Тема 1. Введение. Классификация, номенклатура и изомерия органических соединений

Введение. Биоорганическая химия изучает строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, в непосредствен­ной связи с познанием их биологических функций. Основными объектами ее изучения слу­жат биологические полимеры (биополимеры) и биорегуляторы.

Биополимеры – высокомолекулярные природные соединения, являющиеся структурной основой всех живых организмов и играющие определенную роль в процессах жизнедеятельности. К биополимерам относят пептиды и белки, полисахариды (углеводы), нуклеиновые кислоты. В эту группу включают и липиды, которые сами по себе не являются высокомолекулярными сое­динениями, но в организме обычно связаны с другими биополимерами.

Биорегуляторы – соединения, которые химически регулируют обмен веществ. К ним относят витамины, гормоны, многие синтетические биологически активные соединения, в том числе ле­карственные вещества.

Биоорганическая химия неразрывно связана с органической химией, базируется на её идеях и методах, т.к. большинство компонентов живой материи представлено органическими соединениями. Они могут синтезироваться в организме, поступать извне или модифицироваться в нем. Живой организм является «химическим производством», в каждой клетке его непрерывно протекают тысячи различных химических реакций, обеспечивающих существование и развитие организма.

Совокупность химических реакций, протекающих в организме, называют обменом веществ, или метаболизмом. Вещества, образующиеся в клетках, тканях и органах растений и животных в процессе метаболизма, назы­вают метаболитами.

Метаболизм включает два направления – катаболизм и анаболизм.

К катаболизму относят реакции распада веществ, по­падающих в организм с пищей. Как правило, они сопровождают­ся окислением органических соединений и протекают с выделе­нием энергии.

Анаболизм – синтез сложных молекул из более простых, в результате которого осуществляется образо­вание и обновление структурных элементов живого организма.

Метаболические процессы протекают с участием ферментов, т. е. специфических белков, которые находятся в клетках орга­низма и играют роль катализаторов биохимических процессов (биокатализаторы).

Метаболиты – естественные, присущие организму вещества. С другой стороны, существуют соединения, называемые анти­метаболитами, т. е. являющиеся антагонистами естественных ме­таболитов. К ним относятся природные или синтетические биологически активные соединения, близкие по строению к метаболитам и вступающие с ними в конкуренцию в биохимических процессах. Антиметаболиты (в силу своего структурного сходства) способны вступать вместо метаболитов в биохимические реакции, которые с их участием будут заканчиваться иным результатом, чем с участием метаболитов.

Современная теория строения органических соединений создана выдающимся русским учёным А.М. Бутлеровым.

Основные положения теории строения органических соединений а.М. Бутлерова

1. Атомы в молекуле располагаются в определенной последовательности согласно их валентности. Валентность атома углерода в органических соединениях равна четырем.

2. Свойства веществ зависят не только от того, какие атомы и в каких количествах входят в состав молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой.

3. Атомы или группы атомов, входящих в состав молекулы, взаимно влияют друг на друга, от чего зависят химическая активность и реакционная способность молекул.

4. Изучение свойств веществ позволяет определить их химичес­кое строение.

Взаимное влияние соседних атомов в молекулах является важнейшим свойством органических соединений. Это влияние передается или по цепи простых связей или по цепи сопряженных (чередующихся) простых и двойных связей.

Электронное строение атома углерода. Гибридизация.

Для того, чтобы привести в соответствие электронную формулу атома С (2 электрона на s-орбитали и 2 на р-орбитали) и его валентность, допускают возбуждение внешнего электронного слоя атома углерода. Тогда в атоме С 1 электрон на s-орбитали и три на р-орбиталях. При перекрывании атомных орбиталей (АО) атомов С и Н три связи С–Н будут одинаковыми, а 4-я должна отличаться (связь по s- орбитали должна быть менее прочной из-за меньшего перекрывания орбиталей). В действительности это не так. Несоответствие исключается предположением о гибридизации с появлением гибридных АО. В результате валентные электроны оказываются на одинаковых гибридных орбиталях. Для алканов характерна sр³- гибридизация (участвуют все 4 АО внешнего электронного уровня).

Связь С–Н образуется перекрыванием s-орбитали атома Н и гибридизованной орбитали атома С, связь С–С образуется за счет перекрывания 2-х гибридизованных орбиталей (направление связи – по оси между атомами). Это - связь. В непредельных соединениях одна или две негибридизованные р-орбитали участвуют в образовании -связей, при этом тип гибридизации атома углерода – sр² для алкенов и sр для алкинов.

Сопряженные системы

Различают два типа сопряженных систем (и сопряжений).

1. , -сопряжение — электроны делокализованы между двумя (и более) кратными связями. При осуществлении «кругового» сопряжения, как в бензоле, система получает дополнительный существенный выигрыш энергии, называемый энергией сопряжения. Например, энергия сопряжения молекулы бензола равна 15 кДж/моль.

2. р, -сопряжение — в делокализации принимают участие электроны -связи и р-орбитали гетероатома; например, в молекулах ацетамида и пиррола:

Делокализация электронов является одним из важных факторов повышения устойчивости молекул и ионов, поэтому это явление широко распространено в биологически важных молекулах (витамины, гем, хлорофилл, гемоглобин и др.).

Витамин А относится к сесквитерпенам (10 атомов С и 3 двойные связи), содержится в масле, молоке, яичном желтке, рыбьем жире; свиное сало и маргарин его не содержат. Это витамин роста; недостаток его в пище вызывает убыль в весе, высыхание роговицы глаз, понижение сопротивляемости к инфекции. Витамин А в организме человека может синтезироваться из каротина (тритерпена) С₄₀Н₅₆, (пигмент моркови). В молекуле хлорофилла также присутствует развитая система сопряжённых связей – 4 остатка пиррола, образующих вместе порфириновое ядро, связанное с атомом магния. Хлорофилл по строению близок к дыхательным ферментам (каталазе, пероксидазе) и к красящему веществу крови – гему.

Классификация органических соединений основана на анализе двух аспектов строения молекул – строения углеродного скелета и наличия функциональных групп.

Рис. 1. Классификация органических соединений по строению углеродного скелета

Примеры алифатических углеводородов:

предельные непредельные

алкан алкен (двойная связь) алкин (тройная связь)

Примеры циклических углеводородов:

карбоциклические гетероциклические

предельное непредельное ароматическое непредельное ароматическое

Ряд сходных по строению соединений, обладающих близкими химическими свойствами, в котором отдельные члены ряда отличаются друг от друга лишь количеством групп –СН₂–, называется гомологическим рядом, а группа –СН₂– гомологической разностью.

Для любого гомологического ряда может быть выведена общая формула. Так, С_пН_2п+2 – формула алканов, С_пН_2п+1ОН – алифатических одноатомных спиртов.

Таблица 1. Классы производных углеводородов по наличию функциональных групп

Функциональная группа	Класс	Пример
атомы галогенов (F, Cl, Br, I)	галогенопроизводные	СН3СН2Cl (хлорэтан)
гидроксильная (–ОН)	спирты (фенолы)	СН3СН2ОН (этанол, первичный спирт) СН3СН(ОН)СН3 (2-пропанол, вторичный спирт)
тиольная или меркапто- (–SН)	тиолы (меркаптаны)	СН3СН2SН (этантиол)
эфирная (–О–)	простые эфиры	СН3СН2–О–СН2СН3 (диэтиловый эфир)
с ложноэфирная	сложные эфиры	СН3СН2СООСН3 (метиловый эфир уксусной кислоты или метилацетат)
к арбоксильная	карбоновые кислоты	(уксусная кислота)
а мидная	амиды карбоновых кислот	(амид уксусной кислоты или ацетамид)
карбонильная (–С=О)	альдегиды и кетоны	СН3СОСН3 (этаналь) (пропанон)
сульфо- (–SО3Н)	сульфокислоты	СН3SО3Н (метансульфокислота)
амино- (–NH2)	амины	СН3СН2NH2 (этиламин, первичный амин) СН3NHСН3 (диметиламин, вторичный амин)
нитро- (–NO2)	нитросоединения	СН3СН2NО2 (нитроэтан)

Атомы углерода, непосредственно соединенные с одним другим углеродным атомом называются первичными, соединенные с двумя атомами углерода – вторичными, с тремя другими атомами углерода – третичными, с четырьмя атомами С – четвертичными.

Номенклатура органических соединений: тривиальная, рациональная и систематическая номенклатура. Тривиальная номенклатура – совокупность исторически сложившихся названий. Так, по названию сразу понятно, откуда были выделены яблочная, янтарная или лимонная кислота, каким способом была получена пировиноградная кислота (пиролиз виноградной кислоты), знатоки греческого языка легко догадаются, что уксусная кислота – это что-то кислое, а глицерин – сладкое. Но название не отражает строение вещества.

Рациональная номенклатура строит название соединения на основании структуры более простого соединения (первого члена гомологического ряда). СН₃ОН – карбинол, СН₃СН₂ОН – метилкарбинол, СН₃СН(ОН)СН₃ – диметилкарбинол и т.д.

По номенклатуре IUPAC (международная номенклатура), названия углеводородов и их функциональных производных базируются на названии соответствующего углеводорода с добавлением префиксов и суффиксов, присущих данному гомологическому ряду.

Алгоритм создания названия органического соединения:

1) выбрать в качестве основного углеродного скелета наиболее длинную последовательность углеродных атомов и назвать, обращая внимание на степень ненасыщенности соединения;

2) выявить все имеющиеся в соединении функциональные группы;

3 ) установить, какая группа является старшей (см. табл. 2), название этой группы отражается в названии соединения в виде суфикса и его ставят в конце названия соединения; все остальные группы дают в названии в виде приставок.

4) пронумеровать углеродные атомы основной

цепи, начиная со старшей группы;

5) перечислить приставки в алфавитном порядке

(умножающие добавки ди-, три- и т.д. не учитываются);

6) составить полное название соединения.

Начинать строить название соединения надо с названия родоначальной структуры, для чего абсолютно необходимо знать наизусть названия первых 10 членов гомологического ряда алканов (метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан). Также надо знать названия образующихся из них радикалов – при этом окончание –ан меняется на –ил.

Таблица 2. Номенклатура органических соединений

Класс соединений	Функциональная группа	Приставка	Суффикс или окончание
карбоновые кислоты	 СООН	карбокси-	-овая кислота
сульфокислоты	– SO3H	cульфо-	сульфоновая кислота
нитрилы	– C  N	циан-	- нитрил
альдегиды	 СНО	оксо-	-аль
кетоны	– С = О	оксо-	-он
спирты	 ОН	гидрокси-	-ол
тиолы	– SH	меркапто-	-тиол
амины	 NН2	амино-	-амин
алкены	– С = С –		-ен
алкины	 С ≡ С 		-ин
галогенопроизводные	Br, I, F, Cl	бром-, иод-, фтор-, хлор-	бромид, -иодид, -фторид, -хлорид
нитросоединения	NO2	нитро-	
углеводородные радикалы	СН3 – СН3СН2 – СН3СН2СН2 – СН3СН – СН3	метил- этил- пропил- изопропил-	– – – –

В названиях спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, амидов, нитрилов, галогенангидридов суффикс, определяющий класс, следует за суффиксом степени ненасыщенности: например, 2-бутеналь. Соединения, содержащие другие функциональные группы, называются как производные углеводородов, например, 1-хлорпропан.

Названия кислотных функциональных групп помещают после названия углеводородного скелета: например, бензолсульфокислота.

Эфиры карбоновых кислот называются как производные родоначальных кислот. Окончание –овая кислота заменяется на –оат: например, метилпропионат – метиловый эфир пропановой кислоты.

Рассмотрим соединение, входящее в состав препаратов, применяемых для лечения заболеваний глаз: СН₃ – С(СН₃) = СН – СН₂ – СН₂ – С(СН₃) = СН – СНО

Основная родоначальная структура – цепь из 8 атомов углерода, включающая альдегидную группу и обе двойные связи. Восемь атомов углерода – октан. Но есть 2 двойные связи – между вторым и третьим атомами и между шестым и седьмым. Одна двойная связь – окончание –ан надо заместить на –ен, двойных связей 2, значит на –диен, т.е. октадиен, а в начале указываем их положение, называя атомы с меньшими номерами – 2,6-октадиен. Но в соединении есть альдегидная группа, это не углеводород, а альдегид, поэтому добавляем суффикс –аль, без номера, он всегда первый – 2,6-октадиеналь. Ещё 2 заместителя – метильные радикалы у 3-го и 7-го атомов. Значит, в итоге получим: 3,7-диметил - 2,6-октадиеналь.

Изомерия органических соединений

Изомеры – соединения с одинаковым качественным и количественным

составом, но отличающиеся по строению и обладающие поэтому различными

физическими, химическими или биологическими свойствами.

Различают структурную и пространственную (стерео-) изомерию.

Три вида структурной изомерии:

1) изомерия углеродного скелета: например, пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан (рис.2); 2) изомерия положения функциональных групп или кратных связей: например, 2-бутен и 1-бутен; или 1-пропанол и 2-пропанол (рис. 3);

3) изомерия функциональной группы: например, диметиловый эфир и этанол (рис. 4):

Рис. 3. Изомерия положения функциональ

ных групп или кратных связей

Рисунок 2. Изомерия углеродного скелета Рисунок 4. Изомерия функциональной группы

Для карбоновых кислот изомерами по функциональной группе являются сложные эфиры, для альдегидов – кетоны, для спиртов – простые эфиры, для аминокислот – сложные эфиры, амиды гидроксикислот и нитросоединения (рис. 5).

Рисунок 5. Примеры изомеров по функциональной группе (межклассовых изомеров)

Стереоизомеры (пространственные изомеры) – это соединения, в молекулах которых имеется одинаковая последовательность химических связей атомов, но различное расположение этих атомов относительно друг друга в пространстве.

К пространственным изомерам относят геометрические (цис-транс-) изомеры, например цис-2-бутен и транс-2-бутен, отличающиеся расположением заместителей относительно линии, соединяющей атомы углерода, связанные двойной связью.

Ненасыщенные кислоты – олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая присутствуют в составе липидов (в том числе в жидких жиров) в цис-форме. Углеводородный радикал кислоты в цис-конфигурации имеет изогнутый и укороченный вид, молекулы занимают больший объём, а при образовании кристаллов упаковываются менее плотно, чем транс-изомеры или предельные радикалы. Поэтому жиры, в состав которых входят, преимущественно, непредельные жирные кислоты, являются жидкими. А в составе твёрдых жиров присутствуют, в основном, остатки предельных кислот (пальмитиновой, стеариновой).

Цис-конфигурация является энергетически менее устойчивой. Возможно, это делает пищевые жиры более подверженными катаболизму, они легче перевариваются.

Линолевая кислота в организме осуществляет регуляцию свойств клеточных и субклеточных мембран, она является одним из основных компонентов таких лекарственных средств, как «Эссенциале» «Акулайв», «Фосфоглиф» и других. Только цис-изомер линолевой кислоты может использоваться организмом для синтеза арахидоновой кислоты, в то время как транс-изомеры малоактивны и могут накапливаться в органах и тканях.

В начале 90-х годов прошлого века появился ряд публикаций, указывающих на связь потребления транс-жиров и риском развития сердечно-сосудистых и других заболеваний. Современные исследования показывают, что транс-изомеры жирных кислот не вступают во все те реакции, в которые вступают цис-изомеры, и если в пище будут присутствовать только транс-изомеры, возникнет дефицит многих важнейших соединений и жизнедеятельность организма нарушится. Но обычно мы с растительным маслом едим достаточное количество цис-изомеров, так что никаких отрицательных последствий для организма не наблюдается.

Из двух возможных изомеров бутендиовой кислоты в клетках растений и животных образуется только транс-бутендиовая кислота (фумаровая), а цис-изомер (малеиновая кислота) является для человека и животных токсическим соединением.

В витамине А двойные связи, располагающиеся в боковой цепи, имеют транс- конфигурацию. Для восприятия света необходимо обратимое превращение:

цис-ретиналь  транс-ретиналь  транс-ретинол  цис-ретинол  цис-ретиналь

Энантиомерия (оптическая или зеркальная пространственная изомерия).

Признаки оптической активности органических соединений:

– наличие асимметрического атома углерода и отсутствие в молекуле симметрии.

Асимметрический атом углерода — атом, связанный с четырьмя различными атомами или группами.

Оптически активные соединения образуют два пространственных изомера, являющихся зеркальными отражениями друг друга (энантиомеры).

Энантиомеры обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами, но вращают плоскость поляризации плоскополяризованного света в противоположные стороны, они в пространстве несовместимы друг с другом. Наглядным примером несовместимости предмета и его зеркального изображения служит невозможность надеть на левую руку правую перчатку, соответствующую пространственному расположению правой руки.

Смесь, состоящая из равных мольных количеств энантиомеров, называется рацемической смесью или рацематом. Рацемат оптически не активен.

Ч тобы правильно изобразить конфигурацию энантиомеров, углеродную цепь молекулы изображают вертикально, старший заместитель при этом располагается вверху; заместители у асимметрического атома углерода располагают слева и справа от углеродной оси:

Если функциональная группа (в молочной кислоте – гидроксильная) располагается слева от углеродной оси, изомер относят к L-ряду, если справа – к D-ряду Асимметрический атом углерода часто не обозначают химическим символом, он подразумевается в пересечении линий, показывающих соответствующие связи.

Несмотря на одинаковые физические и химические свойства, биологическая активность энантиомеров может быть совершенно различной.

Часто только один из энантиомеров обладает требуемым терапевтическим эффектом, второй в лучшем случае бесполезен, а в худшем вызывает нежелательные побочные эффекты или токсичен. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору, как ключ к замку, и запускает желаемую биохимическую реакцию. В 60-е годы одним из предшественников адреналина в организме – диоксифенилаланином (L-ДОФА) пытались лечить паркинсонизм. При этом выяснилось, что это вещество эффективно только в виде L-изомера. В то же время D-ДОФА вызывает серьезные побочные эффекты, в том числе заболевание крови.

Пеницилламин (3,3-диметилцистеин) применяют при острых и хронических отравлениях тяжелыми металлами, так как оно дает прочные комплексы с ионами этих металлов, и эти комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, при системной склеродермии, в ряде других случаев. При этом применяют только L-форму препарата, так как D-изомер токсичен и может привести к слепоте.

О дин из энантиомеров адреналина в десятки раз более активен, чем другой, т.к. более полно соответствует активному центру белка, с которым связывается (рис. 6).

Рисунок 6. Пространственное соответствие молекулы адреналина и активного центра белка

Зависимость физических свойств органических соединений от строения

Выполняется следующая общая закономерность: температура кипения и плавления органического соединения тем выше, чем больше его молекулярная масса, меньше степень разветвлённости молекулы и чем больше межмолекулярных связей (и чем они прочнее). Различают силы трех типов: силы Ван-дер-Ваальса (действуют между любыми молекулами, независимо от строения и наличия функциональных групп), межмолекулярных сил, воз­никающих за счет общей полярности молекулы (отсутствуют в углеводородах, возникают только у органических соединений, содержащих функциональные группы), и водородной связи (возникает между карбоксильными и гидроксильными группами). Температуры плавления по сравнению с температурами кипения больше зависят от формы молекулы (плотность упаковки в кристаллах).

В углеводородах связи С–Н и С–С не полярны, и силы сцепления определяются силами Ван-дер-Ваальса, которые больше для более длинных цепей, т.к. с увеличением длины цепи возрастает число мест в молекуле, способных проявлять взаимное притяжение. Увеличение разветвленности увеличивает степень приближе­ния к сферической симметрии для молекулы, что снижает возможность межмолекулярных контактов. Так, температуры кипения следующих изомеров: пентана, 2-метилбутана и диметилпропана снижаются в этом ряду.

В целом цис-формы геометрически изомерных алкенов имеют более низкие температуры плавления, чем транс-формы из-за большей симметрии последних. Так, цис- и транс-2-бутены плавятся при –139 и –106 °С.

Введение заместителей приводит к замещенному соединению, имеющему более высокие температуры кипения и плавления, чем углеводороды сравнимого молекулярного веса. Наличие заместителя вызывает появление сильных сил притяжения за счёт поляризации связей; ещё больше увеличивают межмолекулярное притяжение водородные связи (самые сильные между карбоксильными группами). Например, пентаналь, 1-пентанол и бутановая кислота имеют приблизительно одинаковые молекулярные массы (86 и 88 г/моль), а их температуры кипения сильно отличаются: 103, 138 и 164 °С соответственно.