Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

posobia2 / Лекции по биоорганической химии (2011 г

.).pdf
Скачиваний:
151
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
2.12 Mб
Скачать

Министерство здравоохранения Республики Беларусь

Учреждение образования

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей и биоорганической химии

Н.Д. Павловский

ЛЕКЦИИ ПО БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Пособие для студентов лечебного и педиатрического факультетов

Гродно

ГрГМУ

2011

УДК 577.1

ББК П12

Рекомендовано Центральным научно-методическим советом УО «ГрГМУ» (протокол № 3 от 01. 12. 2011 г.).

Автор: доц. каф. общей и биоорганической химии, канд. хим. наук Н. Д. Павловский.

Рецензент: зав. каф. биологиче6ской химии УО «ГрГМУ», профессор, д-р мед. наук В.В. Лелевич.

Павловский, Н.Д.

П12 Лекции по биоорганической химии : пособие для студентов лечебного и педиатрического факультетов / Н.Д. Павловский. – Гродно : ГрГМУ, 2011. – 200 с.

ISBN 978-985-496-906-0

В пособии изложены предмет и задачи биоорганической химии, общие вопросы реакционной способности органических молекул, механизмы протекания органических реакций. Рассмотрены вопросы изомерии органических соединений, свойства гетеро- и полифункциональных соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности. Приведены классификация, строение и свойства природных соединений, участвующих в процессах метаболизма – углеводов, аминокислот, белков, липидов.

Данное пособие предназначено для студентов лечебного и педиатрического факультетов.

УДК

ББК

ISBN 978-985-496-906-0

© Павловский, Н.Д., 2011

 

© УО «ГрГМУ», 2011

2

ЛЕКЦИЯ № 1

Предмет и задачи биоорганической химии. Взаимное влияние атомов и способы его передачи в органических молекулах. Сопряженные системы, ароматичность, электронные эффекты заместителей

Биоорганическая химия изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя методы органической и физической химии, а также физики и математики. Как самостоятельная наука, биоорганическая химия сформировалась во второй половине ХХ века на стыке биохимии и органической химии, на основе традиционной химии природных соединений. Объектами изучения являются биологически важные природные и синтетические соединения, главным образом биополимеры, а также витамины, гормоны, антибиотики, природные феромоны и сигнальные вещества, биологически активные вещества растительного происхождения, внутриклеточные регуляторы, а также синтетические регуляторы биологических процессов – лекарственные препараты, пестициды, инсектициды и другие соединения.

Косновным задачам биоорганической химии относятся:

1.Разработка методов выделения и очистки природных соединений.

2.Определение строения и конфигурации изучаемого соединения.

3.Разработка методов синтеза как самих природных биологически важных веществ, так и их аналогов.

4.Изучение зависимости биологического действия от строения.

5.Выяснение химизма взаимодействия биологически активного вещества с живой клеткой или с ее компонентами.

3

Биоорганическая химия тесно связана с практическими задачами медицины и сельского хозяйства (получение витаминов, гормонов, антибиотиков, стимуляторов роста растений, регуляторов поведения насекомых и животных), химической, пищевой и микробиологической промышленности.

Сопряженные системы, виды сопряжения

Сопряженными системами называются соединения, в которых есть чередование двойных и ординарных связей. Простейшим примером такой системы является молекула бутадиена-1,3. Из структурной формулы видно, что в молекуле содержатся одна ординарная и две двойные связи углерод-углерод, которые должны иметь длины связей, соответственно, 0,153 нм и 0,132 нм, что характерно для длин ординарной и двойной связей углерод-углерод в алканах и алкенах. Физическими методами исследований было установлено, что длины связей между атомами С1 и С2, а также между С3 и С4 равны 0,135 нм, а длина связи между атомами С2 и С3 равна 0, 146 нм, молекула плоская, углы между связями равны 120 . Эти особенности объясняются возникновением сопряженной системы. Атомные орбитали всех атомов углерода в молекуле бутадиена-1,3 находятся в состоянии sp2- гибридизации, в результате которой каждый из них имеет три гибридные орбитали, лежащие в одной плоскости под углом 120 и одну негибридную р-орбиталь, располагающуюся перпендикулярно этой плоскости.

H2C1

C2H C3H C4H2

H

H

H

H

 

 

 

 

 

H

H

Пространственное строение бутадиена-1,3

4

Так как молекула имеет плоскую конфигурацию, то все -связи, образованные с участием гибридных орбиталей, лежат в одной плоскости, а негибридные р-орбитали расположены перпендикулярно плоскости молекулы и параллельно между собой. Образование -связей между атомами С1 и С2 и между атомами С3 и С4 происходит за счет двукратного перекрывания р-орбиталей с обеих сторон относительно плоскости молекулы, но так как все р-орбитали параллельны, то в молекуле имеет место дополнительное взаимодействие – перекрывание р-орбиталей между атомами С2 и С3, сопровождающееся выделением энергии, которая называется энергией сопряжения. В результате этого дополнительного перекрывания происходит перераспределение - электронной плотности в молекуле и возникает делокализованная (сопряженная) -система. При этом между атомами С1 и С2, а также С3 и С4 -электронная плотность уменьшается, что приводит к увеличению длины этих связей в сравнении с длиной двойной связи С=С в алкенах, а между атомами С2 и С3 – -электронная плотность увеличивается, что приводит к уменьшению длины связи в сравнении с длинами ординарных связей С-С в алканах.

H2C CH CH CH2 H2C CH CHCH2

Делокализация -электронной плотности в бутадиене-1,3

В реальной молекуле бутадиена-1,3 нет двойных или ординарных связей, все четыре р-электрона делокализованы по всей системе сопряжения, охватывающей углеродный скелет.

Таким образом, под термином сопряжение понимают делокализацию (перераспределение) -электронной плотности в

5

молекуле, приводящую к изменению длин связей и увеличению ее устойчивости за счет выделения энергии. Различают два типа сопряжения: , - и p, -сопряжение, которые могут возникать как в циклических, так и ациклических молекулах.

, -Сопряжение возникает, если в сопряжении участвуют р- орбитали, образующие -связи. В рассмотренной выше молекуле бутадиена-1,3 в сопряжении участвовали четыре электрона атомов углерода, расположенные на р-орбиталях, образующих -связи, таким образом, можно сделать вывод о том, что в этом случае имеет место, -сопряжение.

 

O

H

 

H

H

 

 

H

 

 

 

 

 

H2C CH C CH

 

 

 

 

H C CH C

 

 

С C

 

 

 

 

 

 

 

 

С

C

 

 

 

2

 

H

 

 

H

 

C

 

 

 

H

 

C O

 

 

C

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

акролеин

винилацетилен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примеры систем, имеющих , -сопряжение

В молекулах акролеина и винилацетилена сопряженная система возникает при участии четырех р-орбиталей, на которых находятся четыре электрона. В акролеине в , -сопряжении задействованы три р- орбитали атомов от трех атомов углерода, находящихся в sp2- гибридизации, и р-орбиталь атома кислорода. В винилацетилене в , - сопряжении участвуют две р-орбитали от двух атомов углерода, находящихся в sp2-гибридизации, и две р-орбитали от двух атомов углерода, находящихся в sp-гибридизации.

, -Сопряжение может быть и в циклических молекулах.

6

H

H

H

H

 

 

 

H

H

H

H

 

 

 

 

H

H

H

H

 

бензол

 

H

H

 

нафталин

 

 

 

 

Примеры циклических систем, имеющих , -сопряжение

В молекуле бензола в , -сопряжении участвуют шесть р- орбиталей от шести атомов углерода, находящихся в sp2-гибридизации, на которых делокализуются шесть электронов. В молекуле нафталина в, -сопряжении участвуют десять р-орбиталей с десятью электронами.

р, -Сопряжение возникает, если в сопряжение с р-орбиталями, образующими -связи, вступает р-орбиталь, не участвующая в образовании связей, причем эта р-орбиталь может быть вакантной или на ней могут находиться один или два электрона.

H2C CHBr

H

H

 

H

С C

винилбромид

Br

 

В молекуле винилбромида в р, -сопряжении участвуют две р- орбитали атомов углерода, образующие -связь, и р-орбиталь атома брома, не участвующая в образовании -связи. Таким образом, в молекуле винилбромида на трех р-орбиталях делокализуются четыре электрона.

Н2С СН СН2

H

H

 

 

аллильный катион

H

С C C H

 

 

H

В аллильном катионе в р, -сопряжении участвуют две р-орбитали атомов углерода, образующие -связь, и вакантная р-орбиталь атома

7

углерода, несущего положительный заряд. На трех р-орбиталях делокализуются два электрона и положительный заряд.

Н2С СН СН2

H

H

аллильный радикал

H

С C C H

 

 

H

В аллильном радикале в создании сопряженной системы участвуют две р-орбитали, образующие -связь, и р-орбиталь sp2- гибридизированного атома углерода, имеющая неспаренный электрон. На трех р-орбиталях делокализуются три электрона.

Как и , -сопряжение, р, -сопряжение может иметь место в циклических системах.

OO

фуран

В молекуле фурана р-орбиталь атома кислорода, несущая неподеленную пару электронов, вступает в сопряжение внутри цикла с четырьмя р-орбиталями атомов углерода, образующими –связи. В итоге возникает сопряженная система, в которой на пяти р-орбиталях делокализованы шесть электронов.

OH

H

H

H O H

H H

фенол

В молекуле фенола р-орбиталь атома кислорода, имеющая неподеленную пару электронов, вступает в р, -сопряжение с р- орбиталью атома углерода, которая участвует в , -сопряжении внутри

8

цикла. В этом случае возникает сопряженная система, в которой на семи р-орбиталях делокализованы восемь электронов.

Степень термодинамической устойчивости молекул характеризуется энергией сопряжения. Энергия сопряжения (энергия делокализации) – это та часть энергии, которую молекула теряет в результате сопряжения. Чем больше энергия сопряжения, тем стабильнее сопряженная система. Один из способов определения этой величины состоит в сравнении теплоты гидрирования бензола с ее расчетным значением, основанным на предположении о том, что бензол содержит три изолированные двойные связи:

Теплота гидрирования циклогесена

-120 кДж/моль

Рассчитанная величина для бензола

3 (-120) = -360 кДж/моль

Экспериментальная теплота гидрирования бензола

-209 кДж/моль

Энергия сопряжения бензола

-209 –(-360) = 151 кДж/моль

Энергия сопряжения других ароматических соединений может быть определена таким же способом.

Формула

Название

Энергия

Формула

Название

Энергия

 

соединения

сопряжения

 

соединения

сопряжения

 

Бензол

151

 

Пиридин

96

 

 

 

N

 

 

 

Нафталин

255

 

Пиррол

89

 

 

 

N

 

 

 

 

 

H

 

 

 

Антрацен

349

 

Тиофен

120

 

 

 

S

 

 

 

Фенантрен

382

 

Фуран

66

 

 

 

O

 

 

9

В природе часто встречаются сопряженные системы. Чем длиннее сопряженная система, тем большее количество энергии выделяется при сопряжении, и в итоге получается более стабильная система.

-каротин - предшественник витамина А

 

 

 

 

 

 

СН2ОН

 

 

 

CH2OH

 

 

 

 

 

 

HO

 

 

 

CH OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H3C

N

витамин А1 (ретинол)

витамин В6 (пиридоксин)

Примеры природных сопряженных систем

Ароматичность, критерии ароматичности

Среди циклических соединений с сопряженной системой двойных связей выделяют ароматические соединения, характеризующиеся повышенной термодинамической устойчивостью и особыми свойствами (низкая реакционная способность в реакциях присоединения, сравнительная легкость реакций замещения, сохраняющих сопряженную систему, устойчивость к окислению и другие). Соединение обладает ароматичностью, если:

-имеет плоский цикл, все атомы которого находятся в состоянии sp2-гибридизации;

-образуется сопряженная система -электронов, охватывающая все атомы цикла;

-число электронов N(e), участвующих в сопряжении, удовлетворяет правилу Хюккеля: N(e) = 4n +2, где n = 0,1,2,3 и т.д.

10