Биоорганическая Химия - методичка

ББК 24.23 УДК 547.002

Печатается по решению Учебно-методического совета Казанского государственного медицинского университета

Составители:

зав. кафедрой общей и органической химии КГМУ, д.х.н. Л.Е.Никитина; ст. преп., к.х.н. И.В.Федюнина; ст. преп., к.х.н. Ф.А.Байрамова

Рецензенты:

зав. кафедрой биохимии КГМУ, д.м.н. И.Г.Мустафин; ст. преп. кафедры общей и органической химии КГМУ, к.х.н. С.И.Галеева

Биоорганическая химия / Л.Е.Никитина, Ф.А.Байрамова, И.В.Федюнина – Казань: КГМУ, 2009. – 82 с.

Пособие предназначено для студентов 1 курса лечебного, педиатрического, медико-профилактического, стоматологического факультетов и 2 курса фармацевтического факультета в качестве дополнительной учебной литературы.

© Казанский государственный медицинский университет, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………4

Электронная структура атома углерода в органических соединениях... ……………………………………………...4

Классификация органических соединений……………………………….. 6

Номенклатура………………………………………………………………… 7

Электронные эффекты заместителей……………………………………. 11

Кислотность и основность…………………………………………………. 14

Углеводороды…………………………………………………………………17

Спирты и фенолы…………………………………………………………….22

Альдегиды и кетоны…………………………………………………………28

Карбоновые кислоты………………………………………………………...32

Жиры и фосфолипиды……………………………………………………….38

Окси- и оксокислоты…………………………………………………………42

Углеводы………………………………………………………………………51

Амины………………………………………………………………………….64

Аминокислоты………………………………………………………………...66

Гетероциклические соединения…………………………………………….71

Нуклеиновые кислоты……………………………………………………….79

4

Введение

Данное учебное пособие составлено в соответствии с программой медицинских ВУЗов России и содержит тот минимум знаний, который необходим будущим врачам для успешного освоения комплекса теоретических и клинических дисциплин, изучение которых базируется на знании основ биоорганической химии.

Учитывая различную степень подготовленности иностранных студентов, мы старались изложить материал по возможности в доступной форме и, вместе с тем, дать современное научно обоснованное понимание химических превращений. Для изучения многообразия органических соединений и их различных взаимодействий нами использованы единые теоретические принципы: электронное строение атома углерода и его химических связей, взаимное влияние атомов в органических молекулах (индуктивные и мезомерные эффекты), сопряжение, кислотность и основность органических соединений. Большое внимание в учебном пособии уделено типичным химическим свойствам важнейших классов органических соединений.

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):

5

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 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).

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).

6

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.

CH3-CH2-CH2-CH3 CH2=CH-C=CH2 CH3-CH-CH2-CH2-CH=O

OH CH3

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

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.

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

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

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

8

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).

Таблица 3

Важнейшие классы соединений, расположенные в порядке убывания старшинства групп

9

O

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

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

группы.

CH3-CH2-CH2-CH2-CH-C

H

NH2

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

Углеродная цепь соединения Б также содержит шесть углеродных атомов, однако в молекуле имеется двойная связь, поэтому в корне названия 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.

10

Таблица 4

Наиболее часто встречающиеся углеводородные радикалы

11

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.

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 σ-связи называется индуктивным эффектом и обозначается буквой I, а графически изображается стрелкой по σ- связи.

Пример

δ”+ δ’+ δ+ δ-

CH3→CH2→CH2→OH OH-группа -I, СН3-группа +I

Индуктивный эффект может быть положительным и отрицательным (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.

12

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

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, пентадиен-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:

13

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

CH2-CH-NH2

Примеры р,π-сопряженных систем:

СH2=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,

C N

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.

В этом случае заместители смещают электронную плотность от себя (подают ее в молекулу) и проявляют положительный мезомерный эффект (+М). В оставшейся части молекулы электронная плотность повышается. Такие заместители являются электронодонорными.

Графически мезомерный эффект изображается изогнутыми стрелками.

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.

15

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

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.

п-аминофенол фенол п-нитрофенол

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.

NH2

< СH3-NH2

анилин метиламин

В ряду ароматических аминов – п-нитроанилин, анилин, п-метиланилин, основность увеличивается, т.к. нитрогруппа – электроноакцептор, а метильная группа – электронодонор.

п-нитроанилин анилин п-метиланилин увеличение основности

Таким образом, электронодоноры увеличивают основность, а электроноакцепторы уменьшают основность органических соединений.

Углеводороды

Алканы

В молекулах алканов атомы С и H соединены между собой прочными σ- связями, эти связи неполярны. При обычных условиях алканы относительно нереакционноспособны. На них не действуют концентрированные кислоты и щелочи, они не окисляются сильными окислителями – KMnO4 и K2Cr2O7. Но при высоких температурах или под действием УФ-облучения алканы могут вступать в реакции радикального замещения (SR). Легче всего происходит замещение протона при третичном атоме углерода, труднее всего при первичном.

Реакции галогенирования

Циклоалканы

Реакционная способность циклоалканов зависит от размера цикла. Это связано с устойчивостью цикла.

Циклопропан и циклобутан проявляют двойственный характер, т.е. реагируют как алканы – с замещением атома водорода на атом галогена, и как алкены – с присоединением молекулы галогена (при этом происходит разрыв цикла).

Циклопентан и циклогексан по своим химическим свойствам аналогичны алканам. Для них более характерны реакции замещения при облучении УФсветом.

Алкены

Химические свойства алкенов определяются наличием двойной связи. Для алкенов характерны реакции электрофильного присоединения АЕ, протекающие

сразрывом π-связи, т.к. она менее прочная, чем σ-связь.

1.Реакция галогенирования

CH3-CH=CH2 + Br2 CH3-CH-CH2

2.Реакция с галогеноводородами

Данная реакция протекает по правилу Марковникова: протон присоединяется к более гидрированному атому углерода.

19

Реакция может протекать и против правила Марковникова (протон присоединяется к менее гидрированному атому углерода) в том случае, если рядом с двойной связью стоит акцепторная группа.

3.Реакция с водой в кислых условиях

Эта реакция может протекать также по правилу и против правила

Марковникова.

4.Реакция окисления

Алкены легко окисляются многими окислителями. При мягком окислении разрывается π-связь и образуются двухатомные спирты.

Алкадиены

Наибольшее значение имеют сопряженные диены, в молекулах которых двойные связи чередуются с одинарными связями. Сопряженные диены обладают большей реакционной способностью по сравнению с другими диенами.