ДЗ Химия / Занятие 2

ЗАНЯТИЕ № 2

Методические указания для студентов

по теме «Сопряжение как фактор, определяющий устойчивость биологически активных молекул. Природные структуры, содержащие сопряжённые связи (β-каротин, астаксантин, порфирины, флавоноиды, ароматические и гетероциклические соединения). Электронные эффекты, определяющие формирование реакционных центров в молекулах биоорганических соединений »

Цель занятия: Изучить проявление эффектов сопряжения как фактора, повышающего стабильность биологически значимых соединений, понимать механизм формирования реакционных центров под влиянием электронных эффектов заместителей.

Значение изучения темы: Изучение данного вопроса имеет большое практическое значение в плане понимания устойчивости и реакционной способности органических веществ.

Многие биологически активные соединения, такие как ретиналь, ретинол, порфин, ненасыщенные карбоновые кислоты, пиррол, пиридин, пурин, ряд ферментов являются термодинамически устойчивыми благодаря эффектам сопряжения химических связей.

Особый интерес представляют системы с замкнутой цепью сопряжения, что обуславливает ряд свойств, совокупность которых называется ароматичностью. Ароматичность определяет тип реакции замещения, а не присоединения, устойчивость к действию окислителей и температуры.

Реакционная способность ароматических соединений может изменяться под влиянием электронных эффектов заместителей. Это обстоятельство используется для создания реакционных центров при синтезе лекарственных веществ.

I. Теоретические вопросы для самостоятельной работы

1. Сопряженные системы с открытой цепью сопряжения. Энергия сопряжения. Термодинамическая устойчивость сопряженных систем. Типы сопряжений(- и -р сопряжения. Сопряжение в молекулах бутадиена-1,3, акролеина, ретиналя, β-каротина, астаксантина.

2. Системы с замкнутой цепью сопряжения. Критерии ароматичности (правило Хюккеля).

3. Гетероциклические ароматические соединения (пиррол, фуран, тиофен). Понятие о пиррольном атоме азота. Порфириновая структура как основа гемоглобина.

4. Шестичленные гетероциклические соединения. Понятие о пиридиновом атоме азота. Примеры данных соединений и их роль в биологических процессах.

5. Электронные эффекты заместителей в алифатических и ароматических соединениях Индуктивный и мезомерный эффекты.

6. Природа заместителей I рода (электронодоноры) и II рода (электроноакцепторы). Их роль в создании реакционных центров, в молекулах органических веществ

II. Обучающие упражнения

Задание 1 Что такое положительный и отрицательный мезомерный эффект? Покажите действие этого эффекта в молекулах пропеновой и п-гидроксибензойной кислоты.

Ответ: Заместители, повышающие электронную плотность в сопряженной системе, проявляют положительный мезомерный эффект (+М). В данных примерах положительный мезомерный эффект проявляет группа –ОН. Заместитель –СООН проявляет отрицательный мезомерный эффект (-М), т.к. понижает электронную плотность в сопряженной системе.

Задание 2 Дано соединение:

	а) приведите название соединения; б) сколько в соединении π- и σ-связей; в) укажите тип сопряжения; г) укажите виды и знак электронных эффектов; д) изобразите молекулу с учетом распределения частичных зарядов и обозначение индуктивного и мезомерного эффектов. е) какие реагенты будут поступать в образующиеся реакционные центры
	Ответы к вопросам: а) аминобензол (анилин); б) 14 σ-связей и 3 π -связи; в) π – р сопряжение между NH2 и π -связями кольца; г) –NH2 +М (положительный мезомерный эффект) преобладающий над -J; д) см. рисунок е) в положения 2,4,6 будут поступать электрофильные (Е^+) частицы

Задание 3 Вашему вниманию предложена структура витаминного препарата (лекарственного средства)

а) Укажите характеристические группы в структуре данного соединения. Приведите историческое название.

б) Укажите индуктивный и мезомерный эффекты.

в) Отметьте биологическую роль данного соединения.

г) Запишите химизм процесса зрительного восприятия при участии ретинола.

Вариант ответа:

а) Жирорастворимый витамин А (ретинол).

б) Имеется пять метильных групп, обладающих положительным индуктивным эффектом. Спиртовая группировка обладая отрицательным индуктивным эффектом оттягивает на себя электронную плотность.

в) Витамин группы А считается фактором роста. Его недостаток в пище вызывает исхудание, высыхание роговицы глаза (куриную слепоту), понижает сопротивляемость организма инфекции.

г) В организме ретинол окисляется в альдегид 11-транс-ретиналь, который под действием фермента ретинальизомеразы превращается в 11-цис-ретиналь, а затем связывается с белком палочек сетчатки опсином в иминосоединение с образованием светочувствительного пигмента родопсина. При поглощении света в результате фотоизомеризации ретинальный компонент родопсина переходит в 11-транс-ретиналь, его конформация существенно изменяется и он отделяется от опсина. Эта реакция служит пусковым механизмом, обеспечивающим возбуждение палочек сетчатки глаза.

III. Задания для самостоятельной работы

Задание1. Приведите примеры сопряженных систем с открытой цепью (бутадиен-1,3, пентадиен-1,3), α-β-ненасыщенных карбонильных соединений и карбоновых кислот (акролеин, акриловая кислота, бутен-2-авая кислота). Укажите тип сопряжения (π-π или π-р) и графическое изображение электронных эффектов для несимметричных алкадиенов. Приведите реакцию гидратации бетен-2-овой кислоты. Обоснуйте направление реакции на основании распределения электронной плотности.

Задание 2. Напишите формулу цитраля (3,7-диметилоктадиен-2,6-аль), входящего в состав лекарственных средств, применяемых для лечения глаз. Проявляется ли эффект сопряжения в данной системе? Покажите электронные эффекты.

Задание 3.

Укажите вид и знак электронных эффектов заместителей в молекуле пиридоксаля – витамина группы В (витамин В₆).

Задание 4. Приведите формулы гетероциклов: пиррол, имидазол, пиридин, хинолин.

Укажите, какие из гетероатомов играют роль электронодоноров, какие – электроноакцепторов.

Задание 5. Напишите структуру триптофана (3-β-индолил-2-аминопропановая кислоты).

• установите природу гетероатома в структуре аминокислоты, приведите графическое изображение электронных эффектов всех функциональных групп;

• докажите соответствие триптофана критериям ароматичности.

IV. Выполнение самостоятельной аудиторной работы «Сопряжение как фактор, определяющий устойчивость биологически активных молекул»

V. Подведение итогов занятия.

VI. Домашнее задание: Кислотно-основные свойства биоорганических соединений: спиртов, тиолов, аминов, карбоновых кислот. Амфолиты. Типы взаимодействий между кислотными и основными центрами биологически активных молекул. Роль воды в ионизации молекул. Водородные связи между кислотными и основными центрами молекул

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. , Зурабян С.Э. .Биоорганическая химия. Учебник. ГЭОТАР-Медиа. 2010 – 416 с.

2. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И., Зурабян С.Э. .Биоорганическая химия. Учебник. М., ГЭОТАР-Медиа.- 2009 – 416 с.

Дополнительная литература

1. Попков В.А., Пузаков С.А. Общая химия. Учебник для вузов, - М., ГЭОТАР - Медиа, 2007 - 976 с.

2. Биоорганическая химия: руководство к практическим занятиям: учебное пособие / ред. Н.А. Тюкавкина, Бауков Ю.И., Зурабян С.Э. - М., ГЭОТАР - Медиа, 2010 г. – 168 с.

Методическая рекомендация переработана 20 января 2012г.

Зав.кафедрой общей и биоорганической химии, д.х.н. Сторожок Н.М.

4