posobia2 / Лекции по биоорганической химии (2011 г
.).pdfМинистерство 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