Биоорганическая химия / Каминская Л.А.. Биоорганическая химия. Справочник-Словарь основных терминов и понятий
.pdf
|
|
H |
|
H |
+ E+ |
E + |
+ |
|
E |
E |
+ |
|||
|
пи-комплекс |
сигма-комплекс |
|
|
E
+ H+
4.Чтобы вновь вернуть единую π-электронную систему, надо в нее
вернуть два электрона. Происходит« |
выброс» протона и |
два электрона |
|
возвращаются в общий ароматический секстет. |
|
||
Электрофильное присоединение( |
АЕ+) Тип реакцийхарактерен |
для алкенов, |
|
содержащих изолированные и сопряженные двойные связи. Участвуют галогены , галогеноводороды, спирты, карбоновые кислоты, вода. Присоединение воды - гидратация наиболее важный вид реакций АЕ+ in vivo.
А) Присоединение галогенов - дигалогенирование. Обычно используют раствор галогена в СС1 4 Обесцвечивание раствора бромной воды -качественная реакция на
двойную связь. |
|
|
|
|
> CH=CH< |
+ Вг2 |
—> |
> CH Вг — СHВг< |
дибромалкан |
Б)Присоединение галогеноводоро-гидрогалогенирование |
|
|||
> CH=CH< |
+НВг |
—> |
> CH2 — СHВг< |
бромалкан |
В) Присоединение воды(гидратация). В отличие от предыдущих реакций происходит в условиях кислотного катализа,чаще используют серную кислоту
Н2SО4
> CH=CH< +НОН ——> > CH2 —С H<
|
ОН алканол (спирт)
Если двойная связь несимметричная, то для оценки направления реакции используют эмпирическое (опытное) правило Марковникова(empeiriaгреч- -опыт): атом водорода присоединяется к более ”гидрированному“ атому углерода, если рядом с двойной связью расположен заместитель-донор.
СН 2 =СН— СН3 + НС1 ——> |
СН3 —СН— |
СН2Н |
пропен |
| |
2-хлорпропан |
|
С1 |
|
201
Реакция идет против правила Марковникова, если рядом с двойной связью располагается заместитель акцептор.
СН 2 =СН— СООН +НС1 ——> |
СН2 —СН —СООН |
|
пропеновая кислота |
| |
| 3-хлорпропановая кислота |
|
С1 |
Н |
Для объяснения правила Марковникова можно предложить два объяснения, используя знание о распределении электронной плотности в молекуле:
1.статическое -изначальное распределение
2.динамическое -возникает в процессе реакции, связано с конкретным механизмом реакции.
Вмолекулах пропена и пропеновой (акриловой) кислот различное распределение электронной плотности, в соответствии с этим распределением
происходит присоединение заряженных частиц(Н + и С1–)
б – |
|
б+ |
СН 2 =СН<—СН |
3 |
СН 2 =СН—>СООН |
донор |
(+I ) |
акцептор ( -I ) |
Механизм реакцииА |
Е |
|
Реакционный процесс можно представить в виде нескольких стадий:
1.атака двойной связи электрофилом
2.образование π -комплекса
3.превращение π -комплекса в σ - комплекс( карбокатион). Из двух возможных карбокатионов образуется более устойчивый
4.присоединение нуклеофила к карбокатиону, образование конечного продукта реакции
Положительно заряженная частица электрофил (чаще всего Н+) ориентируется околоэлектронов двойнойсвязи, которые располагаются перпендикулярно σ- скелету. В поле притяжения электрофила находится отрицательно заряженный нуклеофил (в нашем конкретном случае Вг – ). Затем протон образует химическую σ- связь с одним из двух атомов углерода. Для образования связи нужна пара электронов. Поэтому соседний атом теряет свой электрон и приобретает заряд (+), получается карбокатион. Всегда возможно образование двух карбокатионов. Но существует и далее участвует в реакции присоединения нуклеофильной частицы тот карбокатион, который более устойчив. Нуклеофильная частица присоединяется с противоположной стороны по отношению к протону. На схеме представлены два возможных пути присоединения протона Н+ после образования π –комплекса (карбокатионы Iи II)Более. устойчивым является карбокатион I,поскольку заряд
202
(+) который соответствует свободной электроннойорбитали |
|
, |
компенсируется |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
донорным действием двух соседних радикалов( |
метильных групп), а в карбокатионе |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
II –только |
со стороны одного радикала (этильной группы). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
При исследовании реакции присоединения бромоводорода к |
|
|
|
|
|
пропену |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
установлено, что |
полностью |
|
образуется2- |
бромпропан, |
и |
не |
обнаружено |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
образование другого изомера 1-бромпропана. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема механизма реакции А Е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π –комплекс |
|
|
|
|
|
σ- |
комплекс-карбокатион |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
a) H3C |
|
H |
|
CH2 + HBr |
|
|
|
|
H3C |
|
H |
|
|
CH2 |
|
|
|
|
H3C |
|
|
H |
|
|
CH3 + Br |
- |
|
|
H3C |
|
|
|
HBr |
|
CH3 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
C |
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H+Br- |
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
б) |
|
|
H |
|
|
+ HBr |
|
|
|
|
H C |
|
H |
|
|
CH |
|
|
|
|
|
H C |
|
H2 |
|
CH |
+ + Br- |
|
|
H C |
|
|
|
H2 |
|
CH Br |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
C |
|
|
|||||||||||||||||
|
H3C |
|
C |
|
CH2 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
2 |
3 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H+Br- |
|
|
|
|
|
|
|
II |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π –комплекс |
|
|
|
|
|
σ- |
комплеккарбокатионс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
Донорные заместители |
|
увеличивают |
скорости |
реакций |
присоединения, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а акцепторные – снижают, так как уменьшают электронную плотность в области двойной связи и затрудняют притяжение электрофильной частицы приобразовании π
– комплекса.
Относительные скорости реакций присоединения брома к двойной связи:
Этен |
1, 0 |
(стандарт) |
Пропен |
3, 0 |
|
Метилпропен (изобутен) |
5, 5 |
|
2-метилбутен-2 |
10,4 |
|
Бромэтен |
0,04 |
(+ М < - I) |
В организме с участием ферментов непрерывно протекают реакции присоединения воды к двойной связи. Ферменты относятся к 4классу (лиазы, КФ 4 …). Эти процессы связаны с энергетическим обменом (реакции цикла Кребса), синтезом и окислением высших карбоновых кислот. Реакции стереоспецифичны, что означает,образуется только один стереоизомер.
203
Фумаровая кислота + |
Н2О ——> яблочнаяD- |
кислота |
|
|
|
СООН |
|
Н |
СООН |
| |
|
|
> С=С < |
Н –С – ОН |
|
НООС |
Н |
| |
|
|
|
СН2 |
|
|
|
| |
|
СООН
Гидратация активных форм 2,3-непредельных кислот всегда приводит к получению 3-гидроксипроизводных (ßгидроксикарбоновыхкислот).
СН 3 – СН =СН– СООН + |
Н2О ——> СН 3 – СН – СН2 – СООН |
|
2- бутеновая кислота |
| |
3-гидроксибутановая |
(кротоновая ) |
ОН |
(ß –гидроксимасляная ) |
Реакции электрофильного присоединения – распространенный путь синтеза спиртов,моно -и дигалогенопроизводных,сложных и простых эфиров.
Электрофорез. Движение макромолекулы( или крупной частицы) в электрическом поле. Метод использует электрокинетические явления -эффекты, связанные с относительнымдвижением двух фаз под действием электрического поля. Чаще применяют в коллоидах или суспензии. Теория процесса разработана физиком Гельмгольцем. Первый электрофоретический аппарат сконструировал Тизелиус, за него был удостоен Нобелевской премии. Исследуемую смесь в буферном растворе, содержащую различные белки, наносят на определенный подложкуноситель (специальная бумага, желатина, полимеры полиакрилатный гель и другие) и помещают в электрическое поле Благодаря буферному раствору, все белки приобретают одинаковый по значению заряд.
Альбумин
старт
фракции глобулинов
204
Заряженные частицы, присутствующие в растворе, под действием электрического поля движутся к электроду с противоположным зарядом. Скорость движения зависит от плотности заряда( отношение суммарного заряда частицы к площади ее поверхности). В идеальном случае каждый белок движется с индивидуальной скоростью. Смесь белков разделяется в процессе движения на отдельные компоненты. Электрофорез белков крови проводят в слабощелочной среде.рН=8,5. При упрощенной методике белки крови разделяются на альбумины и глобулины. Наибольшей подвижностью обладают альбумины. При более точной методике глобулины подразделяются на фракцииа 1, а2, β, γ (перечислены в порядке уменьшения подвижности). Электрофорез сыворотки крови в буферах с различными значениями рН позволяет обнаружить ферменты
и их изоферменты.Выявлено 5 изоферментов |
лактатдегидрогеназы. |
Метод |
|||||||||
имеет диагностическое |
и |
препаративное |
значение. Используют |
для |
|||||||
качественного |
и |
количественного определения индивидуальных |
белков в |
||||||||
биологических |
жидкостях |
организма( |
кровь, |
моча, ликвор), в |
гомогенатах |
||||||
субклеточных |
структур и |
тканей, для |
промышленной |
наработки иммунных |
|||||||
белков и ферментов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Элиминирование ( лат.-etliminare –удалять, изгонять). Представляет |
собой |
||||||||||
распространенную |
химическую |
реакцию |
образования |
двойной |
связи. |
Имеет |
|||||
самостоятельное |
значение |
in |
vitro, но |
часто конкурирует |
с |
реакциями |
|||||
нуклеофильного замещения (происходят одновременно). Элиминирование воды из спиртов проходит при нагревании спирта с конц. серной кислотой при температуре выше 1400С. В случае вторичных или третичных спиртов реакция идет по правилу Попова (упрощенно - двойная связь располагается внутри цепи)
|
Н |
2SО4 конц t >140 |
|
|
|
СН 3 – СН2 –ОН |
———————> СН2 =СН2 |
+НОН |
|
||
этанол |
|
этен |
|
|
|
|
|
Н2SО4 конц t >140 |
|
|
|
CН3 – СН2 – СН– СН3 |
———————> CН3 |
– СН = СН– СН3 |
+ НОН |
||
ОН |
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
бутанол -2 |
|
|
|
бутен-2 |
|
Элиминирование |
галогеноводорода происходит под влиянием |
спиртового |
|||
раствора щелочи(КОН |
или NаОН ) |
|
|
|
|
|
|
спирт. р -р |
|
|
|
СН3 – СН2 –С1 |
+ КОН ———————СН > |
2 =СН2 |
+КС 1 + |
НОН |
|
этанол |
|
этен |
|
|
|
205
4 |
3 |
2 |
1 |
КОН спирт.р-р |
|
|
|
СН3 |
– СН– |
СН2 |
–СООН |
———————> СН3 – СН =СН– |
СООН |
А( ) |
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
С1 |
|
|
2- бутеновая (кротоновая)кислота |
||
|
3-хлорбутановая кислота |
сопряженная система |
|
||||
|
|
|
|
СН |
2 =СН–СН– |
СООН |
В( ) |
|
|
|
|
|
3- бутеновая кислота |
||
|
|
|
|
|
нет сопряженной системы |
||
Механизм реакции элиминирования связан с образованием промежуточного карбокатиона с более устойчивой сопряженной системой. При элиминировании хлороводорода из 3-хлорбутановой кислоты возможно образование двух изомеров (А) и (В ). В молекуле3хлорбутановой кислоты атом углерода С-2 представляет собой более сильный СН - кислотный центр по сравнению с атомом С-4, удаление протона происходит от атома С-2, возникает сопряженная система.В молекуле 3- бутеновой кислоты отсутствует сопряженная система.
Ферментативные реакции элиминирования in vivo имеют огромное значение в обеспечении множества метаболических процессов (реакции цикла Кребса, синтез и окисление высших жирных кислот).
Перечень некоторых биохимических реакций элимирирования. |
|
|||||
|
|
|
фермент |
гидроксилиаза |
|
|
СН3 – СН – СН2 |
–СООН < ———————> СН3 – СН =СН– СООН |
+ НОН |
||||
|
| |
|
|
кротоновая кислота ( транс ) |
||
|
ОН |
|
кислота (ß – гидроксимасляная) |
|
|
|
3гидроксибутановая- |
|
|
||||
|
|
|
гидроксилаза |
|
|
|
НООС– |
СН – СН2 –СООН <———————> СН3 – СН =СН– СООН |
НОН |
||||
|
| |
|
|
фумаровая |
(транс-бутендиовая) |
|
|
ОН |
|
||||
яблочная кислота(малат) |
|
|
|
|||
Эти |
процессы |
осуществляет |
особый класс ферментов -лиазы в |
условиях |
||
кислотного катализа при строгом контроле стереоизомерии( |
образуется только цис - |
|||||
или толькотранс |
-форма ) |
|
|
|
||
206
Механизм реакции элиминирования in vitro. |
|
|
|||
СН3 – СН2 – О – Н + Н + |
Н2 S О4 конц t >140 |
+ |
|
||
———–—––——СН > |
3 – СН2 – О – Н ——–НО> Н + |
||||
|
|
|
(1) |
| |
(2) |
Н б+ |
|
|
Н |
|
|
|
|
катион гидроксония |
|||
| |
+ |
|
|
|
+ Н+ |
Нб+–С –> СН2 |
|
—————————> СН2 =СН 2 |
|||
| |
карбокатион |
( 3 ) |
алкен |
|
|
Н б+ |
|
|
|
|
|
СН- |
кислотный центр |
|
|
|
|
Этапы реакции:
1.В кислой среде в растворе присутствует катион водорода. Происходит протонирование спиртовой гидроксигруппы. Образуется катион гидроксония (присоединение протона к неподеленной паре электронов атома кислорода).
2.Отщепление молекулы воды. Возникает карбокатион, т.к. пара электронов возвращается для восстановления электронной оболочки атома кислорода (неподеленной пары электронов ) в молекуле воды. В органической молекуле в соседнем с карбокатионом α - положении возникает СНкислотный центр, атомы
водородаприобретают заряды б+.
3. Карбокатион «выбрасывает» протон Н+ из α - положения, оставшаяся пара электронов связи участвует в образовании двойной связи. Катион водорода возвращается в раствор. Аналогично действует каталитический центр фермента
гидролиазы,который участвует в элиминировании воды. |
|
|
||
Энантиомеры. |
Два стереоизомера, |
являющиеся |
полными |
совместимыми |
зеркальными отражениями друг друга,один |
принадлежит D, другой L стереорядам. |
|||
Энергия сопряжения. Выигрыш |
в энергии, |
получаемый |
в результате |
|
сопряжения. |
|
|
|
|
Энзим.( см.Фермен т)
Эритро –форма . (один из стереоизомеров в паре с треоформой) (см . Трео-,
эритро-форма)
Этанол (этиловый спирт, винный спирт, метилкарбинол). С2Н6О или С2Н5ОН Одноатомный спирт, бесцветная легкоподвижная жидкость с характерным жгучим вкусом и запахом (по запаху не отличим от метанола!)Т. кип. 78,4 0С, плотность d=0,794г/мл. Жидкий этанол сильно ассоциирован. Образует водородные связи и в водном растворе, энергия связи 4-5ккал/ моль. Смешивается с водой, спиртами, бензолом, толуолом, анилином, жидкими алканами, хлоралканами в
207
любых отношениях. Горит бесцветным пламенем, паро-воздушная смесь взрывоопасная.
Образуется дрожжами в анаэробных условиях из моносахаридов в процессе спиртового брожения, который выполняетв культуре дрожжей энергетические функции. Комплекс биохимических реакций аналогичен гликолизу до пировиноградной кислоты. Далее пировиноградная кислота декарбоксилируется, превращается в уксусный альдегид, который восстанавливается алкогольдегидрогеназой до этанола.
Гл-6-фосфат +НАД + + 2АДФ−ферменты−> 2СН -СО-СООН+ НАДН +Н + +2АТФ |
|||
|
3 |
|
|
СН3-СО- СООН −фермент,витам.В |
1−> СН 3-СНО + СО2 |
|
|
СН -СНО + НАДН + Н+ −алкогольдегидрогеназа−> СН |
3 |
-СН ОН+НАД + |
|
3 |
|
2 |
|
Образование этанола на последнем этапе приводит к возвращению НАД+ на начальные этапы процесса. В небольшом количестве этанол (около9г/ сутки) образуется в организме человека при метаболизме пентоз и других веществ.Используется как антисептик, вызывает денатурацию белков. В отношении организма человека и животных -сильный наркотик, при длительном приеме вызывает привыкание, алкогольную зависимость, которая поддается лечению достаточно трудно, определенная доза способн вызвать отравление, вплоть до летального исхода. Этанол в организме окисляется только в аэробном процессе (через цикл Кребса) в углекислый газ.Процесс идет достаточно быстро в печени, почках,легких,медленно в мозге.Окисление происходит в две стадии:
этанол |
—> уксусный альдегид —> |
уксусная |
кислота(активная форма АцКоА) —> СО2 +Н 2О |
Накопление уксусного альдегида вызывает сильное токсическое воздействие. Небольшая часть этанола (2-10%)выделяется с мочой и выдыхаемым воздухом, что позволяет проводить экспрессдиагностику содержания этанола в крови и степени алкогольного опьянения.
Этиленгликоль (этандиол-1,2) С2Н6О2. Густая вязкая жидкость, сладкая на вкус, смешивается со спиртами, глицерином, водой в любых отношениях, образует гидрат С2Н6О2 •2Н2О. Не растворим в бензоле, хлоралканах. Типичные свойства гликолей, образует простые и сложные эфиры, которые применяются в промышленности как пластификаторы, смазочные материалы и в составе антифризов. Этиленгликоль обладает опьяняющим действием аналогично этанолу, но токсичность его приближается к метанолу. Окисляется в печени, превращаясь в глиоксалевую (оксоэтановую) и щавелевую (этандиовую) кислоты. В судебномедицинской экспертизе чрезвычайно важным является обнаружение этиленгликоля в составе различных жидкостей. Присутствие этиленгликоля в пищевых продуктах
недопустимо!
208
Эфедрин (2-метиламино-1-фенил-1-пропанол) и псевдоэфедринС |
10 Н15NО. |
Диастереомеры содержатся в растениях семейства эфедровых. (эфедра |
хвощевая- |
густоветвистый кустарник высотой до 1,5м .(Ephedra equisetina Bunge- от греч. - epi -на, hedra –сидение). Для сбора лекарственного сырья собирают верхушечные молодые ветви. Химическим «родственником» эфедрина и псевдоэфедрина в биохимических реакциях можно считать аминокислоту фенилаланин.
CH CH CH3
OH NH CH3
Эфедрин
Псевдоэфедрин и эфедрин отличаются конфигурацией одного хирального атома. Псевдоэфедрин частично превращается в L -эфедрин при длительном нагревании в 25% растворе хлороводородной кислоты.
СН 3 |
СН |
3 |
| |
|
| |
Н -С – NН -СН 3 |
Н -С - NН -СН 3 |
|
| |
|
| |
НО– С -Н |
Н – С -ОН |
|
| |
|
| |
С 6Н5 |
|
С6Н5 |
псевдоэфедрин (+) |
L - |
эфедрин( - ) |
Т плавл. 118 0С |
Тплавл. 70 0 С |
|
Эфедрин боковой цепью полностью совпадает садреналином, но отличается ароматической частью (у адреналина в бензольном цикле две ортогидроксильные группы в положениях 3´, 4´)Фармакологическое. действие также напоминает адреналин, стимулирует α, β –рецепторы , его применяют при бронхиальной астме, аллергических заболеваниях,гипотонии,морской болезни,отравлении наркотиками.
209
Я
Яблочная кислота (2-гидроксибутандиовая, малат, оксиянтарная.) С 4Н6О5
Бесцветные кристаллы, Тплавл 1310С, растворима в воде,плохо в этаноле.
OH
H2
HOOC C CH COOH
Биологически активное соединение, присутствует в тканях животных, человека, в растениях (много в рябине, барбарисе). Впервые обнаружена и выделена из незрелых яблок К.Шееле в 1785. Существует в виде двух стереоизомеров и рацемической смеси. L- малат образуется в организме человека в процессе реакций цикла Кребса. Присутствиевторичной гидроксильной группы делает возможным реакции элиминирования и окисления , которые играют важную роль в биохимических процессах. Обратимая реакция элиминирования (дегидратации) in vivo происходит в митохондриях в цикле Кребса и приводит к образованию более устойчивого транс-изомера бутендиовой кислоты –фумаровой .
НООССН( ОН) -СН |
2 – СООН<——фермент ——НООС> |
-СН =СН– |
СООН +Н 2О |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
фумаровая кислота |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
транс-бутендиовая |
|
|
||||||||
Обратимая реакция окисления сопровождается образованиемкетокислоты |
: |
|||||||||||||||||
2-оксобутандиовой (оксоянтарной,щавелевоуксусной ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|||||
HOOC |
|
H2 |
|
|
|
|
COOH +НАД + <—фермент —> HOOC |
|
H2 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
C |
|
CH |
|
|
|
C |
|
C |
|
COOH |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Щавелевоуксусная кислота( |
ЩУК) |
|
||||||||
Яблочную кислоту в медицине применяют в составе слабительных средств и препаратов от хрипоты.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) Открытие этого явления сделано в 1946 г Метод основан на резонансном поглощении веществом электромагнитных волн в постоянном магнитном поле. Поглощение обусловлено ядерным магнетизмом. Проводят ЯМР твердых веществ, жидкостей. Позволяет провести идентификацию вещества( паспорт вещества), обнаружить присутствие примеси изомера, другого вещества, изучать механизмы реакций, изменение конформации молекул.
210