Глава 3
Игры с углеродом:
органическая химия
»Углерод как базовый химический элемент в биохимии
»Сила взаимодействия различных видов связей
»Изучение функциональных групп
»Изомерия
олыиинство важных с биохимической точки зрения органических моле-
кул, состоит из атомов углерода. Следовательно, посвятив себя биохи-
мии, вам нужно иметь уверенные знания органической химии, которая
описывает поведение углеводных соединений в достаточной степени для по-
нимания функций и поведения биохимических молекул. В этой главе нам пред-
стоит рассмотреть базовые концепции органической химии, познакомиться с
разными функциональными группами и изомерами, играющими очень важную роль в биохимии. (Вне всяких сомнений вам придется вспомнить лекции и ла-
бораторные занятия по “ органике” .)
Роль углерода в изучении жизни
В прежние времена ученые верили, что все без исключения углеродные со- единения являются результатом биологических процессов. Это означало, что
органическая химия выступала синонимом биохимии в рамках так называемой теории жизненных сил. Однако, в средине 19 столетия такие исследователи,
важными оказываются двойные связи углерода с атомами кислоро- да. В табл. 3.1 собраны сведения о количестве возможных связей
углерода с некоторыми неметаллами, а также указаны способы ги-
бридизации таких связей.
н н н н н н
н с с с с с с н Гексан
нн н н н н
CH3-CH-CH -CH-CH -CH3 |
Гексан |
|
н3с — сн— сн — сн2— сн — сн3 |
2-метилгексан |
|
I |
|
|
сн3 |
|
|
/ |
СН2 \ |
|
сн2 |
сн2 |
Циклогексан |
|
|
сн2чсн2/СН2
Рис. 3.7. Неразветвленное углеводородное соединение (вверху),
разветвленное углеводородное соединение (по середине), кольцевое углеводородное соединение (внизу)
Таблица 3.1.Возможные связи между углеродом и неметаллами
Углерод (С) |
4 |
4 одинарных (sp3) |
|
||
|
|
2 одинарных, 1 двойная (sp2) |
|
||
|
|
1 двойная, 1 тройная (sp) |
|
||
|
|
2 двойных |
( |
sp |
|
|
|
|
) |
|
|
Азот (N) |
3 |
3 одинарных (sp3), |
|
||
|
|
1 одинарная,1 двойная (sp2) |
|
||
|
|
1 тройная (sp) |
|
||
Кислород (О) |
2 |
2 одинарных (sp3), |
|
||
|
|
1 двойная (sp2) |
|
||
Сера (S) |
2 |
2 одинарных (sp3), |
|
||
|
|
1 двойная (sp2) |
|
||
Водород (И) |
1 |
1 одинарная |
|
||
|
ГЛАВА 3 |
Игры с углеродом: органическая химия |
53 |
Окончание табл. 3.1
Фтор |
( |
F |
1 |
1 одинарная |
|
) |
|
|
|
|
( |
) |
1 |
1 одинарная |
Хлор CI |
||||
Бром (Вг) |
1 |
1 одинарная |
||
Йод (!) |
1 |
1 одинарная |
Сила превыше всего:связь укрепляет
В биохимии ковалентные связи образуются внутримолекулярными сила-
ми (существующими только внутри молекулы). Интерес также представляют
межмолекулярные силы, возникающие между химическими веществами. Кро-
ме всего прочего межмолекулярные силы в большой степени определяют
гидрофильные (водовосприимчивые) и гидрофобные (водоотталкивающие)
взаимодействия.
Есть у всех: межмолекулярные силы
Все межмолекулярные взаимодействия определяются силами Ван-дер-Ва-
альса — они не образуют настоящие связи, предполагающие обмен или пере-
нос электронов, и характеризуются более слабой силой притяжения. К таким силам относятся лондоновские дисперсионные силы, диполь-дипольные силы,
водородные связи и силы ионного взаимодействия.
Лондоновские дисперсионные силы
Лондоновские дисперсионные силы, возникающие тогда, когда облако элек-
тронов атома одной молекулы начинает взаимодействовать с ядром атома дру-
гой молекулы, являются очень слабыми и недолговечными. Они настолько
слабы, что учитываются только в отсутствии других типов межмолекулярных
взаимодействий.
Диполь-дипольные силы
Диполь-дипольные силы существуют между полюсами различных молекул.
Образование диполя предполагает формирование у молекулы частично поло- жительного (8+) и частично отрицательного (8-) концов. Противоположно за-
ряженные концы притягивают друг друга, в то время как концы с одинаковым
54 |
ЧАСТЬ 1 Основы основ: базовые понятия |
Углеводороды
Алканы — это углеводородные соединения, которые содержат только угле-
род и водород, без функциональных групп в привычном понимании, что определяет их слабую реакционную способность. Алкены и алкины — это тоже углеводороды. Они отличаются соответственно двойными и тройными
углерод-углеродными связями. Реакционная способность соединения повы- шается с увеличением количества таких связей. Ароматические углеводоро-
ды — обычно кольцевые структуры с меняющимися одинарными и двойными
углерод-углеродными связями — содержат одну или больше ароматических систем, которые заметно менее реактивные, чем остальные системы с двойны-
ми связями. Алкены в биологических системах встречаются не часто. Структу-
ра таких соединений показана на рис. 3.2.
— |
— |
сн |
— |
сн |
— |
сн |
— |
сн3 |
|
|
сн3 |
сн2 |
|
|
— |
Алкан |
|||||
— |
— |
сн— |
сн— |
|
сн3 |
|
||||
сн3 |
сн |
сн2 |
Алкен |
|||||||
— |
= |
с |
— |
сн |
— |
сн |
— |
сн3 |
Алкин |
|
сн3 |
с |
|
|
|
|
к Ароматический углеводород |
||||
kk |
|
|
|
кк |
|
Рис. 3.2. Примеры алканов, алкенов, алкинов и ароматических углеводородов
Функциональные группы, включающие кислород и серу
Многие функциональные группы включают кислород. К ним относятся спирты, эфиры, альдегиды и кетоны. Вы сталкивались со многими из этих кислородсодержащих функциональных групп при изучении углеродов (наши любимые соединения). В углеводородах эфирные группы многократно повто-
ряются, соединяясь между собой с помощью гликозидных связей (см. глава 7).
Кроме того карбоновые кислоты и эфиры являются важными функциональны- ми группами, проявляющимися у жирных кислот, жиров и масел.
В состав спиртов и эфиров входят атомы кислорода только с простыми
одиночными связями. Фенол образуется при прикреплении спиртовой группы к ароматическому кольцу. Как органические кислоты, так и эфиры содержат атомы кислорода с простыми одиночными и двойными связями. Комбинация
атома углерода, связанного с атомом кислорода двойной связью, представляет
собой карбонильную группу.
Сера, элемент, расположенный в периодической таблице сразу под кисло- родом, может вытеснять кислород как из спиртов, так и из эфиров, с обра- зованием тиолов (меркаптан) и тиоэфиров. Многие из этих серосодержащих
58 |
ЧАСТЬ 1 Основы основ: базовые понятия |
соединений реально дурно пахнут! Сера также может образовывать дисульфид
со связью между двумя атомами серы. Структуры таких соединений показаны
на рис. 3.3.
R = Любая органическая (углеводородная) группа
R' = Любая органическая группа, совпадающая или не совпадающая с R
R— ОН |
R — О— R' |
Спирт |
Эфир |
О |
О |
R— С — Н |
R— С — R' |
Альдегид |
Кетон |
О |
О |
II |
R— С — О— R' |
R— С — ОН |
|
Карбоксильная кислота |
Сложный эфир |
о |
R— |
SH |
|
Фенол |
|||
|
Тиол |
||
R— S — R’ |
R— |
S — S — R' |
|
Тиоэфир |
Дисульфид |
Рис. 3.3. Кислород- и серосодержащие функциональные группы
Функциональные группы, включающие азот
Амины и амиды относятся к наиболее важным функциональными группа-
ми, которые содержат азот. Амины представлены в аминокислотах и алкалои- дах. Амиды есть в белках, где они известны благодаря пептидным связям.
Отличие между аминами и амидами в наличии у амидов карбонильной
группы рядом с атомом азота. Амины являются производными аммиака NH3, в котором одна или несколько органических групп замещают атомы водоро-
да. В первичных аминах органическая группа замещает всего один атом во-
дорода. Во вторичных и третичных аминах две или три органические группы
ГЛАВА 3 Игры с углеродом: органическая химия |
59 |