МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Х.М. БЕРБЕКОВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ

К ЛЕКЦИОННОМУ КУРСУ

«БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»

Часть 1

Нальчик, 2004

УДК 547

ББК 24.2

Рецензент

доктор биологических наук, профессор,

зав. кафедрой химии

Кабардино-Балкарской государственной сельскохозакадемии

Беев А.А.

Составитель Балаева С.М.

Методические разработки к лекционному курсу «Биоорганическая химия»

Нальчик, Кабардино-Балкарский госуниверситет, 2004

В издании представлен тезисный текст лекций по биоорганической химии, представляющий комплекс основных закономерностей строения и свойств органических соединений. Часть I.

Рекомендовано РиСОМ университета.

УДК 547

ББК 24.2

Кабардино-Балкарский государственный университет

им. Х.М. Бербекова.

2004 г.

ВВЕДЕНИЕ

Биоорганическая химия – наука, изучающая строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, в непосредственной связи с познанием их биологических функций.

Биоорганическая химия основное внимание уделяет строения и реакционной способности биологически значимых соединений. Предметом биоорганической химии являются биополимеры и биорегуляторы и их структурные элементы.

К биополимерам относятся пептиды и белки, полисахариды (углеводы), нуклеиновые кислоты. В эту группу включают липиды, которые не являются ВМС, но в организме обычно связаны с другими биополимерами.

Биорегуляторы – это соединения, которые химически регулируют обмен веществ. К ним относятся витамины, гормоны, многие синтетические соединения, в том числе лекарственные вещества. Биоорганическая химия базируется на идеях и методах органической химии.

Без знания общих закономерностей органической химии, сложно изучение биоорганической химии. Биоорганическая химия тесно связана с биологией, биологической химией, медицинской физикой.

Совокупность реакций, протекающих в условиях организма, называется метаболизмом.

Вещества, образующиеся в процессе метаболизма, называются – метаболитами.

Метаболизм имеет два направления:

Катаболизм – реакции распада сложных молекул на более простые.

Анаболизм - это процесс синтеза сложных молекул из более простых веществ с затратой энергии.

Термин биосинтез применяется по отношению к химической реакции IN VIVO (в организме), IN VITRO (вне организма)

Существуют антиметаболиты - конкуренты метаболитов в биохимических реакциях.

Материалы методического руководства составлены согласно программе по биоорганической химии для студентов медицинских вузов 2000 года ГОУ ВУНМЦ и опираются на методические разработки к лекционному курсу по биоорганической химии I мединститута им. Сеченова И.М., Москва, 2000. Часть I и II.

Тема: «Сопряжение, как фактор повышения стабильности молекул. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений и способы ее передачи»

План лекции:

1. Сопряжение и его виды:

,  - сопряжение,  - сопряжение. Энергия сопряжения. Сопряженные системы с открытой цепью. Витамин А, каротины. Сопряжение в радикалах и ионах.

2. Сопряженные системы с замкнутой цепью. Ароматичность, критерии ароматичности, гетероциклические ароматические соединения.

3. Ковалентная связь: неполярные и полярные связи.

4. Индуктивный и мезомерный эффект. ЭА и ЭД – заместители.

Атомы в молекулах органических соединениях соединены ковалентными связями, которые называются  и  - связями.

Одинарная  - связь находится в SP³ – гибридизованном состоянии, которое характеризуется l – длиной , например длина С-С равна 0,154 нм и энергией равной 83 ккал/моль . Также сигма связь характеризуется полярностью и поляризуемостью. Например



СН = СН

π

Двойная связь характерна ненасыщенным соединениям, в которых, кроме центровой  - связи, есть еще связь, которая называется пи - связью.

Двойные связи бывают локализованными, то есть электронная плотность охватывает только 2 ядра связываемых атомов.

Например , в олеиновой кислоте ковалентная связь локализованная.

СН₃ – (СН₂)₇ – СН = СН – (СН₂)₇ – СООН

Чаще всего мы с вами будем иметь дело с сопряженными системами. Если же двойные связи чередуются с одинарными связями , такие системы называются сопряженными.

Например:

СН₂ = СН – СН = СН₂

Различают , и , сопряженные системы. Рассмотрим каждую из них.

,  - сопряженные системы. Простейший пример бутадиен – 1,3. Все атомы в бутадиене находятся в SP² – гибридизированном состоянии и лежат в одной плоскости . Рz – орбитали параллельны друг другу. Это создает условия их взаимного перекрывания. Перекрывание Рz орбитали происходит между С-1 и С-2 и С-3 и С-4, а также между С-2 и С-3, то есть возникает делокализованная ковалентная связь. Это находит отражение в изменении длин связей в молекуле бутадиена-1.3. Длина связи между С-1 и С-2 увеличена, а между С-2 и С-3 укорочена, по сравнению с одинарной связью.

l- C -С, 154 нм l- С=С = 0,134 нм, l- С=С =0.120 нм

,  - сопряженные системы

Примером р, π сопряженной системы может служить пептидная связь .

Двойная связь С=0 удлинняется до 0,124 нм против обычной длины 0,121, а связь С – N становится короче и становится равной 0,132 нм по сравнению с 0,147 нм в обычном случае. То есть процесс делокализации электронов приводит к выравниванию длин связей и снижению внутренней энергии молекулы. Однако ρ, – сопряжение возникает в ациклических соединениях, когда чередуется = связи с С- С связями и с гетероатомом:

Н апример: О О

СН2 = СН– С СН2 = СН – С

Н ОН

пропеналь акриловая кислота

Рядом с двойной связью может находиться атом Х, имеющий свободную р- орбиталь. Чаще всего это гетероатомы О,N, S и их р-орбитали, взаимодействуют р-орбитали с  - связями, образуя р,  - сопряжение.

Например:

СН₂ = СН – О – СН = СН₂

Сопряжение может осуществляться не только в нейтральных молекулах, но и в радикалах и ионах:

Итак, исходя из выше изложенного, в открытых системах сопряжение возникает при следующих условиях:

А) Все атомы, участвующие в сопряженной системе, находятся в SP2 – гибридизованном состоянии.

Б) Р z – орбитали всех атомов перпендикулярны плоскости  - связи, то есть параллельны друг другу.

При образовании сопряженной многоцентровой системы происходит выравнивание длин связей. Здесь нет «чистых» одинарных и двойных связей.

Делокализация - электронов в сопряженной системе сопровождается выделением энергии. Система переходит на более низкий энергетический уровень, становится более устойчивой, более стабильной. Так, образование сопряженной системы в случае бутадиена – 1,3 приводит к выбросу энергии в количестве 15 кДж/моль. Именно за счет сопряжения повышается устойчивость радикалов ионов аллильного типа и их распространенность в природе.

Чем длиннее цепь сопряжения, тем больше выброс энергии ее образования.

Это явление довольно широко распространено в биологически важных соединениях.

Например:

При окислении бета каротинов образуются витамин А и ретиналь.

С вопросами термодинамической устойчивости молекул, ионов, радикалов мы будем постоянно встречаться в курсе биоорганической химии, к которым относятся ряд ионов и молекул широко распространенных в природе..

Сопряженные системы с замкнутой цепью.

Ароматичность. В циклических молекулах при определенных условиях может возникать сопряженная система. Примером ,  - сопряженной системы является бензол, где  - электронное облако охватывает часть атомов углерода, такая система называется – ароматической.

Выигрыш энергии сопряжения в бензоле составляет 150,6 кДж/моль. Поэтому бензол устойчив термически до температуры 900^оС.

Наличие замкнутого электронного кольца доказано с помощью ЯМР. Если молекулу бензола поместить во внешнее магнитное поле, возникает индуктивный кольцевой ток.

Таким образом, критерием ароматичности, сформулированным Хюккелем является:

А) молекула имеет циклическое строение;

Б) все атомы находятся в SP² – гибридизованном состоянии;

В) существует делокализиванная  - электронная система, содержащая 4n + 2 электронов, где n – число циклов.

Например:

Особое место в биоорганической химии занимает вопрос ароматичности гетероциклических соединений.

В циклических молекулах, содержащих гетероатомы (азот, сера, кислород) единое  - электронное облако, образуется с участием р – орбиталей атомов углерода и гетероатома.

Пятичленные гетероциклические соединения.

А роматическая система образуется прри взаимодействии 4-х р-орбиталей С и одной орбитали гетероатома, на котором находится 2 электрона. Шесть  - электронов образуют ароматический скелет. Такая сопряженная система является электронноизбыточной. В пирроле атом N находится в

SP2 гибридизированном состоянии 1S² 2S² 2р³

Пиррол входит в состав многих биологически

важных веществ. Четыре пиррольных кольца

образует порфин – ароматическую систему с 26  - электронами и высокой энергией сопряжения (840 кДж/моль).

Порфиновая структура входит в состав гемоглобина и хлорофилла.

Шестичленные гетероциклические соединения.

Ароматическая система в молекулах этих соединений образуется при взаимодействии пяти р-орбиталей атомов углерода и одной р-орбитали атома азота. Два электрона на двух SP² – орбитали участвует в образовании  - связей с атомами углерода кольца. Р-орбиталь с одним электроном входит в ароматический скелет. SP² – орбиталь с неподеленной парой электронов лежит в плоскости  - скелета.

Электронная плотность в пиридине смещена к N, то есть система обеднена  - электронами, она электронодефицитна.

Гетероциклические соединения могут содержать один и более гетероатомов

Ядра пиррола, имидазола, пиридина, пиримидина, пурина входят в состав многих биологически активных молекул.