Заглавная страница
Избранные статьи
Случайная статья
Познавательные статьи
Новые добавления
Обратная связь

ТОП 10 на сайте

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Техника нижней прямой подачи мяча.

Франко-прусская война (причины и последствия)

Организация работы процедурного кабинета

Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний

Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Обработка изделий медицинского назначения многократного применения

Образцы текста публицистического стиля

Четыре типа изменения баланса

Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву

Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние общества на человека

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Практические работы по географии для 6 класса

Организация работы процедурного кабинета

Изменения в неживой природе осенью

Уборка процедурного кабинета

Сольфеджио. Все правила по сольфеджио

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ

Основы биоорганической химии

Стр 1 из 5Следующая ⇒

ОСНОВЫ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Раздел 1. Основы строения и факторы, определяющие реакционную способность органических соединений

1.1. Введение в биоорганическую химию.
Основные понятия и термины

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

Объекты биоорганической химии

Биополимеры	Биорегуляторы −
(их структурные компоненты) – Высокомолекулярные природные соединения, служащие структурной основой живых организмов (пептиды, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды).	Соединения, регулирующие обмен веществ (витамины, гормоны, синтетические БАВ, лекарственные средства).

Некоторые понятия и термины

Метаболизм (обмен веществ) – совокупность химических реакций, протекающих в организме; дает энергию и вещества, необходимые для функционирования организма.

Катаболизм – реакции распада (выделение энергии, окисление [O]).

Анаболизм – реакции биосинтеза (затрата энергии, восстановление [H]).

Биосинтез – химические реакции, приводящие в условиях организма к получению конкретного класса соединений.

Для обозначения химического процесса, протекающего вне организма используется латинское название – in vitro, внутри организма – in vivo.

Классификация и номенклатура органических соединений

В основу современной классификации органических соединений положены два признака:

· строение углеродного скелета;

· наличие в молекуле функциональных групп.

Классификация органических соединений
по строению углеродного скелета

Функциональная группа – это атом или группа атомов неуглеводородного характера, которые определяют принадлежность вещества к определенному классу и отвечают за его реакционную способность.

Основные функциональные группы и классы
органических соединений

№

Функциональная группа

Название функциональной группы

Название класса, общая формула

–F, –Cl, –Br, –I (Hal)

Фтор, хлор, бром, иод (галогены)

Галогенопроизводные R–Hal

–OH

Гидроксильная – спиртовая, – фенольная

Спирты, фенолы R–OH, Ar–OH,

–OR

Алкоксильная

Простые эфиры R–O–R

–SH

Тиольная

Тиолы (меркаптаны) R–SH

–SR

Алкилтиольная

Сульфиды (тиоэфиры) R–S–R

–S–S–

Дисульфидная

Дисульфид R–S–S–R

Сульфоновая

Сульфокислоты

Соли сульфоновых кислот

Производные Сульфокислот

Сульфамид

10.

–NH₂

Аминогруппа

Первичные R– NH₂

11.

–NH–

Амины Вторичные R–NH–R

12.

Третичные

13.

Нитрогруппа

Нитросоединения

14.

–C≡N

Цианогруппа

Нитрилы R–C≡N

15.

Карбонильная

(оксогруппа)

Альдегиды

16.

Кетоны

17.

Карбоксильная

Карбоновые кислоты

18.

Производные Карбоновых кислот

Соли карбоновых кислот

19.

Алкоксикарбонильная

Сложные эфиры

20.

Карбоксамидная

Амиды

21.

Карбоангидридная

Ангидриды

Классификация органических соединений по наличию
функциональных групп

глицерин

молочная кислота

Номенклатура (нем. «nomes» − имя, «сlature» − объяснять) – система правил, позволяющая дать однозначное название каждому индивидуальному веществу (или химический язык для отражения строения вещества).

Общепризнанна систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC – международный союз теоретической и прикладной химии), для понимания основных положений которой следует разграничивать понятия:

§ родоначальная структура – главная С-цепь в ациклической молекуле, карбоциклическая или гетероциклическая система, лежащая в основе соединения;

§ характеристическая группа – атом или группа атомов, введенных в родоначальную структуру на место атома водорода и соединенных с ней связью C–X (где X - неуглеродный атом).

Название соединения согласно номенклатуре является составным словом:

Приставки и окончания, применяемые для обозначения некоторых групп в биологически важных соединениях

Группа

Приставки

Окончания

Убывание старшинства группы

–COOH

карбокси-

- овая кислота

-C=O H

оксо-

-аль

C=O

-он

–OH

гидрокси-

-ол

–SH

меркапто-

(тио-)

-тиол

–NH₂

амино-

-амин

–O–CH₃

метокси-

этокси-

алкокси

–

–O–C₂H₅

–

C=C

–

-ен

Галогены

бромо-, йодо-,

фторо-, хлоро-

–

Радикалы: –CH₃

метил-

алкилы

–

–C₂H₅

этил-

–

–C₃H₇

пропил-

–

–СH(CH₃)₂

изопропил-

–

При построении названия соединения:

v определить тип характеристической группы (или групп);

v если характеристических групп несколько, необходимо выделить старшую;

v ограничить родоначальную структуру, в которую должна входить старшая характеристическая группа и провести нумерацию атомов углерода родоначальной структуры;

v старшая характеристическая группа отражается суффиксом, младшие группы – префиксом;

v заместители обозначаются префиксами, перечисляются в алфавитном порядке с указанием их числа и места у пронумерованного атома углерода родоначальной структуры;

Ациклические углеводороды

Алканы – ациклические углеводороды, содержащие максимальное количество атомов водорода. Первые четыре представителя имеют полусистематические названия – метан, этан, пропан, бутан. Остальные алканы называют с помощью корня соответствующего греческого числительного с добавлением суффикса – ан:

n	C_nH_2n+2	n	C_nH_2n+2
1	CH₄ - метан	12	C₁₂H₂₆ - додекан
2	C₂H₆ - этан	15	C₁₅H₃₂ - пентадекан
3	C₃H₈ - пропан	18	C₁₈H₃₈- октадекан
4	C₄H₁₀ - бутан	20	C₂₀H₄₂ - эйкозан
5	C₅H₁₂ - пентан	21	C₂₁H₄₄- генэйкозан
6	C₆H₁₄ - гексан	28	C₂₈H₅₈- октакозан
7	C₇H₁₆ - гептан	30	C₃₀H₆₂ - триаконтан
8	C₈H₁₈ - октан
9	C₉H₂₀ - нонан
10	C₁₀H₂₂ - декан

Одновалентные радикалы, производимые от насыщенных ациклических углеводородов, называют путем замены окончания –ан на –ил:

CH₃– метил-

C₂H₅– этил-

CH₃–CH₂–CH₂– пропил-

H₃C

CH– изопропил-

H₃C

CH₃–CH₂–CH–CH₃– втор-бутил-

H₃C

CH– CH₂– изобутил- и т.д.

H₃C

Наиболее длинная С-цепь (родоначальная структура) нумеруется так, чтобы номера были наименьшими:

2,3,5 – триметилпентан

3,3 – диметил – 4 – этилгептан

Непредельные ациклические углеводороды содержат кратные связи, наличие которых обозначают путем замены суффикса - ан на - ен (при двойной связи С=С), на - ин (при тройной связи С≡С).

Соединения, имеющие как двойные, так и тройные связи, получают названия путем замены суффикса –ан в названии соответствующего алкана на - енин, - адиенин, - атриенин, - ендин и т.п. Кратным связям должны соответствовать низкие цифровые обозначения, а двойным связям присваивают наименование номера:

3,4 – диметилгексен -1

4,6- диметил -3- этилгептин -1

пентен -1- ин -4

Одновалентные радикалы непредельных ациклических углеводородов:

CH₂=CH– винил-

CH₂=CH–CH₂– аллил-

HC≡C– этенил

Спирты и фенолы

При назывании спиртов по заместительной номенклатуре группа –OH рассматривается как главная и обозначается суффиксом – ол (- диол, - триол, -т етраол и т.д.), нумерация осуществляется с таким расчетом, чтобы группа –OH получила меньший номер:

пропанол-1

бутандиол-1,3

2-этилпентен-2-ол-1

циклогексен-2-ол-1

Для некоторых спиртов сохранены тривиальные названия:

CH₂=CH–CH₂OH - аллиловый спирт

C₆H₅–CH₂OH - бензиловый спирт

OH CH₂OH - салициловый спирт

CH₂ (OH)–CH₂OH - этиленгликоль

CH₂ (OH) – CH (OH)–CH₂OH - глицерин

Для простых фенолов сохранены тривиальные названия:

OH фенол

OH CH₃ о-,м-, н-крезолы

CH₃ OH CH CH₃CH₃ тимол

OH OH пирокатехин

OH OH резорцин

OH OH гидрохинон

OH HO OH пирогаллол

OH HO OH флороглюцин

Карбоновые кислоты

Карбоксильная группа в молекулах алифатических кислот должна получать наименьший номер и обозначается она суффиксом – овая кислота:

гептандиовая кислота

2,3-диметилгексановая кислота

Если группа –COOH рассматривается как заместитель (и не входит в родоначальную структуру), то она получает название – карбоновая кислота:

2-метилциклогексанкарбоновая кислота

Карбоксигруппу обозначают приставкой карбокси - если в соединении присутствует другая группа, имеющая преимущество в перечислении:

п-карбоксифенилуксусная кислота

1.3. Электронное строение органических соединений

В составе органических соединений чаще всего находят следующие элементы: C, O, H, N, S, P, которые получили название элементов – органогенов.

Электронное состояние углерода (невозбужденное) – 1S²2S² 2P², при переходе в возбужденное состояние - 1S²2S¹ 2P³.

Интерес представляют S и P орбитали, поскольку валентные электроны углерода и элементов-органогенов находятся на них.

Гибридизация орбиталей – смешение нескольких атомных орбиталей различной формы и близкой энергии с образованием такого же числа новых гибридных орбиталей, расположение которых в пространстве соответствует геометрии молекулы. Гибридные орбитали за счет более эффективного перекрывания образуют более прочные связи по сравнению с негибридными.

В органических соединениях углерод может находиться в одном из трех валентных состояний:

I валентное состояние – sp³-гибридизация, при которой происходит смешивание I S и 3 p-орбиталей, с возникновением 4-х гибридизованных орбиталей, расположенных в пространстве под углом 109º28´ по отношению друг к другу. Углерод в таком состоянии получил название тетрагонального атома углерода и встречается в предельных органических соединениях.

sp³-гибридные орбитали направлены в пространстве к вершинам тетраэдра (тетраэдрическая конфигурация).

II валентное состояние – sp²-гибридизация, при которой происходит смешивание I S и 2 p-орбиталей, с возникновением 3-х гибридизованных орбиталей, расположенных в одной плоскости под углом 120º по отношению друг к другу. Негибридизованная p-орбиталь расположена перпендикулярно плоскости гибридизованных орбиталей. Углерод в таком состоянии называют тригональным и встречается он в соединениях с двойными связями (атом C в алкенах, карбонильной и карбоксильной группах).

III валентное состояние – sp-гибридизация, при которой происходит смешивание I S и 1p-орбитали с возникновением 2-х гибридизованых орбиталей, расположенных в пространстве под углом 180º (линейно), а две негибридизованые p-орбитали расположены взаимно перпендикулярно друг другу. Sp-гибридизация характерна для углерода, связанного тройной связью или двумя двойными связями.

Если углерод образует одну углерод-углеродную связь, то его называют первичным, если две углерод-углеродные связи − то вторичным; если три углерод-углеродные связи – то третичным; если четыре углерод-углеродные связи – то четвертичным.

Например:

1-й и 5-й углероды – первичные; 4-й – вторичный; 3-й – третичный;

2-ой – четвертичный.

Кратные связи

Сопряжение

Молекулы с чередующимися двойными π и простыми σ связями называют сопряженными системами.

Сопряжение – это перераспределение электронной плотности в системе π – связей, приводящее к стабилизации молекулы.

Энергия сопряжения – это уменьшение энергии молекулы благодаря сопряжению.

Открытые системы сопряжения

Бутадиен-1,3, каждый из четырех углеродов в состоянии sp²-гибридизации, у каждого углерода – по одной свободной p-орбитали. В результате бокового перекрывания орбиталей происходит сопряжение двух локализованных двойных связей с образованием делокализованной четырехцентровой молекулярной орбитали. Этот вид сопряжения называют π-π-сопряжение. Е_{сопряж.}= 250 кДж/моль – 235 кДж/моль = 15 кДж/моль. Наблюдается выравненность электронных плотностей в результате делокализации электронов, создание единого электронного облака.

Делокализация электронов в циклических соединениях приводит к возникновению ароматических систем.

Правила ароматичности.

1. Наличие плоского цикла (кольца), состоящего из sp²-гибридизованных атомов, образующих σ-скелет (молекула копланарна).

2. Делокализация электронов, приводящая к образованию единого электронного облака (π-секстет).

3. Подчинение правилу Э. Хюккеля, т.е. электронное облако должно насчитывать (4n+2) π-электронов, где n=1,2,3,4…

4. Высокая степень термодинамической устойчивости (энергия сопряжения).

Гомоциклические ароматические системы.

бензол n=1 6ē делокализовано в π- секстет

нафталин n=2 10ē делокализовано

антрацен

фенантрен

n=3 14ē делокализовано

Виды изомерии

структурная		пространственная
· цепи (скелета) · положения заместителей или кратных связей · взаимного расположения заместителей в кольце · межклассовая		· геометрическая · оптическая (стереоизомерия) · поворотная

Пространственная изомерия

· геометрическая – обусловлена различным расположением заместителей вокруг двойных связей или относительно плоскости циклов).

бутен -2- диовая кислота

транс-форма (фумаровая кислота)

цис-форма (малеиновая кислота)

Это конфигурационные изомеры, которые не могут быть превращены друг в друга без разрыва ковалентных связей.

· Оптическая изомерия

Стереоизомерия связана с различным расположением в пространстве атомов и атомных групп вокруг асимметрического углеродного атома.

Асимметрический атом углерода – это углерод, все четыре валентности которого замещены различными заместителями.

Хиральность – свойство предмета быть неидентичным своему зеркальному отображению (от греч. cheir – рука). Молекулы тоже могут быть хиральными и ахиральными.

Простейший случай хиральности – наличие в молекуле центра хиральности, которым является асимметрический атом углерода.

Вследствие хиральности некоторые молекулы существуют в виде пары стереоизомеров – энантиомеров.

Энантиомеры – это стереоизомеры, относящиеся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение, различные по абсолютной и относительной конфигурации, биологическим свойствам, но обладающие одинаковыми физическими и химическими свойствами.

Гомолиз связи

v Образующиеся промежуточные частицы – свободные радикалы

Гетеролитический (ионный)

Гетеролиз связи

v Образующиеся органические промежуточные частицы

- карбокатионы (с положительным зарядом на атоме углерода) или

- карбоанионы (с отрицательным зарядом на атоме углерода)

Классификация реакций

1. По характеру изменения связей в субстрате и реагенте

(а) Гомолитические реакции

(б) Гетеролитические реакции

2. По направлению (конечному результату)

v Изменение степени окисления углерода, выступающего в роли
реакционного центра

3. По числу молекул (частиц), участвующих в стадии, определяющей общую скорость реакции

Методики выполнения общих качественных реакций
на функциональные группы

Бромирование бромной водой

В пробирку поместите 2 капли бромной воды, добавьте 2–3 капли исследуемого раствора, встряхните пробирку.

Внешние признаки:

Наблюдается обесцвечивание желтого раствора бромной воды.

2. Реакция гидроксилирования (реакция Вагнера)

В пробирку поместите 2 капли 0,1н KMnO₄, добавьте 2–3 капли исследуемого раствора, встряхните пробирку.

Внешние признаки:

Наблюдается обесцвечивание розового раствора KMnO₄ и выпадение бурого осадка MnO₂.

ОСНОВЫ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ