Органическая химия.Казань

ББК 24.23 УДК 547.002

Печатается по решению Центрального координационно-методического совета Казанского государственного медицинского университета

Составители:

доцент, к.х.н. Артемова Н.П.,

ст. преподаватель, к.х.н. Федюнина И.В.,

доцент, к.х.н. Халиуллин Р.Р.

под ред. профессора, д.х.н. Никитиной Л.Е.

Рецензенты:

доктор мед. наук, зав. кафедрой биохимии КГМУ, профессор Мустафин И.Г., кандидат биол. наук, доцент кафедры химии и экологии КГАСУ Бойчук В.А.

Введение в ОРГАНИЧЕСКУЮ ХИМИЮ. Учебное пособие для студентов заочного отделения фармацевтического факультета / Н.П.Артемова,

И.В.Федюнина, Халиуллин Р.Р., под ред. проф. Никитиной Л.Е. – Казань: КГМУ,

2011. – 186 с.

Пособие предназначено для студентов заочного отделения фармацевтического факультета, изучающих дисциплину «Органическая химия», а также студентов лечебного, педиатрического, стоматологического факультетов в качестве дополнительной учебной литературы к курсам «Биоорганическая химия», «Химия».

© Казанский государственный медицинский университет, 2011

4

Введение

Органическая химия входит в блок химических дисциплин, обязательных для изучения на фармацевтических факультетах медицинских университетов и в фармацевтических академиях.

Цель курса органической химии: овладение основами органической химии как важнейшего теоретического и экспериментального базиса для изучения смежных и профильных дисциплин: биохимии, фармацевтической химии, фармакологии, фармакогнозии, токсикологической химии, фармацевтической технологии, аналитической химии, нормальной и патологической физиологии и других дисциплин и, следовательно – для формирования компетенций, необходимых современному провизору.

В соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 060301 – фармация, утвержденным 17.01.2011, важнейшими компетенциями, для формирования которых необходимо знание органической химии, являются:

1)Общекультурная компетенция ОК-1: способность и готовность анализировать социально-значимые проблемы и процессы, использовать на практике методы гуманитарных, естественнонаучных, медико-биологических и клинических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

Профессиональные компетенции (ПК)

Вобласти производственной деятельности:

2)Профессиональная компетенция ПК-4: способность и готовность к произ-

водству лекарственных средств в условиях фармацевтических предприятий и организаций, включая выбор технологического оборудования, с соблюдением международных стандартов.

3)Профессиональная компетенция ПК-5: способность и готовность к изго-

товлению лекарственных средств по рецептам врачей в условиях фармацевтических организаций, включая выбор технологического процесса, с учетом санитарных требований.

В области контрольно-разрешительной деятельности:

4)Профессиональная компетенция ПК-30: способность и готовность органи-

зовывать, обеспечивать и проводить контроль качества лекарственных средств в условиях фармацевтических предприятий и организаций.

5)Профессиональная компетенция ПК-31: способность и готовность опре-

делить перечень оборудования и реактивов для организации контроля качества лекарственных средств, в соответствии с требованиями Государственной фармакопеи и иными нормативными правовыми документами, организовывать своевременную метрологическую поверку оборудования.

6) Профессиональная компетенция ПК-32: способность и готовность к уча-

стию в организации функционирования аналитической лаборатории.

7) Профессиональная компетенция ПК-33: способность и готовность опреде-

лить способы отбора проб для входного контроля лекарственных средств в соответствии с действующими требованиями.

5 8) Профессиональная компетенция ПК-34: способность и готовность гото-

вить реактивы для анализа лекарственных средств в соответствии с требованиями Государственной фармакопеи.

9)Профессиональная компетенция ПК-35: способность и готовность прово-

дить анализ лекарственных средств с помощью химических, биологических и физико-химических методов в соответствии с требованиями Государственной фармакопеи.

10)Профессиональная компетенция ПК-36: способность и готовность интер-

претировать и оценивать результаты анализа лекарственных средств.

11)Профессиональная компетенция ПК-37: способность и готовность прово-

дить определение физико-химических характеристик отдельных лекарственных форм, в том числе таблеток, мазей, растворов для инъекций.

12)Профессиональная компетенция ПК-38: способность и готовность оцени-

вать качество лекарственного сырья (используемые органы растения, гистологическая структура, химический состав действующих и других групп биологически активных веществ).

13)Профессиональная компетенция ПК-39: способность и готовность к уча-

стию в проведении химико-токсикологического исследования с целью диагностики острых отравлений, наркотических и алкогольных опьянений.

В области научно-исследовательской и информационно-просветительской деятельности :

14)Профессиональная компетенция ПК-41: способность и готовность оказать консультативную помощь медицинским работникам и потребителям лекарственных средств и других фармацевтических товаров с учетом их физикохимических свойств.

15)Профессиональная компетенция ПК-42: способность и готовность оказать консультативную помощь работникам фармацевтических предприятий и организаций по хранению и учету наркотических средств, психотропных веществ и их прекурсоров.

16)Профессиональная компетенция ПК-43: способность и готовность к ин-

формационной работе среди врачей, провизоров по вопросам применения лекарственных средств, принадлежности их к определенной фармакотерапевтической группе, показаниях и противопоказаниях к применению, возможности замены одного препарата другим и рациональном приеме.

17)Профессиональная компетенция ПК-45: способность и готовность оказы-

вать консультативную помощь по вопросам применения и совместимости лекарственных средств и других фармацевтических товаров.

18)Профессиональная компетенция ПК-48: способность и готовность рабо-

тать с научной литературой, анализировать информацию, вести поиск.

19)Профессиональная компетенция ПК-49: способность и готовность к уча-

стию в постановке научных задач и их экспериментальной реализации.

6

Задача теоретического курса органической химии: формирование система-

тических знаний о строении, свойствах и реакционной способности органических соединений.

Задача практического курса органической химии: освоение студентами практических навыков и умений, основ органического синтеза, а также важнейших препаративных методов органической химии.

Электронная структура атома углерода в органических соединениях

Органическая химия изучает строение и химические свойства органических соединений. Органические соединения это соединения углерода с другими элементами, такими как водород, кислород, азот, сера и др.

Электронная формула атома углерода – 1s22s22p2. Атом углерода легко переходит в возбужденное состояние. оно сопровождается разъединением спаренных электронов, т.е. распадом двухэлектронного облака на одноэлектронные:

Атом углерода в возбужденном состоянии четырехвалентен. Все четыре валентных электрона атома углерода являются эквивалентными. Согласно теории гибридизации, из s- и p-орбиталей образуются гибридные орбитали, являющиеся равноценными по форме и энергии. В зависимости от числа орбиталей, участвующих в гибридизации, возможны три ее вида.

Вsp3-гибридизации участвуют четыре орбитали (одна s- и три p-орбитали)

собразованием четырех равноценных гибридных орбиталей. sp3-гибридные орбитали имеют грушевидную форму и располагаются в пространстве друг относительно друга под углом 109,5°, как это показано на примере молекулы метана

(рис.1):

Рисунок 1

H

C

H

H

H

Если соединить вершины этих орбиталей, то получится тетраэдр, поэтому атом углерода в состоянии sp3-гибридизации называется тетраэдрическим.

В sp2-гибридизации участвуют одна s- и две p-орбитали, и образуются три гибридные орбитали. sp2-гибридные орбитали лежат в одной плоскости. Угол

7

между ними равен 120°. Одна р-орбиталь остается негибридизованной. Она сохраняет правильную гантелеобразную форму и располагается перпендикулярно плоскости, в которой лежат три sp2-гибридные орбитали, как это показано на примере молекулы этилена (рис.2).

H H

C C

H H H C C H

ацетилен

этилен

В sp-гибридизации участвуют одна s- и одна р-орбитали. В результате образуются две гибридные орбитали. Они располагаются друг относительно друга под углом 180º, то есть на одной прямой, и направлены в противоположные стороны от ядра атома. Поэтому молекулы, содержащие атом углерода в состоянии sp-гибридизации, имеют линейное строение. Две не участвующие в гибридизации p-орбитали располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях, как это показано на примере ацетилена (рис.3).

Классификация органических соединений

Органические соединения классифицируют по строению углеродной цепи и по функциональным группам, входящим в состав молекул. Функциональные группы – -NH2, -COOH, -OH и др. определяют химические свойства соединения.

По строению углеродной цепи различают ациклические и циклические соединения.

1.Ациклические соединения (не имеют цикла), в которых углеродная цепь может быть неразветвленной и разветвленной.

8

2.Циклические соединения (имеют цикл). Если цикл молекулы состоит только из атомов углерода и водорода, то это карбоциклические соединения, например, циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

Если же в состав цикла, кроме атомов углерода и водорода, входят гетероатомы (N, O, S), то такое соединение является гетероциклическим. Например, фуран, пиррол, тиофен.

В зависимости от того, какие функциональные группы входят в состав молекул, органические соединения делятся на классы (табл.1). Например, в молекуле пропионовой кислоты СH3-CH2-COOH имеется карбоксильная группа (-СООН), поэтому данное соединение относится к классу карбоновых кислот.

9

Номенклатура

Для составления названий органических соединений используют три номенклатуры – тривиальную, радикально-функциональную и систематическую.

Тривиальные названия (исторически сложившиеся) указывают на какие-

то заметные свойства веществ (глицерин, глюкоза, от греч. glycys – сладкий), или на источник получения (яблочная кислота, лимонная кислота) или на область применения соединения (аскорбиновая кислота). Эти названия применяются до сих пор, однако они не отражают структуру соединений.

Название соединения по радикально-функциональной номенклатуре от-

ражает название класса, которое дает старшая функциональная группа, и названия радикалов, связанных с данной функциональной группой. Например, в со-

CH3-C-CH3

связана с двумя метильными радикалами (CH3-), поэтому данное соединение называется диметилкетон (тривиальное название – ацетон).

Радикально-функциональная номенклатура применима для ограниченного числа органических соединений, имеющих одну функциональную группу и простые радикалы.

Наиболее широко применяется систематическая номенклатура, с помощью которой можно назвать любое соединение, но для этого нужно знать ряд правил.

1. Из всех функциональных групп, имеющихся в молекуле, определяют старшую функциональную группу (табл.3).

10

Таблица 3

Важнейшие классы соединений, расположенные в порядке убывания старшинства групп

Чем выше в таблице расположена функциональная группа, тем она старше. Например, в соединении А

A CH3-CH2-CH2-CH2-CH-C

O

H

NH2

присутствуют два заместителя – аминогруппа –NH2 и альдегидная группа – СОН. В таблице 3 альдегидная группа расположена выше группы –NH2, следовательно, она старше. Именно старшая группа определяет принадлежность к классу органических соединений (в данном примере это альдегид, а не амин) и отражается в окончании названия (см. графу «окончание» табл.3), т.е. окончание будет –аль..

2.Определяют корень названия. Для этого выбирают главную углеродную цепь, которая должна содержать максимальное количество углеродных атомов и старшую функциональную группу.

3.Нумеруют углеродную цепь со стороны старшей функциональной груп-

пы.

6 5 4 3 2 1 O

CH3-CH2-CH2-CH2-CH-C

H

NH2

11

4. Определяют название главной углеродной цепи. В молекуле А шесть углеродных атомов, что соответствует углеводороду «гексан» (табл.2), поэтому корень названия данного соединения – гексан.

окончание -ан заменяется на –ен (гексен). Двойная связь находится после четвертого углеродного атома - гексен-4.

Название старшей функциональной группы (табл.3) обозначается в виде окончания (в приведенных примерах –СОН дает окончание –аль).

5. Все остальные заместители указывают в виде приставки и цифр, определяющих их местоположение (в приведенных примерах группа –NH2 дает приставку 2-амино-).

Соединение А – 2-аминогексаналь-1 Соединение Б – 2-аминогексен-4-аль-1

Названия наиболее распространенных радикалов приведены в таблице 4.

12

ЗАДАНИЯ

1.Найдите ошибки в формулах:

а) CH3-CH2-CH3-CH3

б) CH2=CН-C=CH2

OH

в) CH3-CH2-CH2-CH2-CH=OН

CH3 O

2.Назовите соединения по систематической номенклатуре:

3.Напишите формулы следующих соединений: а) пентандиол-1,2, б) 2- окси-пропановая кислота, в) бутен-2-овая кислота, г) 2-амино-3- бромпентаналь.

Электронные эффекты заместителей

Для того, чтобы сравнить реакционную способность соединений или дать характеристику их кислотно-основных свойств, необходимо знать распределение электронной плотности в молекуле.

Введение в молекулу углеводорода какой-либо функциональной группы приводит к смещению электронной плотности в молекуле, а это, в свою очередь, влияет на скорость, а иногда и на направление реакции.

Существуют два механизма передачи электронной плотности в молекуле – индуктивный и мезомерный. Знание этих эффектов необходимо, чтобы пределить донором или акцептором является данная функциональная группа в соединении.

Индуктивный эффект

Атомы, входящие в состав органических молекул, обладают разной электроотрицательностью. Электроотрицательность – это способность атомов оттягивать на себя электронную плотность.

13

При обсуждении электронных эффектов принято считать, что электроотрицательности атомов углерода и водорода равны. Все остальные атомы, такие как кислород, азот, сера и галогены, более электроотрицательны, чем углерод, и оттягивают на себя электронную плотность.

Смещение электронной плотности вдоль ζ-связи называется индуктивным эффектом и обозначается буквой I, а графически изображается стрелкой по ζ- связи.

Пример

(табл.5).

Положительный индуктивный эффект (+I) проявляют электронодонорные заместители (алкильные группы: СН3-, С2Н5-, С3Н7- и т.д.). Электронодонорные (ЭД) заместители отталкивают от себя электронную плотность, т.е. подают ее в молекулу.

Прежде чем рассмотреть мезомерный эффект, необходимо ввести понятие сопряжения, так как мезомерный эффект проявляется только в сопряженных молекулах.

14

Сопряжение

Двойные связи, входящие в состав соединения, могут быть сопряженными и изолированными. Если в молекуле двойные связи чередуются с одинарными, то такие соединения являются сопряженными, например, бутадиен-1,3, пентади- ен-1,3, акриловая кислота:

Примеры соединений с изолированными двойными связями: СH2=CH-CH2-COOH бутен-3-овая кислота

CH3-CH=CH-CH2-CH=CH-CH3 гептадиен-2,5 СH2=CH-CH2-CH=CH-CH2-OH гексадиен-2,5-ол-1

Рассмотрим молекулу бутадиена-1,3:

Рисунок 4

1 2 3 4

CH2-CH-CH-CH2

СН2=СН-СН=СН2.

Между первым и вторым, а также между третьим и четвертым атомами углерода имеются π-связи (как в этилене), которые образуются при перекрывании негибридизованных р-орбиталей атомов углерода (рис.4). В молекуле бутадиена- 1,3 происходит также перекрывание р-орбиталей второго и третьего углеродных атомов, что приводит к образованию общей π-электронной системы. В молекуле бутадиена-1,3 осуществляется π,π-сопряжение, т.к. в сопряжение вступают орбитали π-связей.

Примеры π,π-сопряженных систем: СН2=СН-СН=СН2 бутадиен-1,3

СH3-CH=CH-CH=CH-CH3 гексадиен-2,4

СH2=CH-C=O акриловая кислота ОН

В сопряжении могут участвовать π-связь и соседний атом с р-орбиталью, имеющей пару электронов (рис.5). Такой вид сопряжения называют р,π-

сопряжением.

Рисунок 5

СH2=CH-NH2

15

CH2-CH-NH2

Примеры р,π-сопряженных систем:

ŃH2=CH-O-CH3 CH3-CH=CH-NH2 CH2=CH-Cl

Мезомерный эффект - это передача электронного влияния заместителя по сопряженной системе. Функциональные группы, имеющие кратные связи между атомом углерода и кислородом (или азотом, или серой), могут участвовать в π,π- сопряжении молекулы. Например,

бензонитрил

В этом случае заместители оттягивают электронную плотность на себя и проявляют отрицательный мезомерный эффект (-М). В оставшейся части молекулы электронная плотность понижается. Такие заместители являются электроноакцепторными.

Функциональные группы, имеющие гетероатом с р-орбиталью (-NH2, -ОH, -SH, -OCH3), могут участвовать в р,π-сопряжении молекулы. Например,

18

14.Напишите структурные формулы всех возможных изомеров 1-аллил-2-метил- бензола, дайте им названия по систематической номенклатуре, укажите тип гибридизации атома углерода в этих молекулах.

15.Напишите структурные формулы всех возможных изомеров общей формулы С4Н8О2, дайте им названия по систематической номенклатуре.

Кислотность и основность органических соединений

Кислотность – это способность соединения отдавать протон, т.е. способность к диссоциации. Чем легче протекает диссоциация, тем сильнее кислота.

К органическим соединениям, обладающим кислыми свойствами, относят карбоновые кислоты, фенолы и др.

В карбоновых кислотах и фенолах протон связан с кислородом. Чем больше отрицательный заряд на атоме кислорода, тем сильнее связь протон-кислород.

При этом труднее проходит диссоциация, и, следовательно, тем слабее кислота. И наоборот, чем меньше отрицательный заряд на кислороде, тем подвижнее протон, легче протекает диссоциация, а значит и сильнее кислота.

Рассмотрим влияние заместителей на кислотность карбоновых кислот.

В ряду следующих соединений - муравьиная кислота, уксусная кислота, пропионовая кислота кислотность уменьшается, т.к. около карбоксильной группы находятся алкильные группы, которые являются электронодонорами. Донорные группы подают электронную плотность на карбоксильную группу, при этом отрицательный заряд на атоме кислорода увеличивается, он сильнее «держит» протон, труднее протекает диссоциация и сила кислоты уменьшается. Чем объемнее радикал, тем больше его донорные свойства. Поэтому в данном ряду пропионовая кислота – самая слабая кислота.

При введении в радикал электроноакцепторных групп, электронная плотность оттягивается от карбоксильной группы в сторону акцептора, при этом отрицательный заряд на атоме кислорода уменьшается, протон становится подвижнее и сила кислоты увеличивается. Например, в ряду пропановая кислота, 2- хлорпропановая кислота и 2,2-дихлорпропановая кислота самой сильной кислотой является 2,2-дихлорпропановая кислота, т.к. атом хлора является электроноакцептором и таких групп здесь две.

СH3-CH2-COOH CH3-CH-COOH

Cl

пропановая кислота 2-хлорпропановая кислота

Cl

CH3-C-COOH

Cl

2,2-дихлорпропановая кислота

19

Таким образом, электронодонорные заместители уменьшают, а электроноакцепторные заместители увеличивают кислотность.

Рассмотрим кислотность фенолов. Электронная плотность оттянута от атома кислорода в сторону бензольного кольца.

В ряду п-аминофенол, фенол, п-нитрофенол кислотность увеличивается, т.к. аминогруппа является электронодонором, а нитрогруппа – электроноакцептором.

увеличение кислотности

Чем больше донорных групп входит в состав фенолов, тем меньше кислотность, чем больше акцепторных групп – тем больше кислотность.

Если сравнивать кислотность карбоновых кислот и фенолов, то любая карбоновая кислота сильнее, чем любой фенол, содержащий несколько акцепторных групп.

Основность – это способность соединения принимать протон.

К органическим соединениям, обладающим основными свойствами, относятся амины. Присоединение протона идет на неподеленную электронную пару атома азота. При этом, чем больше отрицательный заряд на атоме азота, тем легче происходит присоединение протона, следовательно, тем сильнее основание.

Если рядом с атомом азота находятся донорные группы, то отрицательный заряд на атоме азота увеличивается, а значит, увеличивается и основность. Например, в ряду аммиак, метиламин, диметиламин, основность увеличивается., т.к. увеличивается число донорных групп, связанных с атомом азота.

Основность анилина меньше, чем метиламина, т.к. электронная плотность в анилине оттянута от атома азота в сторону бензольного кольца.