ГБОУ ВПО КИРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ

КОМИ ФИЛИАЛ

Кафедра химии, физики и биологии

Рабочая тетрадь для записи лекций по дисциплине «Основы биоорганической химии»

для студентов 1 курса лечебного факультета

Ф. И. О. _____________________

N группы ___________________

Сыктывкар 2012

Составители: доценты кафедры химии, физики и биологии Коми Филиала Кировской ГМА Е.И. Казакова и Н.И. Никитина.

Содержание

Классификация и номенклатура органических соединений…………........ Характеристика связей. Сопряжение. Ароматичность……………………. Кислотность и основность органических соединений………………......... Основные закономерности протекания органических реакций………….. Механизмы органических реакций……………………………………......... Реакции нуклеофильного замещения………………………………………. Реакции нуклеофильного присоединения…………………………………..

3 11 14 19 22 30 36

Введение

Биоорганическая химия

изучает строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, в непосредственной связи с познанием их биологических функций.

Объекты биоорганической химии

Биополимеры (и их структурные компоненты) - высокомолекулярные природные соединения, служащие структурной основой живых организмов (пептиды и белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды).

Биорегуляторы – соединения, регулирующие обмен веществ (витамины, гормоны, синтетические биологически активные вещества, в том числе и лекарственные вещества).

Тема: Классификация и номенклатура органических соединений

В основе классификации приняты два важнейших признака: строение углеродного скелета и наличие в молекуле функциональных групп.

В органических молекулах атомы углерода соединяются друг с другом, образуя «каркас» молекулы, называемый также углеродным скелетом или цепью. Цепи бывают открытыми и замкнутыми (циклическими); открытые цепи могут быть неразветвленными (нормальными) и разветвленными.

По строению углеродного скелета органические соединения делятся на три большие группы:

1. ациклические (алифатические) – имеют открытую углеродную цепь;

2. карбоциклические – имеют закрытую углеродную цепь (кольцо).

3. гетероциклические (от греч. heteros – другой) – содержат в цикле кроме атомов углерода атомы других элементов (чаще O, N, S).

Функциональная группа – это атом или группа атомов неуглеводородного характера, которые определяют принадлежность соединения к определенному классу. Полифункциональные соединения содержат несколько функциональных групп.

Гетерофункциональные соединения содержат различные по природе функциональные группы.

Функциональная группа			Название класса		Общая формула класса
Формула	Название
-F,-Cl,-Br,-I -OH -OR -SH -SR -NH2 -NO2 -CO -COOH -SO3H -CN -COOR -CONH2	галогены гидроксильная алкоксильная тиольная алкилтиольная амино нитро карбонильная карбоксильная сульфо циано алкоксикарбонильная карбоксамидная		галогенпроизводные спирты, фенолы простые эфиры тиолы (меркаптаны) тиоэфиры амины нитросоединения альдегиды, кетоны карбоновые кислоты сульфокислоты нитрилы сложные эфиры амиды		R-Hal R-OH R-OR’ R-SH R-SR’ R-NH2 R-NO2 R-CHO, RCOR R-COOH R-SO3H R-CN R-COOR R-CONH2
Структура		Номенклатура
		Заместительная (ИЮПАК)		Тривиальная		Рациональная
С2Н5Сl С2Н5OH С2Н5OС2Н5 С2Н5-O-CH3 С2Н5SH С2Н5SСН3 (СН5)2CH-NH2 СН3NO2 НСHO С6Н5СHO СН3-CO-СН3 НСOOH СН3СOOH С6Н5-SO3H СН3-CN СН3СOOС2Н5 Н-СO-NH2

Органический радикал – остаток молекулы, из которой удалены 1, 2… или несколько атомов водорода, при этом остаются 1 или несколько валентностей:

Родоначальная структура – химическая структура, составляющая основу названия (главная углеродная цепь или цикл).

Характеристическая группа – функциональная группа, связанная с родоначальной или частично входящая в нее.

Заместитель – любой атом или группа атомов, замещающая в исходном соединении атом водорода (заместитель может быть и характеристической группой и углеводородным радикалом).

Порядок старшинств функциональных групп и их название

Характеристи-ческая группа	Префикс	Суффикс
(C)OOH COOH SO3H -(C)HO -CHO -CO -OH -SH -NH2 -NO2 -OR -F, -Cl, -Br, -I	- карбокси сульфо оксо формил оксо гидрокси меркапто амино нитро алкокси фтор, хлор, бром, иод	овая кислота карбоновая кислота сульфоновая кислота аль карбальдегид он ол тиол амин - - -

Тривиальные названия:

Пространственное строение

Конфигурация – различное расположение атомов в пространстве при одинаковом химическом строении.

Конформация – один из нескольких возможных способов расположения атомов в пространстве в молекуле данной конфигурации, обусловленный вращением вокруг простых (одинарных) связей.

Номенклатура пространственных изомеров

1. Цис-транс- и Z, E- для геометрических изомеров

2. D, L- и R, S-номенклатура для оптических изомеров

Условие возникновения оптической изомерии -

D,L-номенклатуру используют при определении

R,S-номенклатуру используют при определении

Правила обращения с проекционными формулами Фишера

1. Нельзя выводить из плоскости.

2. Можно поворачивать всю проекцию на 180⁰, 360⁰ и т.п.

3. Можно делать четное число перестановок любых двух заместителей.

4. Можно вращать по или против часовой стрелки любые три заместителя одновременно.

Направление падения старшинства заместителей по часовой стрелке обозначается буквой R, а против часовой стрелки – буквой S.

(Старшинство заместителей определяется порядковым номером элемента).

Стереоизомерия циклогексана

a - аксиальные e – экваториальные Конверсия циклогексана:

Тема: Характеристика связей. Сопряжение. Ароматичность.

Энергия связей (кДж/моль) представляет собой энергию, выделяющуюся при ее образовании или необходимую для разъединения двух связанных атомов. Энергия служит мерой прочности связи: чем больше энергия, тем связь прочнее.

Длина связи – это расстояние (нм) между центрами связанных атомов. Двойная связь короче одинарной, а тройная - двойной.

Для связей между атомами углерода, находящихся в разном состоянии гибридизации, характерна общая закономерность – с увеличением доли S-орбитали в гибридной орбитали уменьшается длина связи:

sp³ sp³ sp³ sp² sp³ sp

C-C C-C= C-C≡

Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности. Полярность молекулы количественно оценивают величиной ее дипольного момента, измеряемого в кулон-метрах или дебаях: 1Д = 3,4*10^-30 Кл*м. Чем больше дипольный момент, тем связь полярнее. Причиной полярности связей служит различие в электроотрицательности связанных атомов.

Электроотрицательность характеризует способность атома в молекуле удерживать валентные электроны. Л. Полинг, основываясь на значениях энергии связей, предложил количественную характеристику электроотрицательности атомов:

Na Li H S C I Br Cl N O F

0.9 1.0 2.1 2.5 2.5 2.5 2.8 3.0 3.0 3.5 4.0

Электроотрицательность элемента не является константой, а зависит, например, от состояния гибридизации:

sp³ sp² sp

C - C – C – и от влияния заместителей.

Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. По поляризуемости π-связь значительно превосходит σ-связь, т.к. максимум электронной плотности π-связи располагается дальше от связываемых ядер.

Все составляющие молекулу атомы находятся во взаимосвязи и испытывают взаимное влияние. Это влияние передается, в основном, через систему ковалентных связей с помощью так называемых электронных эффектов.

Смещение электронной плотности по цепи σ-связей в сторону более электроотрицательного атома называется индуктивным эффектом.

Индуктивный эффект передается по цепи с затуханием. Направление смещения электронной плотности всех σ-связей также обозначают прямыми стрелкам:

Электроноакцепторные заместители, т.е. атом или группа атомов, смещающие электронную плотность σ-связи от атома углерода проявляют отрицательный индуктивный эффект (-I).

Электродонорные заместители, т.е. атом или группа атомов, смещающие электронную плотность σ-связи к атому углерода проявляют положительный индуктивный эффект (+I).

+I R - алифатический углеводородный радикал

-I Hal, NH₂, OH, CHO, COOH, NO₂, SO₃H, CN.

Смещение π-электронов или неподеленных электронных пар по сопряженной системе называется мезомерным эффектом (М):

При этом заместитель сам является участником сопряженной системы. Он может вносить в систему сопряжения π-связь (карбонильная, карбоксильная и другие группы), неподеленную пару электронов гетероатома (галогены, амино- и гидроксогруппы).

Заместители, повышающие электронную плотность в сопряженной системе, проявляют положительный мезомерный эффект (+М).

Ковалентная связь

локализованная делокализованная

электроны поделены между двумя электроны связи поделены более чем

ядрами связываемых атомов между двумя ядрами

Делокализованная связь – ковалентная связь, молекулярная орбиталь которой охватывает более двух атомов. Делокализованные связи практически всегда являются π-связями. Они характерны для сопряженных систем – соединений, содержащих кратные связи, отделенные одной простой связью от соседнего атома, имеющего р-орбиталь.

Участвующие в сопряжении делокализованные р-орбитали могут принадлежать либо двум и более π-связям, либо π-связи и одному атому с р-орбиталью. В соответствии с этим различают π, π- и р, π-сопряжение.

π,π-сопряженные системы:

CH₂=CH-CH=CH₂ CH₂=C(CH₃)-CH=CH₂ CH₂=CH-COOH

C₆H₆ CH₂=CH-C≡ N

p,π-сопряженные системы:

СH₂=CH-COO^- C₆H₅-OH CH₃–CO-OR CH₃–CO-NH₂ CH₂=CH-CH₂⁺

Образование сопряженной системы – энергетически выгодный процесс, т.к. при этом увеличивается степень перекрывания орбиталей и происходит делокализации р-электронов. Поэтому сопряженные системы обладают повышенной термодинамической устойчивостью (Е_сопр для бутадиена-1,3 равна 15 кДж/моль). С увеличением длины сопряженной цепи энергия сопряжения, и соответственно, термодинамическая устойчивость соединения возрастают.

Соединение ароматично, если оно имеет плоский замкнутый цикл и сопряженную π-электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую (4n+2) π-электронов (правило Хюккеля), где n = 0,1,2,3…

Е_теорет(бензол)=3Е_С-С+3Е_С=С+6Е_С-Н=3*339+3*616+6*415=5355 кДж/моль

Е_практ(бензол) =

Е_{сопряжения} (бензол) = кДж/моль – энергия резонанса.

Условие сопряжения – параллельность орбиталей р-электронов, образующих π-связи.

Ароматические соединения могут состоять из нескольких циклов:

• конденсированные бензоидные системы: - гетероциклические (бензоидные) системы:

- гетероциклические небензоидные системы: - карбоциклические небензоидные системы:

Тема: Кислотность и основность органических соединений.