, антибиотики , феромоны , сигнальные вещества , биологически активные вещества растительного происхождения, а также синтетические регуляторы биологических процессов (лекарственные препараты , пестициды и др.). Как самостоятельная наука сформировалась во второй половине XX века на стыке биохимии и органической химии и связана с практическими задачами медицины , сельского хозяйства , химической , пищевой и микробиологической промышленности.
Методы
Основной арсенал составляют методы органической химии, для решения структурно-функциональных задач привлекаются разнообразные физические, физико-химические , математические и биологические методы.
Объекты изучения
- Биополимеры смешанного типа
- Природные сигнальные вещества
- Биологически активные вещества растительного происхождения
- Синтетические регуляторы (лекарственные препараты , пестициды и т. п.).
Источники
- Овчинников Ю. А. . - М .: Просвещение, 1987. - 815 с.
- Бендер М., Бергерон Р., Комияма М.
- Дюга Г., Пенни К. Биоорганическая химия. - М.: Мир, 1983.
- Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И.
См. также
Напишите отзыв о статье "Биоорганическая химия"
Отрывок, характеризующий Биоорганическая химия
– Ma chere, il y a un temps pour tout, [Милая, на все есть время,] – сказала графиня, притворяясь строгою. – Ты ее все балуешь, Elie, – прибавила она мужу.– Bonjour, ma chere, je vous felicite, [Здравствуйте, моя милая, поздравляю вас,] – сказала гостья. – Quelle delicuse enfant! [Какое прелестное дитя!] – прибавила она, обращаясь к матери.
Черноглазая, с большим ртом, некрасивая, но живая девочка, с своими детскими открытыми плечиками, которые, сжимаясь, двигались в своем корсаже от быстрого бега, с своими сбившимися назад черными кудрями, тоненькими оголенными руками и маленькими ножками в кружевных панталончиках и открытых башмачках, была в том милом возрасте, когда девочка уже не ребенок, а ребенок еще не девушка. Вывернувшись от отца, она подбежала к матери и, не обращая никакого внимания на ее строгое замечание, спрятала свое раскрасневшееся лицо в кружевах материной мантильи и засмеялась. Она смеялась чему то, толкуя отрывисто про куклу, которую вынула из под юбочки.
– Видите?… Кукла… Мими… Видите.
И Наташа не могла больше говорить (ей всё смешно казалось). Она упала на мать и расхохоталась так громко и звонко, что все, даже чопорная гостья, против воли засмеялись.
– Ну, поди, поди с своим уродом! – сказала мать, притворно сердито отталкивая дочь. – Это моя меньшая, – обратилась она к гостье.
Наташа, оторвав на минуту лицо от кружевной косынки матери, взглянула на нее снизу сквозь слезы смеха и опять спрятала лицо.
Гостья, принужденная любоваться семейною сценой, сочла нужным принять в ней какое нибудь участие.
– Скажите, моя милая, – сказала она, обращаясь к Наташе, – как же вам приходится эта Мими? Дочь, верно?
Наташе не понравился тон снисхождения до детского разговора, с которым гостья обратилась к ней. Она ничего не ответила и серьезно посмотрела на гостью.
Между тем всё это молодое поколение: Борис – офицер, сын княгини Анны Михайловны, Николай – студент, старший сын графа, Соня – пятнадцатилетняя племянница графа, и маленький Петруша – меньшой сын, все разместились в гостиной и, видимо, старались удержать в границах приличия оживление и веселость, которыми еще дышала каждая их черта. Видно было, что там, в задних комнатах, откуда они все так стремительно прибежали, у них были разговоры веселее, чем здесь о городских сплетнях, погоде и comtesse Apraksine. [о графине Апраксиной.] Изредка они взглядывали друг на друга и едва удерживались от смеха.
Биоорганическая химия. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И.
3-е изд., перераб. и доп. - М.: 2004 - 544 с.
Основная особенность учебника - сочетание медицинской направленности этого химического курса, необходимого для студентов-медиков, с его высоким, фундаментальным научным уровнем. В учебник включен базисный материал по строению и реакционной способности органических соединений, в том числе биополимеров, являющихся структурными компонентами клетки, а также основных метаболитов и низкомолекулярных биорегуляторов. В третьем издании (2-е - 1991 г.) особое внимание уделено соединениям и реакциям, имеющим аналогии в живом организме, усилен акцент на освещение биологической роли важных классов соединений, расширен спектр современных сведений экологического и токсикологического характера. Для студентов вузов, обучающихся по специальностям 040100 Лечебное дело, 040200 Педиатрия, 040300 Медико-профилактическое дело, 040400 Стоматология.
Формат: pdf
Размер: 15 Мб
Смотреть, скачать: drive.google
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие...................... 7
Введение......................... 9
Часть I
ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Глава 1. Общая характеристика органических соединений 16
1.1. Классификация. "................ 16
1.2. .Номенклатура... ............ 20
1.2.1. Заместительная номенклатура........... 23
1.2.2. Радикально-функциональная номенклатура........ 28
Глава 2. Химическая связь и взаимное влияние атомов в органических
соединениях.................. 29
2.1. Электронное строение элементов-органогенов...... 29
2.1.1. Атомные орбитали................ 29
2.1.2. Гибридизация орбиталей............. 30
2.2. Ковалентные связи............... 33
2.2.1. а- и л-Связи.................. 34
2.2.2. Донорно-акцепторные связи............ 38
2.2.3. Водородные связи............... 39
2.3. Сопряжение и ароматичность............ 40
2.3.1. Системы с открытой цепью сопряжения... ,..... 41
2.3.2. Системы с замкнутой цепью сопряжения........ 45
2.3.3. Электронные эффекты.............. 49
Глава 3. Основы строения органических соединений....... 51
3.1. Химическое строение и структурная изомерия...... 52
3.2. Пространственное строение и стереоизомерия...... 54
3.2.1. Конфигурация................. 55
3.2.2. Конформация................. 57
3.2.3. Элементы симметрии молекул............ 68
3.2.4. Эиантиомерия............... 72
3.2.5. Диастереомерия................
3.2.6. Рацематы.................. 80
3.3. Энантиотопия, диастереотопия. . ......... 82
Глава 4 Общая характеристика реакций органических соединений 88
4.1. Понятие о механизме реакции..... 88
3
11.2. Первичная структура пептидов и белков........ 344
11.2.1. Состав и аминокислотная последовательность...... 345
11.2.2. Строение и синтез пептидов............ 351
11.3. Пространственное строение полипептидов и белков.... 361
Глава 12. Углеводы.................... 377
12.1. Моносахариды................. 378
12.1.1. Строение и стереоизомерия............. 378
12.1.2. Таутомерия..............." . 388
12.1.3. Конформации................. 389
12.1.4. Производные моносахаридов............ 391
12.1.5. Химические свойства............... 395
12.2. Дисахариды.................. 407
12.3. Полисахариды................. 413
12.3.1. Гомополисахариды............... 414
12.3.2. Гетерополисахариды............... 420
Глава 13. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты..........431
13.1. Нуклеозиды и нуклеотиды............. 431
13.2. Структура нуклеиновых кислот........... 441
13.3 Нуклеозидполифосфаты. Никотинамнднуклеотиды..... 448
Глава 14. Липиды и низкомолекулярные биорегуляторы...... 457
14.1. Омыляемые липиды............... 458
14.1.1. Высшие жирные кислоты - структурные компоненты омыля-емых липидов 458
14.1.2. Простые липиды................ 461
14.1.3. Сложные липиды................ 462
14.1.4. Некоторые свойства омыляемых липидов и их структурных компонентов 467
14.2. Неомыляемые липиды 472
14.2.1. Терпены.......... ...... 473
14.2.2. Низкомолекулярные биорегуляторы липидной природы. . . 477
14.2.3. Стероиды................... 483
14.2.4. Биосинтез терпенов и стероидов........... 492
Глава 15. Методы исследования органических соединений...... 495
15.1. Хроматография................. 496
15.2. Анализ органических соединений. . ........ 500
15.3. Спектральные методы............... 501
15.3.1. Электронная спектроскопия............. 501
15.3.2. Инфракрасная спектроскопия............ 504
15.3.3. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса...... 506
15.3.4. Электронный парамагнитный резонанс......... 509
15.3.5. Масс-спектрометрия............... 510
Предисловие
На протяжении многовековой истории развития естествознания установилась тесная
взаимосвязь между- медициной и химией. Происходящее в настоящее время глубокое
взаимопроникновение этих наук приводит к появлению новых научных направлений,
изучающих молекулярную природу отдельных физиологических процессов, молекулярные
основы патогенеза болезней, молекулярные аспекты фармакологии и т. п.
Необходимость познания процессов жизнедеятельности на молекулярном уровне
объяснима, «ибо живая клетка - настоящее царство больших и малых молекул,
непрерывно взаимодействующих, возникающих и исчезающих»*.
Биоорганическая химия изучает биологически значимые вещества и может служить
«молекулярным инструментом» при разностороннем исследовании компонентов клетки.
Биоорганическая химия играет важную роль в развитии современных областей
медицины и является неотъемлемой частью естественнонаучного образования врача.
Прогресс медицинской науки и улучшение здравоохранения связаны с глубокой
фундаментальной подготовкой специалистов. Актуальность такого подхода во многом
определяется превращением медицины в крупную отрасль социальной сферы, в поле
зрения которой находятся проблемы экологии, токсикологии, биотехнологии и т. д.
Ввиду отсутствия в учебных планах медицинских вузов общего курса органической
химии в настоящем учебнике отводится определенное место основам органической
химии, необходимым для усвоения биоорганической химии. При подготовке третьего
издания (2-е - 1992 г.) материал учебника переработан и еще более приближен к
задачам восприятия медицинских знаний. Расширен круг соединений и реакций,
имеющих аналогии в живых организмах. Большее внимание уделено сведениям
экологического и токсикологического характера. Некоторому сокращению подверглись
элементы сугубо химического характера, не имеющие принципиального значения для
медицинского образования, в частности, способы получения органических
соединений, свойства ряда отдельных представителей и т. п. Вместе с тем
расширены разделы, включающие материал о взаимосвязи между структурой
органических веществ и их биологическим действием как молекулярной основы
действия лекарственных средств. Улучшена структура учебника, в отдельные рубрики
вынесен химический материал, имеющий специальное медико-биологическое значение.
Авторы выражают искреннюю благодарность профессорам С. Э. Зурабяну, И. Ю.
Белавину, И. А. Селивановой, а также всем коллегам за полезные советы и помощь в
подготовке рукописи к переизданию.
Привет! Многие студенты медицинских вузов сейчас разбирают биоорганическую химию, она же – БОХ.
В некоторых вузах этот предмет заканчивается зачётом, в некоторых – экзаменом. Иногда бывает, что зачёт в одном вузе сравним по сложности с экзаменом в другом.
В моём университете биоорганическая химия сдавалась как раз экзаменом во время летней сессии в самый конец первого курса. Надо сказать, что БОХ относится к тем предметам, которые поначалу ужасают и могут вселять мысль — «это сдать невозможно». Особенно это конечно касается людей со слабой базой органической химии (а таких в медицинских университетах, как ни странно, довольно много).
Программы изучения биоорганической химии в разных университетах могут очень сильно отличаться, а методики преподавания – ещё сильнее.
Однако требования к студентам везде примерно одинаковые. Если очень упростить, то чтобы сдать биоорганическую химию на 5, вы должны знать названия, свойства, особенности строения и типичные реакции ряда органических веществ.
Наш преподаватель, уважаемый профессор, подавал материал так, будто бы каждый студент был самым лучшим в школе по органической химии (а биоорганическая химия по сути представляет собой усложнённый курс школьной органической химии). Наверное, он был прав в своём подходе, все должны тянуться наверх и стараться быть лучшими. Однако это привело к тому, что некоторые студенты, которые на первых 2-3 парах не понимали материал частично, ближе к середине семестра вообще перестали понимать всё.
Я решил написать этот материал по большей части из-за того, что я как раз и был таким студентом. В школе я очень любил неорганическую химию, а вот с органикой у меня всегда не складывалось. Я даже когда готовился к ЕГЭ, выбрал стратегию усиления всех своих знания по неорганике, в то же время закрепляя только базу органики. Мне кстати это чуть не вышло боком в плане вступительных баллов, но это другая история.
Я не зря сказал про методику преподавания, потому что у нас она была тоже весьма необычная. Нам сразу же, чуть ли не на первой паре, продемонстрировали методички, по которым мы должны были сдавать зачёты и затем экзамен.
Биоорганическая химия — зачёты и экзамен
Весь курс у нас делился на 4 крупных темы, каждая из которых заканчивалась зачётным занятием. Вопросы к каждому из четырёх зачётов у нас уже были с первых пар. Они, конечно же, пугали, однако в то же время они служили своеобразной картой, по которой следует двигаться.
Первый зачёт был совсем элементарный. Он был посвящён, в основном, номенклатуре, тривиальным (бытовым) и международным названиям, и, конечно же, классификации веществ. Также в том или ином виде затрагивались признаки ароматичности.
Второй зачёт после первого казался значительно более сложным. Там необходимо было расписывать свойства и реакции таких веществ, как кетоны, альдегиды, спирты, карбоновые кислоты. Например, одна из типичнейших реакций альдегидов — это реакция серебряного зеркала. Довольно красивое зрелище. Если к какому-либо альдегиду вы добавите реактив Толленса, то есть ОН, то на стенке пробирки вы увидите осадок, напоминающий зеркало, вот как это выглядит:
Третий зачёт на фоне второго не казался таким грозным. Все уже привыкли писать реакции и запоминать свойства по классификациям. В третьем зачёте речь шла о соединениях с двумя функциональными группами – аминофенолы, аминоспирты, оксокислоты и другими. Также в каждом билете был минимум один билет про углеводы.
Четвёртый зачёт по биоорганической химии был почти целиком и полностью посвящён белкам, аминокислотам и пептидным связям. Особой изюминкой были вопросы, на которых требовалось собрать РНК и ДНК.
Кстати, как раз вот так выглядит аминокислота — вы можете увидеть аминогруппу (она подкрашена жёлтым на этом рисунке) и группу карбоксильной кислоты (она сиреневая). Именно с веществами этого класса приходилось иметь дело в четвертом зачёте.
Каждый зачёт сдавался у доски – студент должен без подсказок расписать и пояснить все необходимые свойства в виде реакций. Например, если вы сдаёте второй зачёт, у вас в билете свойства спиртов. Вам преподаватель говорит – возьми пропанол. Вы пишете формулу пропанола и 4-5 типичных реакций, чтобы проиллюстрировать его свойства. Могла быть и экзотика, вроде серосодержащих соединений. Ошибка даже в индексе одного продукта реакции зачастую отправляла дальше учить этот материал до следующей попытки (которая была через неделю). Страшно? Сурово? Конечно!
Однако у такого подхода есть очень приятный побочный эффект. Во время регулярных семинарских занятий приходилось тяжко. Многие сдавали зачёты по 5-6 раз. Но зато на экзамене было очень легко, ведь каждый билет содержал 4 вопроса. Именно, по одному из каждого уже выученного и решённого зачёта.
Поэтому я даже не буду расписывать тонкости подготовки к экзамену по биоорганической химии. В нашем случае вся подготовка сводилась к тому, как мы готовились к самим зачётам. Уверенно сдал каждый из четырёх зачётов – перед экзаменом просто просмотри свои же черновики, распиши ещё самые основные реакции и сразу всё восстановится. Дело в том, что органическая химия — это очень логичная наука. Запоминать нужно не огромные строки реакций, а сами механизмы.
Да, отмечу, что это работает далеко не со всеми предметами. Грозную анатомию не получится сдать, просто почитав свои записи накануне. Ряд других предметов также имеет свои особенности. Даже если в вашем медицинском университете биоорганическая химия преподаётся как-то иначе, возможно, вам нужно будет скорректировать вашу подготовку и осуществлять её немного не так, как делал я. В любом случае, удачи вам, понимайте и любите науку!
ЛЕКЦИЯ 1
Биоорганическая химия (БОХ), ее значение в медицине
БОХ – это наука, изучающая биологическую функцию органических веществ в организме.
БОХ возникла во 2-ой половине ХХ века. Объектами ее изучения служат биополимеры, биорегуляторы и отдельные метаболиты.
Биополимеры – высокомолекулярные природные соединения, которые являются основой всех организмов. Это пептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты (НК), липиды и др.
Биорегуляторы – соединения, которые химически регулируют обмен веществ. Это витамины, гормоны, антибиотики, алкалоиды, лекарственные препараты и др.
Знание строения и свойств биополимеров и биорегуляторов позволяет познать сущность биологических процессов. Так, установление строения белков и НК позволило развить представления о матричном биосинтезе белка и роли НК в сохранении и передаче генетической информации.
БОХ играет большую роль в установлении механизма действия ферментов, лекарств, процессов зрения, дыхания, памяти, нервной проводимости, мышечного сокращения и др.
Основная проблема БОХ – это выяснение взаимосвязи структуры и механизма действия соединений.
БОХ основана на материале органической химии.
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Это наука, изучающая соединения углерода. В настоящее время насчитывается ~ 16 млн. органических веществ.
Причины многообразия органических веществ.
1. Соединения атомов С друг с другом и др. элементами периодической системы Д. Менделеева. При этом образуются цепи и циклы:
Прямая цепь Разветвленная цепь
Тетраэдрическая Плоскостная конфигурация
конфигурация атома С атома С
2. Гомология – это существование веществ с близкими свойствами, где каждый член гомологического ряда отличается от предыдущего на группу
–СН 2 –. Например, гомологический ряд предельных углеводородов:
3. Изомерия – это существование веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение.
А.М. Бутлеров (1861) создал теорию строения органических соединений, которая и по сей день служит научной основой органической химии.
Основные положения теории строения органических соединений:
1) атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в соответствии с их валентностью;
2) атомы в молекулах органических соединений соединяются между собой в определенной последовательности, что обусловливает химическое строение молекулы;
3) свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от химического строения молекул;
4) в молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных;
5) химическое строение вещества можно определить в результате изучения его химических превращений и, наоборот, по строению вещества можно охарактеризовать его свойства.
Рассмотрим некоторые положения теории строения органических соединений.
Структурная изомерия
Она делится:
1) Изомерия цепи
2) Изомерия положения кратной связи и функциональных групп
3) Изомерия функциональных групп (межклассовая изомерия)
Формулы Ньюмена
Циклогексан
Форма «кресла» более энергетически выгодна, чем «ванна».
Конфигурационные изомеры
Это стереоизомеры, молекулы которых имеют различное расположение атомов в пространстве без учета конформаций.
По типу симметрии все стереоизомеры делятся на энантиомеры и диастереомеры.
Энантиомеры (оптические изомеры, зеркальные изомеры, антиподы) – это стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение. Это явление наз-ся энантиомерией. Все химические и физические св-ва энантиомеров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность. Условия энантиомерии: 1) атом С находится в состоянии sp 3 -гибридизации; 2) отсутствие всякой симметрии; 3) наличие асимметрического (хирального) атома С, т.е. атома, имеющего четыре разных заместителя.
Многие окси- и аминокислоты обладают способностью вращать плоскость поляризации луча света влево или вправо. Это явление наз-ся оптической активностью, а сами молекулы оптически активными. Отклонение луча света вправо отмечают знаком «+», влево – «–» и указывают угол вращения в градусах.
Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико-химическими методами.
Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещ-ва, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906), наз-ся вещ-вами D- и L-ряда. Равная смесь право- и левовращающих изомеров одного соединения наз-ся рацематом и оптически неактивна.
Исследования показали, что знак вращения света нельзя связывать с принадлежностью вещ-ва к D- и L-рядам, его определяют только экспериментально в приборах – поляриметрах. Например, L-молочная к-та имеет угол вращения +3,8 о, D- молочная к-та - -3,8 о.
Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера.
L-ряд D-ряд
Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, и наз-ся мезоизомерами.
 |
| Например: Винная к-та |
| D – (+) – ряд L – (–) – ряд | Мезовинная к-та |
Рацемат – виноградная к-та
Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими св-вами, наз-ся s-ди -а -стереоизомерами.
p-Диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле p-связь. Они встречаются у алкенов, непредельных высших карбоновых к-т, непредельных дикарбоновых к-т
Биологическая активность органических вещ-в связана с их строением.
Например:
Цис-бутендиовая к-та, Транс-бутендиовая к-та,
малеиновая к-та – фумаровая к-та – не ядовита,
очень ядовита содержится в организме
Все природные непредельные высшие карбоновые к-ты являются цис-изомерами.
ЛЕКЦИЯ 2
Сопряженные системы
В простейшем случае сопряженные системы – это системы с чередующимися двойными и одинарными связями. Они могут быть открытыми и закрытыми. Открытая система имеется в диеновых углеводородах (УВ).
Примеры:СН 2 = СН – СН = СН 2
Бутадиен-1, 3
ХлорэтенСН 2 = СН – Сl
Здесь происходит сопряжение p-электронов с р-электронами. Этот вид сопряжения наз-ся р, p-сопряжением.
Закрытая система имеется в ароматических УВ.
С 6 Н 6
Ароматичность
Это понятие, включающее различные свойства ароматических соединений. Условия ароматичности: 1) плоский замкнутый цикл, 2) все атомы С находятся в sp 2 – гибридизации, 3) образуется единая сопряженная система всех атомов цикла, 4) выполняется правило Хюккеля: “В сопряжении участвуют 4n+2 p-электронов, где n = 1, 2, 3... ”
Простейший представитель ароматических УВ – бензол. Он удовлетворяет всем четырем условиям ароматичности.
Правило Хюккеля: 4n+2 = 6, n = 1.
Взаимное влияние атомов в молекуле
В 1861 г русский ученый А.М. Бутлеров высказал положение: «Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга». В настоящее время это влияние передается двумя путями: индуктивным и мезомерным эффектами.
Индуктивный эффект
Это передача электронного влияния по цепи s-связи. Известно, что связь между атомами с различной электроотрицательностью (ЭО) поляризована, т.е. смещена к более ЭО атому. Это приводит к появлению на атомах эффективных (реальных) зарядов (d). Такое электронное смещение наз-ся индуктивным и обозначается буквой I и стрелкой ®.
, X = Наl -, НО -, НS -, NН 2 - и др.
Индуктивный эффект может быть положительным или отрицательным. Если заместитель Х притягивает электроны химической связи сильнее, чем атом Н, то он проявляет – I. I(Н) = О. В нашем примере Х проявляет – I.
Если заместитель Х притягивает электроны связи слабее, чем атом Н, то он проявляет +I. Все алкилы (R = СН 3 -, С 2 Н 5 - и т.д.), Ме n + проявляют +I.
Мезомерный эффект
Мезомерный эффект (эффект сопряжения) – это влияние заместителя, передаваемое по сопряженной системе p-связей. Обозначается буквой М и изогнутой стрелкой. Мезомерный эффект может быть «+» или «–».
Выше было сказано, что имеется два вида сопряжения p, p и р, p.
Заместитель, притягивающий электроны из сопряженной системы, проявляет –М и наз-ся электроноакцептором (ЭА). Это заместители, имеющие двой-
 |
ную связь и др.
Заместитель, отдающий электроны в сопряженную систему, проявляет +М и наз-ся электронодонором (ЭД). Это заместители с одинарными связями, имеющие неподеленную электронную пару (и др.).
Таблица 1 Электронные эффекты заместителей
| Заместители | Ориентанты в С 6 Н 5 -R | I | М |
| Аlk (R-): СН 3 -, С 2 Н 5 -... | Ориентанты I рода: направляют ЭД заместители в орто- и пара- положения | + | |
| – Н 2 , –NНR, –NR 2 | – | + | |
| – Н, – Н, – R | – | + | |
| –Н L | – | + | |
|
ЛЕКЦИЯ 3 Кислотность и основность Для характеристики кислотности и основности органических соединений применяют теорию Бренстеда. Основные положения этой теории: 1) Кислота – это частица, отдающая протон (донор Н +); основание – это частица, принимающая протон (акцептор Н +). 2) Кислотность всегда характеризуется в присутствии оснований и наоборот. А – Н + : В Û А – + В – Н + осн-ие к-та СН 3 СООН + НОН Û СН 3 СОО – + Н 3 О + К-та Осн-ие Сопряженное Сопряженная осн-ие к-та НNО 3 + СН 3 СООH Û СН 3 СООН 2 + + NО 3 - К-та Осн-ие Сопряженная Сопряженное к-та осн-ие Кислоты Бренстеда 3) К-ты Бренстеда делятся на 4 вида в зависимости от кислотного центра: SН к-ты (тиолы), ОН к-ты (спирты, фенолы, карбоновые к-ты), NН к-ты (амины, амиды), СН к-ты (УВ). В этом ряду сверху вниз кислотность уменьшается. 4) Сила к-ты определяется стабильностью образующегося аниона. Чем стабильнее анион, тем сильнее к-та. Стабильность аниона зависит от делокализации (распределения) «-» заряда по всей частице (аниону). Чем больше делокализован «-» заряд, тем стабильнее анион и сильнее к-та. Делокализация заряда зависит: a) от электроотрицательности (ЭО) гетероатома. Чем больше ЭО гетероатома, тем сильнее соответствующая к-та. Например: R – ОН и R – NН 2 Спирты более сильные к-ты, чем амины, т.к. ЭО (О) > ЭО (N). б) от поляризуемости гетероатома. Чем больше поляризуемость гетероатома, тем сильнее соответствующая к-та. Например: R – SН и R – ОН Тиолы более сильные к-ты, чем спирты, т.к. атом S более поляризован, чем атом О. в) от характера заместителя R (длины его, наличие сопряженной системы, делокализации электронной плотности). Например: СН 3 – ОН, СН 3 – СН 2 – ОН, СН 3 – СН 2 – СН 2 – ОН Кислотность <, т.к. увеличивается длина радикала
СН 3 – ОН, С 6 Н 5 – ОН, Сила к-ты увеличивается Фенолы являются более сильными к-тами, чем спирты за счет р, p-сопряжения (+М) группы –ОН.
Кроме того карбоксилат-анион более стабилен, чем анион спирта за счет р,p-сопряжения в карбоксильной группе.
Например: р-Нитрофенол более сильная к-та, чем р-аминофенол, т.к. группа –NО 2 является ЭА. СН 3 –СООН ССl 3 –СООН рК 4,7 рК 0,65 Трихлоруксусная к-та во много раз сильнее СН 3 СООН за счет – I атомов Сl как ЭА. Муравьиная к-та Н–СООН сильнее СН 3 СООН за счет +I группы СН 3 – уксусной к-ты. д) от характера растворителя. Если растворитель является хорошим акцептором протонов Н + , то сила Основания Бренстеда 5) Они делятся на: а) p-основания (соединения с кратными связями); б) n-основания (аммониевые, содержащие атом , оксониевые, содержащие атом , сульфониевые, содержащие атом ) Сила основания определяется стабильностью образующегося катиона. Чем стабильнее катион, тем сильнее основание. Другими словами, сила основания тем больше, чем менее прочная связь с гетероатомом (О, S, N), имеющим свободную электронную пару, атакуемую Н + . Стабильность катиона зависит от тех же факторов, что и стабильность аниона, но с обратным действием. Все факторы, усиливающие кислотность, уменьшают основность. Самыми сильными основаниями являются амины, т.к. атом азота имеет меньшую ЭО по сравнению с О. При этом вторичные амины более сильные основания, чем первичные, третичные амины слабее вторичных за счет стерического фактора, затрудняющего доступ протона к N.
Ароматические амины более слабые основания, чем алифатические, что объясняется +М группы –NН 2 . Электронная пара азота, участвуя в сопряжении, становится малоподвижной. Стабильность сопряженной системы затрудняет присоединение Н + . В мочевине NН 2 –СО– NН 2 присутствует ЭА группа > С = О, которая значительно снижает оснóвные св-ва и мочевина образует соли только с одним эквивалентом к-ты. Т.о., чем сильнее к-та, тем слабее образуемое ею основание и наоборот. Спирты Это производные УВ, у которых один или несколько атомов Н замещены на –ОН группу. Классификация: I. По количеству групп ОН различают одноатомные, двухатомные и многоатомные спирты: СН 3 -СН 2 -ОН Этанол Этиленгликоль Глицерин
II. По характеру R различают: 1) предельные, 2) непредельные, 2) СН 2 = СН-СН 2 -ОН Аллиловый спирт
ретинол (витамин А) и холестерин
витаминоподобное в-во |
При одинаковом кислотном центре сила спиртов, фенолов и карбоновых к-т не одинакова. Например,
Связь О–Н более поляризуется в фенолах. Фенолы могут взаимодействовать даже с солями (FеС1 3) – качественная реакция на фенолы. Карбоновые
г) от введения заместителей в радикал. ЭА заместители увеличивают кислотность, ЭД заместители уменьшают кислотность.
3) К непредельным циклическим спиртам относятся:
ИнозитIII. По положению гр. –ОН различают первичные, вторичные и третичные спирты.
IV. По количеству атомов С различают низкомолекулярные и высокомолекулярные.
СН 3 –(СН 2) 14 –СН 2 –ОН (С 16 Н 33 ОН) СН 3 –(СН 2) 29 –СН 2 ОН (С 31 Н 63 ОН)
Цетиловый спирт Мирициловый спирт
Цетилпальмитат – основа спермацета, мирицилпальмитат содержится в пчелином воске.
Номенклатура:
Тривиальная, рациональная, МН (корень+окончание «ол»+арабская цифра).
Изомерия:
цепи, положения гр. –ОН, оптическая.
Строение молекулы спирта
СН-кислотный Nu центр
Электрофильный Центр Кислотный
центр основности центр
Р-ции окисления
1) Спирты – слабые кислоты.
2) Спирты – слабые основания. Присоединяют Н + лишь от сильных кислот, но они более сильные Nu.
3) –I эффект гр. –ОН увеличивает подвижность Н у соседнего углеродного атома. Углерод приобретает d+ (электрофильный центр, S Е) и становится центром нуклеофильной атаки (Nu). Связь С–О рвется более легко, чем Н–О, поэтому характерными для спиртов явл-ся р-ции S N . Они, как правило, идут в кислой среде, т.к. протонирование атома кислорода увеличивает d+ атома углерода и облегчает разрыв связи. К этому типу относятся р-ции образования эфиров, галогенопроизводных.
4) Смещение элекронной плотности от Н в радикале приводит к появлению СН-кислотного центра. В этом случае идут р-ции окисления и элиминирования (Е).
Физические св-ва
Низшие спирты (С 1 –С 12) – жидкости, высшие – твердые вещ-ва. Многие св-ва спиртов объясняются образованием Н-связи:
Химические св-ва
I. Кислотно-оснóвные
Cпирты – слабые амфотерные соединения.
2R–ОН + 2Nа ® 2R–ОNа + Н 2
Алкоголят
Алкоголяты легко гидролизуются, что показывает – спирты более слабые кислоты, чем вода:
R– ОNа + НОН ® R–ОН + NаОН
Оснóвный центр в спиртах – гетероатом О:
СН 3 -СН 2 -ОН + Н + ® СН 3 -СН 2 - -Н ® СН 3 -СН 2 + + Н 2 ОЕсли р-ция идет с галогеноводородами, то присоединяться будет галогенид-ион: СН 3 -СН 2 + + Сl - ® СН 3 -СН 2 Сl
НС1 RОН R-СООН NН 3 С 6 Н 5 ОNа
С1 - R-О - R-СОО - NН 2 - С 6 Н 5 О -
Анионы в таких р-циях выступают в качестве нуклеофилов (Nu) за счет «-» заряда или неподеленной электронной пары. Анионы являются более сильными основаниями и нуклеофильными реагентами, чем сами спирты. Поэтому на практике для получения простых и сложных эфиров используются –алкоголяты, а не сами спирты. Если нуклеофилом является другая молекула спирта, то она присоединяется к карбокатиону:
|
Это р-ция алкилирования (введение алкила R в молекулу).
Заместить –ОН гр. на галоген можно при действии РСl 3 , РСl 5 и SОСl 2 .
По такому механизму легче реагируют третичные спирты.
Р-цией S Е по отношению к молекуле спирта является р-ция образования сложных эфиров с органическими и минеральными к-тами:
R – О Н + Н О – R – О – + Н 2 О
Это р-ция ацилирования – введение ацила в молекулу.
СН 3 -СН 2 -ОН + Н + СН 3 -СН 2 - -Н СН 3 -СН 2 +При избытке Н 2 SО 4 и более высокой температуре, чем в случае р-ции образования простых эфиров, идет регенерация катализатора и образуется алкен:
СН 3 -СН 2 + + НSО 4 - ® СН 2 = СН 2 + Н 2 SО 4
Легче идет р-ция Е для третичных спиртов, труднее для вторичных и первичных, т.к. в последних случаях образуется менее стабильные катионы. В данных р-циях выполняется правило А. Зайцева: «При дегидратации спиртов атом Н отщепляется от соседнего атома С с меньшим содержанием атомов Н».
СН 3 -СН = СН -СН 3
Бутанол-2
В организме гр. –ОН превращается в легкоуходящую путем образования эфиров с Н 3 РО 4:
СН 3 -СН 2 -ОН + НО–РО 3 Н 2 СН 3 -СН 2 -ОРО 3 Н 2IV. Р-ции окисления
1) Первичные и вторичные спирты окисляются СuО, растворами КМnО 4 , К 2 Сr 2 О 7 при нагревании с образованием соответствующих карбонилсодержащих соединений:
Нитроглицерин – бесцветная маслянистая жидкость. В виде разбавленных спиртовых растворов (1%) применяется при стенокардии, т.к. оказывает сосудорасширяющее действие. Нитроглицерин – сильное взрывчатое вещество, способное взрываться от удара или при нагревании. При этом в малом объеме, который занимает жидкое вещество, мгновенно образуется очень большой объем газов, что и вызывает сильную взрывную волну. Нитроглицерин входит в состав динамита, пороха.
Представители пентитов и гекситов – ксилит и сорбит – соответственно, пяти- и шестиатомные спирты с открытой цепью. Накопление –ОН групп ведет к появлению сладкого вкуса. Ксилит и сорбит – заменители сахара для больных диабетом.
Глицерофосфаты – структурные фрагменты фосфолипидов, применяются как общеукрепляющее средство.
Бензиловый спирт
Изомеры положения
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя в основном методы органической и физической химии, а также физики и математики. Биоорганическая химия полностью охватывает химию природных соединений и частично пересекается с биохимией и молекулярной биологией. Объектами её изучения служат биологически важные природные соединения - главным образом биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и смешанные биополимеры) и низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, антибиотики, токсины и так далее, а также синтетические аналоги природных соединений, лекарственные препараты, пестициды и др.
Биоорганическая химия сформировалась как самостоятельная область во 2-й половине 20 века на стыке биохимии и органической химии на основе традиционной химии природных соединений. Её становление связано с именами Л. Полинга (открытие α-спирали и β-структуры как главных элементов пространственной структуры полипептидной цепи в белках), А. Тодда (выяснение химического строения нуклеотидов и первый синтез динуклеотида), Ф. Сенгера (разработка метода определения аминокислотной последовательности в белках и расшифровка с его помощью первичной структуры инсулина), В. Дю Виньо (выделение, установление структуры и химический синтез пептидных гормонов - окситоцина и вазопрессина), Д. Бартона и В. Прелога (конформационный анализ), Р. Вудворда (полный химический синтез многих сложных природных соединений, в том числе резерпина, хлорофилла, витамина В 12) и др.; в СССР огромную роль сыграли работы Н. Д. Зелинского, А. Н. Белозерского, И. Н. Назарова, Н. А. Преображенского и др. Инициатором исследований по биоорганической химии в СССР в начале 1960-х годов явился М. М. Шемякин. Им, в частности, были начаты работы (впоследствии получившие широкое развитие) по изучению циклических депсипептидов, выполняющих функцию ионофоров. Лидером отечественной биоорганической химии в 1970-80-х годах стал Ю.А. Овчинников, под руководством которого было установлено строение десятков белков, в том числе мембранных (впервые) - бактериородопсина и зрительного родопсина быка.
К основным направлениям биоорганической химии относятся:
1. Разработка методов выделения и очистки природных соединений. При этом для контроля за степенью очистки часто используют специфическую биологическую функцию изучаемого вещества (например, чистоту антибиотика контролируют по его антимикробной активности, гормона - по его влиянию на определённый биологический процесс и так далее). При разделении сложных природных смесей часто применяют методы высокоэффективной жидкостной хроматографии и электрофореза. С конца 20 века вместо поиска и выделения отдельных компонентов проводят тотальный скрининг биологических образцов на максимально возможное число компонентов того или иного класса соединений (смотри Протеомика).
2. Определение структуры изучаемых веществ. Под структурой понимают не только установление природы и порядок связи атомов в молекуле, но и их пространственное расположение. Для этого используют различные методы, в первую очередь химические (гидролиз, окислительное расщепление, обработка специфическими реагентами), позволяющие получать более простые вещества с известной структурой, по которым реконструируют структуру исходного вещества. Широко применяют автоматические устройства, обеспечивающие быстрое решение стандартных задач, особенно в химии белков и нуклеиновых кислот: анализаторы для количественного определения аминокислотного и нуклеотидного состава и секвенаторы для выяснения последовательности аминокислотных остатков в белках и нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Важную роль при изучении структуры биополимеров играют ферменты, особенно те, которые специфически расщепляют их по строго определённым связям (например, протеиназы, катализирующие реакции расщепления пептидных связей по остаткам глутаминовой кислоты, пролина, аргинина и лизина, или рестриктазы, специфически расщепляющие фосфодиэфирные связи в полинуклеотидах). Сведения о строении природных соединений получают также с помощью физических методов исследования - главным образом масс-спектрометрии, ядерного магнитного резонанса и оптической спектроскопии. Повышение эффективности химических и физических методов достигается благодаря одновременному анализу не только природных соединений, но и их производных, содержащих характерные, специально вводимые группировки и меченые атомы (например, путём выращивания бактерий - продуцентов того или иного соединения на среде, содержащей предшественников этого соединения, обогащённых стабильными или радиоактивными изотопами). Достоверность данных, получаемых при изучении сложных белков, значительно повышается при одновременном исследовании строения соответствующих генов. Пространственную структуру молекул и их аналогов в кристаллическом состоянии исследуют методом рентгеноструктурного анализа. Разрешение в ряде случаев достигает значений менее 0,1 нм. Для растворов наиболее информативен метод ЯМР в сочетании с теоретическим конформационным анализом. Добавочную информацию дают оптические спектральные методы анализа (электронные и флуоресцентные спектры, спектры кругового дихроизма и др.).
3. Синтез как самих природных соединений, так и их аналогов. Во многих случаях химический или химико-ферментативный синтез является единственным способом получения нужного вещества в больших (препаративных) количествах. Для относительно простых низкомолекулярных соединений встречный синтез служит важным критерием правильности ранее определённой структуры. Созданы автоматические синтезаторы белков и полинуклеотидов, позволяющие значительно сокращать время синтеза; с их помощью синтезирован ряд белков и полинуклеотидов, содержащих несколько сотен мономерных звеньев. Химический синтез - основной способ получения лекарственных препаратов неприродного происхождения. В случае природных веществ он часто дополняет биосинтез или конкурирует с ним.
4. Установление клеточной и молекулярной мишени, на которую направлено действие биологически активного вещества, выяснение химического механизма его взаимодействия с живой клеткой и её компонентами. Понимание молекулярного механизма действия необходимо для продуктивного использования биомолекул, с их зачастую чрезвычайно высокой активностью (например, токсинов), в качестве инструментов исследования биологических систем; оно служит основой для направленного синтеза новых, практически важных веществ с заранее заданными свойствами. В ряде случаев (например, при изучении пептидов, влияющих на деятельность нервной системы) получаемые таким образом вещества обладают многократно усиленной, по сравнению с исходным природным прототипом, изменённой в нужном направлении активностью.
Биоорганическая химия тесно связана с решением практических задач медицины и сельского хозяйства (получение витаминов, гормонов, антибиотиков и других лекарственных средств, стимуляторов роста растений, регуляторов поведения животных, в том числе насекомых), химической, пищевой и микробиологической промышленности. В результате сочетания методов биоорганической химии и генетической инженерии стало возможным практическое решение проблемы промышленного получения сложных, биологически важных веществ белково-пептидной природы, включая такие высокомолекулярные, как инсулин человека, α-, β- и γ-интерфероны, гормон роста человека.
Лит.: Дюга Г., Пенни К. Биоорганическая химия. М., 1983; Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. М., 1996.