів органічних сполук, що найбільш легко окислюється.

2Н 2 С = О + Н 2 О СН 3 ОН + НСООН особливо легко протікає на світлі

Окислення азотовмісних сполук

Аміни окислюються досить легко кінцевими продуктами окислення є нітросполуки

Вичерпне відновлення азотовмісних речовин призводить до утворення амінів.

Окислення амінів in vivo

Окислення та відновлення тіолів

Порівняльна характеристика В властивостей органічних сполук.

Найбільш легко окислюються тіоли та 2-атомні феноли. Досить легко окислюються альдегіди. Складніше окислюються спирти, причому первинні легше, ніж вторинні, третинні. Кетони стійкі до окислення чи окислюються із розщепленням молекули.

Алкіни легко окислюються навіть при кімнатній температурі.

Найбільш важко окислюються сполуки, що містять атоми вуглецю в Sр3-гібридизований стан, тобто насичені фрагменти молекул.

ЕД – заступники полегшують окиснення

ЕА – ускладнюють окислення.

Специфічні властивості полі- та гетерофункціональних сполук.

План лекції

Полі-і гетерофункціональність, як фактор, що підвищує реакційну здатність органічних сполук.

Специфічні властивості полі- та гетерофункціональних сполук:

амфотерність; утворення внутрішньомолекулярних солей.

внутрішньомолекулярна циклізація γ, δ, ε – гетерофункціональних сполук.

міжмолекулярна циклізація (лактиди та декетопіпірозини)

хелатоутворення.

реакції елімінування бета – гетерофункціональних

з'єднань.

таутомерія кето-єнольна. Фосфоенолпіруват, як

макроергічна сполука.

декарбоксилювання.

стереоізомерія

Полі- та гетерофункціональність, як причина появи специфічних властивостей у гідрокси-, аміно- та оксокислот.

Наявність у молекулі кількох однакових чи різних функціональних груп становить характерну рису біологічно важливих органічних сполук. У молекулі може бути дві та більше гідроксильних груп, аміногруп, карбоксильних груп. Наприклад:

Важливу групу речовин учасників життєдіяльності складають гетерофункціональні сполуки, що мають попарне поєднання різних функціональних груп. Наприклад:

В аліфатичних сполуках усі наведені функціональні групи виявляють ЕА характер. За рахунок впливу один на одного у них взаємно посилюється реакційна здатність. Наприклад, в оксокислотах електрофільність посилюється кожного з двох карбонільних атомів вуглецю під впливом J-іншої функціональної групи, що веде до більш легкого сприйняття атаки нуклеофільними реагентами.

Оскільки I ефект загасає через 3-4 зв'язки, то важливою обставиною є близькість розташування функціональних груп у вуглеводневому ланцюзі. Гетерофункціональні групи можуть знаходитися в одного і того ж атома вуглецю (α - розташування), або в різних атомів вуглецю як сусідніх (β розташування), так і більш віддалених один від одного (γ, дельта, епсілон) розташування.

Кожна гетерофункціональна група зберігає свою реакційну здатність, точніше гетерофункціональні сполуки вступають хіба що «подвійне» число хімічних реакцій. При достатньому близькому взаємному розташуванні гетерофункціональних груп відбувається взаємне посилення реакційної здатності кожної їх.

При одночасному присутності в молекулі кислотної та основної груп з'єднання стають амфотерним.

Наприклад: амінокислоти.

Взаємодія гетерофункціональних груп

У молекулі герофункціональних сполук можуть утримуватися групи, здатні взаємодії друг з одним. Наприклад, в амфотерних сполуках, як у α-амінокислотах, можливе утворення внутрішніх солей.

Тому всі α – амінокислоти зустрічаються у вигляді біополярних іонів і добре розчиняються у воді.

Крім кислотно-основних взаємодій стають можливі інші види хімічних реакцій. Наприклад, реакції S N у SP 2 гібрид атома вуглецю в карбонільній групі за рахунок взаємодії зі спиртовою групою утворення складних ефірів, карбоксильної групи з аміногрупою (утворення амідів).

Залежно від взаємного розташування функціональних груп ці реакції можуть протікати як усередині однієї молекули (внутрішньомолекулярні), так і між молекулами (міжмолекулярні).

Оскільки внаслідок реакції утворюється циклічні аміди, складні ефіри. то визначальним чинником стає термодинамічна стійкість циклів. У зв'язку з цим кінцевий продукт, як правило, містить шестичленний або п'ятичленний цикли.

Щоб при внутрішньомолекулярній взаємодії утворився в п'яти або шестичленний складноефірний (амідний) цикл, гетерофункціональна сполука повинна мати в молекулі гамма або сигма розташування. Тоді в кл