Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
 Скачать 4.37 Mb.
|
Все атомы, формирующие цикл, находятся в sp 2- гибридном состоянии. Неподеленная пара электронов гетероатома участвует в образовании ароматического секстета: каждый атом углерода отдает по одному р-электрону, а гетероатом- неподеленную пару электронов, которая находится на негибридизованной р-орбитали. Распределение электронов(электронная конфигурация) атома азота в пятичленном гетероцикле пирроле изображено на диаграмме: --↑↓--- N sp2 --↑-- --↑-- --↑---- 2 электрона поступают в общую π - систему 3 электрона σ -связей пиррольный атом азота Имеется доказательство включения пары электронов гетероатома в ароматический секстет : пиррол не проявляет основных свойств, в обычных условиях не взаимодействует с кислотами и не образует солей. Применяют два термина для обозначения атомов азота в составе ароматического гетероциклического соединения : пиридиновый атом азота и пиррольный атом азота. Пиридиновый – обладает основными свойствами, пиррольный – не обладает, т.к. вкладывает свою пару электронов в образование ароматической системы. Для примера можно привести соединение имидазол, который содержит оба вида атомов азота. пиридиновый атом азота  пиррольный атом азота имидазол Ароматические свойства пятичленных гетероциклических соединений выражены достаточно в сравнении с бензолом : у тиофена реакции ионного замещения проходят легче, при более низкой температуре. Возможно такое объяснение этому явлению : ароматический секстет распределен между пятью атомами цикла, на каждом атоме электронная плотность выше по сравнению с бензолом ( 6\5 и 6\6 соответственно). Пиррол, фуран, тиофен относятся к «π -избыточным циклам». Ароматические свойства пятичленных гетероциклических соединений зависят от величины электроотрицательности гетероатома. Чем больше величина электроотрицательности, тем труднее гетероатом отдает свою неподеленную пару электронов в общую систему. Известно, что электроотрицательность изменяется в ряду О > N > S и ароматические свойства убывают в ряду : тиофен > пиррол > фуран
Изученные соединения имеют огромное значение в понимании многих биохимических процессов, на их основе синтезированы сотни лекарственных препаратов. Пиридин. Его производными являются никотиновая кислота, никотинамид ( витамин РР), который входит в состав переносчика электронов кофермента NAD+ , витамина В6, регулирующего обмен аминокислот и синтез гликогена . На основе пиридина получены противотуберкулезные препараты ( изониазид) Пиримидин. Три главных производных его- урацил, тимин и цитозин- входят в состав нуклеиновых кислот и носят название « азотистые основания» нуклеиновых кислот. Пиррол. В составе сложной четырехпиррольной ароматической порфириновой системы , включающей в себя ионы металлов, образует гем( содержит ионы железа и меди) и хлорофилл( содержит ион магния). Сопряженная система гема содержит 30 π -электронов. ( Проверьте сами на соответствие правилу Хюккеля) Пурин -конденсированное соединение, содержащее два цикла- имидазол и пиримидин, его производные аденин и гуанин входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ- основное макроэргическое соединение организма содержит вещество аденин.  Пурин и пиримидин и их производные нашли широкое применение в производстве противоопухолевых. противовирусных, сульфаниламидных и других лекарственных препаратов( меркаптопурин, фторурацил, метилурацил, кофеин) Для проверки усвоения раздела рекомендуем ответить на вопросы: . 1.Укажите число π -электронов в сопряженной системе циклооктатетраена-1,3,5,7. Варианты ответа а. 4 б. 6. в. 7. г. 8 д. 10. е. 12. 2.Несколько циклических соединений имеют плоское строение, сопряженная система связей .Число π –электронов в этих соединениях может быть ( несколько ответов): а. 14 б 12. в 10 г. 8 д. 6 е. 4 Какие из них являются ароматическими.? 3.Три соединения- пиррол, пиридин, тиофен. Расположите их в ряд в соответствии с увеличением ароматичности. 4.Три соединения- пиридин, бензол, пиримидин. Расположите их в ряд в соответствии с уменьшением ароматичности. 5.Составьте ряд из соединений в соответствии с увеличением ароматических свойств : пиридин, тиофен, пиримидин, фуран. 6. Изучите формулу пурина. Запомните порядок нумерации атомов в обоих циклах. Определите, какой атом не проявляет основные свойства? Варианты ответа : а. N1 б. N3 в. N7 г. N9 . ЛЕКЦИЯ 2 ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ АТОМОВ В МОЛЕКУЛАХ БИООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИЕНИЙ. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ. КИСЛОТНЫЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БИООРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ Содержание лекции.
2.1.1. Электронные эффекты заместителей. Индуктивный и мезомерный эффект. Донорные и акцепторные группы-заместители. 2.1.2. Распределение электронной плотности в биоорганических молекулах. 2.2. Кислотно-основные свойства органических соединений. 2.2.1. Теория Бренстеда-Лоури. Определения « кислоты и основания» в соответствии с теорией Бренстеда-Лоури. 2.2.2. Биоорганические соединения- кислоты. Влияние типа кислотного центра и заместителей кислотные свойства. 2.2.3. Биоорганические соединения- основания. . Влияние типа основного центра и заместителей основные свойства. свойства
Исходный уровень знаний для усвоения темы Гибридизация орбиталей и пространственная ориентация орбиталей элементов 2 периода., виды химических связей, особенности образования ковалентных σ- и π –связей, полярные и неполярные ковалентные связи, изменение электроотрицательности элементов в периоде и группе, функциональные группы, сопряженные системы, делокализация . 2.1. Взаимное влияние атомов в молекулах биоорганических соединений. Электронные эффекты заместителей Ключевые слова к разделу 2.1. Заместитель донорный, акцепторный, электроотрицательность, распределение электронной плотности в молекуле биоорганического соединения, эффект индуктивный, мезомерный Смещение электронной плотности в биоорганических соединениях связано с различной электроотрицательностью атомов. Электронная плотность смещается всегда в сторону более электроотрицательного атома. Ряд электроотрицательности: F > O > N > C1 > Br > I S > C > H Функциональные группы, смещающие электронную плотность в свою сторону, являются акцепторами, а группы, «отталкивающие» от себя электронную плотность- донорами. Для демонстрации этих явлений составляют диаграммы распределения электронной плотности, которые помогают понять направление органической реакции и объяснить , почему они именно так протекают, а не иначе. На основании распределения электронной плотности можно высказать предположение о механизме реакции и строении образующихся веществ. Смещение электронной плотности вдоль σ –связей носит название индуктивного эффекта Атомы или функциональные группы, «отталкивающие» от себя электронную плотность, проявляют положительный ( +I ) а смещающие в свою сторону – отрицательный (- I ) эффекты. Индуктивный эффект обозначают стрелкой вдоль связи, которая направлена от атома с частичным положительным зарядом (б + ) в сторону того атома, на котором возникает избыточный отрицательный заряд ( частичный заряд б- ) Индуктивный эффект распространяется на соседние 2-3 атома по отношению к группе, вызывающей этот эффект, и по мере удаления от группы убывает. Пример: Распределение электронной плотности в молекуле бутановой кислоты. б + б + б + СН3 —> СН2 —> СН2—>СН2 —>СООН <—————— заряд б + убывает по направлению стрелки Смещение электронной плотности в системе сопряженных связей носит название мезомерного эффекта ( М-эффект). Мезомерный эффект охватывает всю ациклическую сопряженную систему, частичные заряды возникают на крайних атомах в сопряженной системе, а в бензольном кольце – изменение электронной плотности происходит в положениях 2,4,6 ( по отношению к группе, проявляющей эффект). Атомы галогенов, гидрокси- и аминогруппы содержат неподеленные пары электронов, которые смещаются в сторону π -связи, образуя общую сопряженную систему. Они проявляют +М-эффект. Карбоксильная, карбонильная, нитро-группы обладают –М-эффектом, и они смещают π-электронную плотность в свою сторону. Примеры: пропеновая (акриловая) кислота б+  б-СН2 == СН— С ==О \ ОН Хлорвинил (хлорэтен) б+ б-С1 —СН ==СН2 Если в ароматической системе бензола присутствует заместитель – донор, то возникает частичный( избыточный) заряд δ- в положениях 2,4,6 Донорными группами. Проявляющими положительный мезомерный эффект, следует считать гидрокси, амино группы, атомы галогенов фтора и хлора.   
  Акцепторные группы: карбоксильная, альдегидная., нитро, циано. Донор проявляет положительные + I и + М –эффекты, а акцептор - отрицательные - I и – М –эффекты. В сопряженной системе главным считается мезомерный М-эффект. Атом азота в шестичленных ароматических гетероциклических соединениях пиридине и пиримидине имеет отрицательный мезомерный эффект, поэтому снижается общая электронная плотность в ароматической системе( вспомните понятие π-недостаточные циклы) и по отношению к атому азота в положениях 2, 4, 6 цикла возникает недостаток электронной плотности и появляется частичный заряд б + . В никотиновой кислоте введение карбоксильной группы в молекулу пиридина увеличивает недостаток электронной плотности. Атом азота и карбоксильная группа действуют « согласованно» и создают недостаток электронной плотности в одних и тех же положениях 2,4,6 по отношению к ним. δ+
δ + δ +  Никотиновая кислота В таблице представлены значения( направления) эффектов функциональных групп. Электронные эффекты функциональных групп Таблица 1
2.2. Кислотно-основные свойства органических соединений Ключевые слова к разделу 2.2 : теория Бренстеда-Лоури, кислота, основание, сопряженная кислота, сопряженное основание . В 1928г. ученые Бренстед и Лоури выдвинули протолитическую теорию сопряженных кислот и оснований применительно к органическим соединениям. С этой точки зрения, фактически, любое органическое соединение амфотерное, т.е. обладает кислотными и основными свойствами в зависимости от условий. Кислоты в соответствии с теорией Бренстеда-Лоури Кислотой было предложено называть соединение, способное отдавать протон( Н+), |
+ H + —> 
δ+