Курс биоорганической химии. (курс лекций). Лекции по курсу биоорганической химии
 Скачать 1.18 Mb.
|
Продолжительность лекции: 2,5 часаЦель и задачи: Ознакомить студентов с оптической изомерией – одним из видов стереоизомерии. Подчеркнуть студентам, что свойства веществ зависят от пространственного строения. Дать представление о протолитической теории, кислотности и основности органических соединений и влиянии на них различных факторов. Мотивация: Акцентировать внимание будущих врачей на том, что пространственное строение органических веществ тесно связано с проявлением ими биологической активности, а также возможностью участия в биохимических процессах. Большинство органических соединений, находящихся в живом организме рассматриваются как слабые кислоты. Их биологическая активность находится в зависимости от степени диссоциации, на которую оказывает влияние реакция среды и др. факторы. План лекции
Наглядность и технические средства: кодоскоп, микрофон Содержание лекцииИзомеры – это вещества, имеющие одинаковый количественный и качественный состав, молекулярную массу, но отличающиеся химическим строением или расположением атомов в молекуле, пространстве. Изомерия делится на 2 основных вида – структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурные изомеры отличаются друг от друга химическим строением. Структурная изомерия подразделяется на следующие виды:
Стереоизомерия (пространственная изомерия) включает следующие виды:
Стереоизомеры – это изомеры, имеющие одинаковый состав и химическое строение молекулы, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов. Пространственное строение веществ изучает раздел химии и стереохимия. От пространственного строения соединений зависят их физические и химические свойства и биологическая активность. Конформационная изомерия – это вид изомерии, при котором различие между изомерами (конформерами) обусловлено поворотом отдельных участков молекулы вокруг одинарных -связей. (см. методическую разработку кафедры). Энантиомерия возможна у любых органических соединений, имеющих ассиметрический атом углерода, соединённый с четырьмя различными атомами или группами атомов. Например, молекула молочной кислоты. Молекулы веществ, содержащих ассиметрический атом углерода называют хиральным центром. Наши руки не содержат элементов симметрии и относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению.Они не могут быть совмещены в пространстве. Хиральные молекулы также не содержат элементов симметрии и относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению и не могут быть полностью совмещены в пространстве. Энантиомеры – стереоизомеры,молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение: Д (-) Молочная кислота и L (+) Молочная кислота. Для обозначения внешней конфигурации энантиомеров вводится понятие о Д и L-формах. Для энантиомеров с одним хиральным центром: Д-форма – энантиомер, в котором заместитель (–ОН группа и др.), соединённые с хиральным центром записываются справа по отношению к углеродной цепи, а L-форма – слева. В данном случае в молочной кислоте –ОН группа – Д,L определяющий гидроксил. Энантиомеры обладают оптической активностью. Они способны вращать плоскость поляризации света. Оптическая активность энантиомеров исследуется с помощью прибора – поляриметра, в котором луч света пройдя через специальную призму Николя колеблется только в одной плоскости, становится плоскополяризованным. Энантиомеры способны отклонять его либо влево, либо вправо. У энантиомеров угол вращения плоскости поляризации света одинаковый, но направление вращения противоположное. Один энантиомер – левовращающий, знак (-), а другой правовращающий, знак (+). У молочной кислоты Д (-); =-2,6 и L (+); =+2,6 при 22С в 2,5 водном растворе. Знак вращения плоскости поляризации света не связан с принадлежностью к Д- или L-ряду. Он определяется экспериментально. Таким образом, энантиомеры обладая одинаковыми физическими и химическими свойствами, отличаются по оптическим свойствам. Они являются оптическими антиподами. Смесь равных количеств энантиомеров называется рацематом. Он не обладает оптической активностью. Организм избирательно относится к энантиомерам. Утомление мышц при длительной работе обусловлено накоплением в них L (+) молочной кислоты. Многие биологически важные соединения содержат в молекуле более одного центра хиральности. Количество стереоизомеров для них определяют по формуле: z=2n, z – количество стереоизомеров, n – число хиральных центров. Например, 2,3,4 – тригидроксибутаналь. Количество стереоизомеров равно 2 в степени 2 =4. Первая пара энантиомеров 1) Д – эритроза и 2) L-эритроза и вторая пара энантиомеров 3)Д-треоза и 4)L-треоза. Энантиомеры каждой пары сходны между собой по физическим и химическим свойствам, но отличаются по оптическим свойствам, являются оптическими антиподами. 1 и 3; 1 и 4; 2 и 3; 2 и 4-ая пары стереоизомеров не являются энантиомерами, у них проявляется другой вид стереоизомерии – диастереоизомерия. Диастереоизомеры – это стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, т.е. «зеркальными» изомерами. У перечисленных выше пар стереоизомеров проявляется -диастереометрия, т. к. заместители связаны с центром хиральности -связями. Если заместители находятся по одну сторону углеродной цепи, то такой стереоизомер называют эритро-формой, если по разные стороны, то трео-формой. У -диастереомеров конфигурация одного хирального центра одинаковая, а другого противоположная. -диастереомеры отличаются по физическим и химическим свойствам и не являются зеркальным изображением один другого. Понятие энантиомерии и -диастереомерии взаимоисключающие. Если пара стереоизомеров не являются энантиомерами, то они будут -диастереомеры. -диастереомеры – это стереоизомеры, отличающиеся друг от друга различным пространственным расположением одинаковых заместителей относительно плоскости -связи. Например, бутандиовая кислота. Она образует 2 -диастереомера (цис--диастереомер, малеиновая кислота) и (транс--диастереомер, фумаровая кислота). Молекулы бутендиовой кислоты не содержат центров хиральности. -диастереомеры отличаются друг от друга по физическим и химическим свойствам, а также по физиологическому действию. Более устойчивыми являются транс--диастереомеры. Поэтому они более распространены в природе. Фумаровая кислота содержится как в растительных, так и животных организмах. В последних, она образуется как промежуточный продукт обмена углеводов в анаэробных условиях. Малеиновая кислота токсична, в природе не встречается, получается синтетическим путём. Таким образом, пространственное строение органических веществ тесно связано с проявлением ими биологической активности, а также возможностью участия в биохимических процессах. Кислотно-основные свойства органических соединений Кислотность и основность – важнейшие понятия, определяющие многие физико-химические и биологические свойства органических соединений. Слабые кислоты и основания – обычные компоненты биологических систем, играющие важную роль в метаболизме и его регуляции. По теории электролитической диссоциации Аррениуса, кислота – это электролит, диссоциирующий с образованием ионов водорода и кислотного остатка. Основание – это электролит, диссоциирующий с образованием гидроксид ионов. Эти положения справедливы для процессов, протекающих в водных растворах, и они не объясняют поведение веществ в неводных растворах. Исследование диссоциации веществ в неводных растворителях расширило представления о веществах, проявляющих кислотные и основные свойства. Большинство органических соединений можно рассматривать как кислоты, поскольку в их молекулах содержатся связи атома водорода с разными элементами (С, S, O, N). Органические кислоты соответственно классифицируются по кислотному центру на О-Н; S-H; N-H;C-H кислоты. Кислотным центром называется элемент и связанный с ним атом водорода. Например Формулы и названия веществ рКа С2Н5ОН этанол 18 С2Н5SH этантиол 10,5 С2Н5NH2 этанамин 30 С6Н5ОН фенол 9,9 Из приведённых примеров видно, что органические соединения отличаются по кислотным свойствам. Что же влияет на силу кислоты? Сила кислоты определяется стабильностью аниона, образовавшегося при диссоциации этой кислоты. Чем стабильнее анион, тем сильнее кислота. На стабильность аниона оказывают влияние следующие факторы: 1. Природа элемента в кислотном центреа) электроотрицательность элемента в кислотном центре. Сравним кислотные свойства веществ с одинаковыми радикалами: СН3–СН2 –ОН (рКа=18) и СН3–СН2 –NH2 (рКа=30) Поскольку кислород является более электроотрицательным элементом, то связь О-Н более полярна, чем N-H, так как атом кислорода в большей степени оттягивает на себя электронную плотность, что способствует большей подвижности иона Н+ и его более легкой отщепляемости в О-Н кислотном центре по сравнению с N-H центром. Образующийся при отщеплении иона Н+ алкоксид-ион более стабилен, чем алкил-амид-ион, так как у более электроотрицательного атома кислорода в большей степени выражена способность нести отрицательный заряд. Отсюда, амины более слабые кислоты, чем спирты. б) поляризуемоть элемента в кислотном центре. Сравним кислотные свойства веществ с одинаковыми радикалами: СН3–СН2 –ОН (рКа=18) и СН3–СН2 –SH (рКа=10,5) Если брать во внимание электроотрицательность гетероатомов в кислотных центрах, то более сильной кислотой должен быть спирт, т. к. электроотрицательный атом кислорода выше таковой у серы. Но в данном случае преобладает не фактор электроотрица-тельности, а фактор поляризуемости. Поляризуемость атома – это мера смещения (расредоточения) электронного облака под действием внешнего электрического поля. Поляризуемоть атома возрастает с увеличением количества электронов и числа энергетических уровней. Атом серы более поляризуем, чем атом кислорода, так как радиус атома серы больше, чем кислорода ( в атоме серы 3 энергетических уровня, а в атоме кислорода 2 энергетических уровня). Благодаря большему радиусу и более высокой поляризуемости атома серы, отрицательный заряд в анионе СН3–СН2–S- (меркаптид-ион) делокализован в большем объёме, чем в акоксид-ионе СН3–СН2–О- Это обусловливает более высокую стабильность меркаптид-иона по сравнению с алкоксид-ионом. Отсюда этантиол является более сильной кислотой, чем этанол.
Рассмотрим два примера: СН3–СН2–ОН рКа=18 СН3 –ОН рКа=9,9 Исходя из величин рКа, у фенола более выражены кислотные свойства. Для объяснения этого факта рассмотрим влияние электронных эффектов заместителей в молекулах приведённых веществ, например, этанола СН3-СН2-ОН. -ОН (-I,ЭА) Под влиянием ЭА заместителя ОН-группы в молекуле этанола электронная плотность смещается к заместителю и практически не делокализована по всей молекуле, а сосредоточена на атоме кислорода. Алкоксид-ион СН3–СН2–О- будет обладать низкой стабильностью и поэтому проявляет слабовыраженные кислотные свойства. В молекуле фенола под влиянием ЭД заместителей электронная плотность смещена от заместителя и делокализована по ароматическому кольцу. ОН-группа (-I, +М; +М>>-I, ЭД). Образующийся при отщеплении иона водорода феноксид-ион, являясь сопряжённой системой, будет обладать более высокой стабильностью по сравнению с алкоксид-ионом, который не является сопряжённой системой. Поэтому фенол проявляет более выраженные кислотные свойства. 3. Влияние радикала на стабильность аниона. СН3–СН2–СООН рКа=4,9 СН3–СН –СООН рКа=3,83 ОН Так как наличие в радикале этой кислоты ЭА заместителя –ОН-группы способствует делокализации отрицательного заряда в лактат-анионе, что повышает его стабильность по сравнению с пропионат-анионом, радикал которого не содержит такого заместителя.
В водных растворах анионы гидратированы, что повышает их стабильность и усиливает кислотные свойства веществ. Чем меньше радикал аниона, тем он более гидратирован и стабилен.Например, Муравьиная кислота рКа=3,7 Уксусная кислота рКа=4,76 Пропионовая кислота рКа=4,90 Исходя из величин рКа кислотные свойства более выражены у муравьиной кислоты, так как формиат-ион имеет малые размеры, наиболее гидратирован и стабилен, по сравнению с ацетат-ионом и пропионат- ионом. химия биоорганический реакционный соединение Лекция 3 Оксисоединения, их реакционная способность Цели и задачи: Ознакомить студентов с классификацией, номенклатурой, изомерией спиртов и фенолов, их реакционной способностью, ролью в организме и применении в медицинской практике. Мотивация: Изучение этой темы вооружает студентов необходимыми знаниями по строению, реакционной способности оксисоединений, играющих важную роль в процессах жизнедеятельности. План лекции
Содержание лекции Оксисоединения - это вещества, содержащие в своём составе –ОН группы. К оксисоединениям относятся спирты, фенолы, нафтолы и другие вещества. Спирты – это оксисоединения, в молекулах которых –ОН группы связаны с насыщенными атомами углерода, находящимися в состоянии sp3-гибридиза-ции. Спирты классифицируют по следующим признакам:
Одноатомные спирты (R-OH) а) Этанол СН-СН-ОН Используется в медицинской практике как обеззараживающее средство и для приготовления спиртовых растворов лекарственных веществ, например, настойка йода и др. б) Бензиловый спирт СН-СН-ОН. Используется для получения лекарственных препаратов, применяемых для лечения кожных, инфекционных и других заболеваний. Многоатомные спирты (полиолы) А) Глицерин (пропантиол-1,2,3) СН-СН-СН. Широко распространён в природе. Входит в состав большинства омыляемых липидов. Применяется как компонент мазей для смягчения кожи. б) Ксилит СН_СН_СН_СН-СН в) сорбит СН-СН-СН-СН-СН-СН Это кристаллические легкорастворимые вещества в воде, сладкие на вкус, используются как заменители сахара для больных сахарным диабетом. г) Инозит С6Н6(ОН)6. Является структурным компонентом липидов мозгового вещества и нервной ткани.
-ациклические спирты (глицерин, сорбит, этанол) -циклические спирты (инозит)
-ОН группа различают:
СН3-С-СН3 2-метилпропанол-2)
-NH2 группы различают аминоспирты NH2-СН2-СН2-ОН – 2-аминоэтанол-1 (коламин). Фенолы – оксисоединения, в молекулах которых –ОН группы соединены с атомами углерода бензольного кольца. По количеству –ОН групп фенолы делятся на:
С6Н5ОН – фенол (карболовая кислота) применяется в медицине как антисептическое средство, используется для приготовления лекарственных веществ, красителей и др.
А) Резорцин С6Н5(ОН)2. Применяется в виде водных и спиртовых растворов для лечения кожных и инфекционных заболеваний. Смесь насыщенного резорцина и формалина (40% раствор) применяется в стоматологии для пломбирования корневых зубных каналов. Б) Гидрохинон С6Н5(ОН)2. В организме является участником важного процесса – транспорта электронов от окисляемого субстрата к кислороду, участвует в биологическом окислении. В) Пирокатехин С6Н5(ОН)2. Структурный компонент многих биологически Активных соединений, в частности, катехоламинов, к которым относится адреналин. Это гормон мозгового вещества надпочечников. Участвует в регуляции сердечной деятельности, обмена углеводов. При физиологических стрессах выделяется в кровь «гормон страха». Умногоатомных фенолов проявляется структурная изомерия положения –ОН групп. Химические свойства спиртов
окислителей, например, К2Сr2O7, in vivo под действием ферментов, которые носят название дегидрогеназы. При этом происходит дегидрирование спирта. Субстрат (спирт) теряет два атома водорода. Это эквивалентно потере двух электронов 2е и двух протонов водорода 2Н+ или Н+ и Н. А) Окисление первичных спиртов: НАД + Этанол Этаналь + НАДН + Н+ Б) Окисление вторичных спиртов: Пропанол-2 + НАД+Пропанон + НАДН +Н+ Таким образом, при окислении первичных спиртов образуются альдегиды, а вторичных – кетоны.
Субстрат реаг. нуклеофил -C-Х + Y: -С-Y + X: В ходе реации нуклеофильного замещения атакующий реагент (нуклеофил) отдаёт субстрату свою пару электронов, за счёт которой образуется связь между атомом углерода субстрата и нуклеофилом, а уходящая группа (нуклеофуг) отщепляется со своей парой электронов. Рассмотрим реакцию нуклеофильного замещения на примере получения хлорэтана из этанола: Поскольку –ОН группа в молекуле субстрата (этанол) является плохо уходящей группой, то прямое нуклеофильное замещение осуществить не удается. Поэтому производят преобразование плохо уходящей группы в хорошо уходящую группу. Для этого в субстрате уходящую группу –ОН (нуклеофуг) переводят в ониевую в присутствии ионов Н+, чтобы она отщепилась в виде нейтральной молекулы. При этом образуется промежуточный ион этилоксония, от которого отщепляется молекула воды – хорошо уходящая группа. Реагент (нуклеофил) присоединяется за счёт своей пары электронов к атому водорода субстрата. Так получается хлорэтан, применяемый в медицине для ингаляционного наркоза.
СН2-СН-СН2 Анионный хелатный 2 + Сu(OH)2 + 2 OH- комплекс глицерата меди () ОН ОН ОН - 4 H2O ярко-синий раствор Химические свойства фенолов
-2Н+, -2е Гидрохинон Хинон восст. форма + 2Н+, +2е окисл. форма Окислительно-восстановительные чвойства системы хинон-гидрохинон тграют важную роль в организме. Эта система участвует в переносе Н+ и е от окисляемого субстрата (белок, жир, углевод) к кислороду в процессе биологического окисления.
бензол C6Н6 + Е+ С6Н5Е + Н+ Субстрат реагент продукт электрофуг (электрофил) реакции Рассмотрим механизм реакции электрофильного замещения на примере реакции нитрования бензола: Вначале идёт образование электрофила (NO2+) – нитроил-катиона: HNO3 + 2 H2SO4 NO2+ + 2 HSO4- + H3O+ Затем электрофил NO2+ реагирует с бензолом: бензол + нитробензол С6Н5ОН + NO2+ C6H6NO2+ C6H6NO2 C6H5NO2 Субстрат реагент -комплекс -комплекс продукт электрофил Образование -комплекса электрофила и бензола происходит за счёт пары электронов сопряжённой системы. Преобразование -комплекса в -комплекс сопровождается нарушением ароматичности и переходом атома углерода в состояние sp3-гибридизации. При отщеплении протона от -комп-лекса ароматичность восстанавливается и образуется продукт реакции нитробензол. К реакциям электрофильного замещения относятся реакции нитрования, сульфирования фенола и другие. Реакция нитрования фенола: С6Н5ОН + 3 НО-- NO2+ C6Н2(NO2)3 + 3 Н2О Фенол реагент 2,4,6-тринитрофенол электрофил Реакция сульфирования фенола: С6Н5ОН + 3 НО--SO3Н+ C6H2(SO3Н)3 + 3H2O Фенол реагент 2,4,6-трисульфофенол электрофил ВЫВОД: Оксисоединения: спирты, фенолы играют важную роль в процессах жизнедеятельности, а также используются как антисептические средства и лекарственные вещества. Лекция 4 Карбоновые кислоты и их функциональные производные Карбоновые кислоты - это вещества, которые в своем составе содержат карбоксильную группу и отвечают общей формуле R-COOH Карбоновые кислоты классифицируют по количеству карбоксильных групп на: 1. Одноосновные или монокарбоновые кислоты, содержащую одну карбоксильную группу: НСООН – муравьиная кислота (метановая); СН3СООН – уксусная кислота (этановая); СН3СН2СООН – пропионовая кислота (пропановая); СН3(СН2)2СООН – масляная кислота (бутановая); СН3(СН2)3СООН – валериановая (пентановая); СН3(СН2)4СООН - капроновая (гексановая); 2. Поликарбоновые кислоты, содержащие 2 или более карбоксильные группы: Предельные дикарбоновые кислоты: щавелевая (этандиовая) кислота; соли – оксалаты; малоновая (пропандиовая) кислота; соли – малонаты; янтарная (бутандиовая) кислота; соли – сукцинаты; глутаровая (пентандиовая) кислота; соли – глутараты. Непредельная бутендиовая кислота HOOC-CH=CH-COOH, ее П-диастереомеры. В зависимости от наличия младших функциональных групп кислоты делятся на: 1. гидроксикислоты, содержащие группу –ОН: молочная кислота; соли – лактаты; яблочная кислота; соли - малаты; лимонная кислота; соли – цитраты; салициловая кислота. 2. Кетонокислоты – это кислоты, содержащие карбонильную группу >С=О. Пировиноградная кислота (ПВК), соли – пируваты. Щавелево-уксусная кислота (ЩУК), соли – соли ЩУК. Ацето-уксусная кислота, соли – соли ацетоуксусной кислоты. Особо выделяют группу высших жирных карбоновых кислот (ВЖК), входящих в состав липидов. 1. Предельные высшие жирные кислоты: С17Н35СООН стеариновая кислота; С15Н31СООН пальмитиновая кислота; С23Н47СООН лигноцериновая кислота; С23Н46 (ОН)СООН цереброновая кислота. 2. Непредельные высшие жирные кислоты: С17Н33СООН олеиновая кислота; С17Н31СООН линолевая кислота; С17Н29СООН линоленовая кислота; С23Н45СООН нервоновая кислота. |