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 10Следующая ⇒

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.

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-

H₃ C

CH– изопропил-

H₃C

CH₃–CH₂–CH–CH₃– втор-бутил-

H₃ C

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

Циклопропан

циклогексен

Одновалентные радикалы, образованные из циклоалканов, называют, заменяя суффикс – ан на – ил. Атом углерода, несущий свободную валентность, обозначают номером 1.

циклопропил- циклобутил- циклопентил-

Моноциклические и полициклические ароматические углеводороды (арены) имеют тривиальные названия, использование которых разрешено правилами ИЮПАК:

бензол

CH₃

толуол

CH₃ ксилол

CH=CH₂ стирол

Прочие моноциклические ароматические углеводороды называют как производные бензола. Положения заместителей указывают цифрами, за исключением случаев, когда при наличии двух заместителей вместо
1,2-; 1,3- и 1,4- могут быть использованы обозначения о- (орто-); м- (мета-); п- (пара-) соответственно:

CH₃

CH₃ 1,2 – диметилбензол (о-ксилол)

CH=CH₂ CH₂–CH₃ 4-этилстирол (п-этилстирол)

Одновалентные радикалы моноциклических ароматических углеводородов:

фенил-

бензил-

стирил-

мезитил-

n- толил-

и т.д.

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:

фенол

CH₃ о-,м-, н-крезолы

CH₃

CH CH₃CH₃ тимол

OH пирокатехин

OH резорцин

OH гидрохинон

HO OH пирогаллол

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