ренными веществами-восстановителями, которые легко окисляются, и очень медленно - с трудноокисляемыми. Последние могут постепенно окисляться микроорганизмами, присутствующими в воде и потребляю щими при этом кислород. В результате концентрация растворенного ки слорода в водоеме снижается и ухудшаются условия для жизнедеятельно сти рыб и других живых организмов. Поэтому концентрация растворенно го кислорода и изменение ее во времени являются чрезвычайно важными показателями для характеристики качества сточных и природных вод.
Определение концентрации растворенного в воде кислорода основано на обменной реакции получения гидроксида двухвалентного марганца, который при взаимодействии с кислородом количественно окисляется:
MnS04 |
+ 2NaOH - Mn(OH) 2 + K2S04 |
2Mn(OH) 2 + 0 2 |
* 2MnO(OH) 2 |
Содержание продукта окисления - соединения Mn(IV) - |
количествен |
но определяют методом иодометрии. |
|
|
6 . |
Биохимическое потребление кислорода (ВПК). Определяемый |
показатель характеризует изменение концентрации растворенного кисло рода во времени и содержание в воде биологически разлагаемых веществ (чаще всего легко окисляемых органических веществ) или аэробных мик роорганизмов. В момент взятия пробы определяется концентрация рас творенного в воде кислорода описанным выше методом. Затем проба воды хранится в темноте в течение б суток (БПК5), 10 суток (БПК10) или 20 суток (БПКэд)' По истечении определенного срока хранения опять опреде ляется концентрация растворенного в воде кислорода. По реюности кон центраций до хранения и после устанавливается содержание в анализи руемой пробе соединений, легко окисляемых растворенным кислородом, или живых организмов, потребляющих растворенный кислород.
ВПК характеризует степень загрязнения водоемов восстановите лями или потребителями кислорода:
Степень загрязнения водоемов |
БПК5, м г /л |
Практически чистые водоемы |
< 30 |
Слабое загрязнение |
30 - 80 |
Сильное загрязнение |
> 80 |
Сильное увеличение ВПК природных водоемов чаще всего связано с разрастанием в них синезеленых, зеленых и красных водорослей, которые несъедобны для большинства рыб. Разрастание этих водорослей затруд няет рост других живых систем и способствует размножению микроор ганизмов, разлагающих мертвые растительные и животные ткани. Все это приводит к уменьшению концентрации растворенного кислорода, т. е. к старению водоемов. Этот процесс называется эвтрофикацией. Эвтрофикацию водоемов усугубляют азотные и фосфатные удобрения, ко торые смываются с полей в эти водоемы, а также синтетические мою щие вещества, содержащие 30-40 % полифосфатов.
7. Перманганатная проба (окисляемость воды). Этот показатель ха рактеризует содержание органических веществ, способных окисляться пер манганатом калия в кислой среде, т. е. достаточно сильных восстановителей:
Органические вещества + КМп04 + H2S04 —► С02 + MnS04 + К2»304 + Н20
Определение осуществляется при кипячении подкисленной пробы воды с избытком КМп04. Остаток КМп04 оттитровывается оксалатом на трия в кислой среде:
2KMn04 + 5Na2G p4 + 8Нз804 = 2MnS04 + 10С02 + |
+ 5Na2S04 + 4Н20 |
8 . Химическое потребление кислорода (ХПК). Характеризует со
держание всех органических веществ, растворенных в воде, в том числе и трудноокисляемых соединений. Определение основано на окислении органических веществ очень сильным окислителем при нагревании. С этой целью к пробе воды добавляют дихромат калия и концентриро ванную серную кислоту:
Органические вещества + K2Cr207 + H2SO4 —► CrfSO^ + K2SO4 + С02 + Н20
После кипячения раствора остаток К2Сг207 оттитровывается методом
иодометрии:
К2Сг20 7 + 6KI + 7H2S04 = 4K2S04 + Cr2(S04)3 + 3I2 + 7H20 I2 "f 2Na2S20 3 * Na2S40($ ■+■2NaI
Кроме перечисленных общих показателей, природные и сточные воды могут анализироваться на содержание тех или иных электролитов или различных металлов, включая прежде всего металлы-токсиканты, а также содержание разнообразных пестицидов и диоксинов.
Пестициды - это препараты для борьбы с вредоносными и нежела тельными микроорганизмами, растениями и животными. Наиболее ток сичны пестициды, которые представляют собой ртутьили полигалоген содержащие органические соединения. К последним относятся ДДТ (дихлордифенилтрихлорметилметан) и полихлорированные бифенилы. Эти соединения химически устойчивы и не разлагаются микроорганизмами. Поэтому они накапливаются в биосфере и в живых организмах, пре пятствуя их размножению или вызывая уродства. В настоящее время производство и использование ДДТ запрещено.
Особенно опасными являются диоксины в силу их чрезвычайно вы
сокой токсичности и биологической активности. Диоксины - это группа полихлорированных соединений, например полихлорированные дибен- зо-1,4-диоксины (ПХДД), дибензофураны (ПХДФ), бифенилы (ПХБФ) и многие другие. Диоксины образуются в качестве побочных веществ во многих технологических процессах - от целлюлозно-бумажного про изводства до биологической очистки сточных вод, хлорирования пить евой воды и сжигания отходов. Эти вещества по своей токсичности превосходят соединения тяжелых металлов, хлорорганические пести циды, а по канцерогенности - ароматический углеводород бензпирен. Диоксины способны накапливаться в организме, вызывая многие тяже лые заболевания: перерождение кожи и слизистых оболочек, разруше ние печени, злокачественные новообразования, нарушения в развитии плода у женщин. Они могут быть причиной иммунодефицита. Наибо лее опасен 2,3,7,8 -тетрахлордибензо-1,4-диоксин: его летальная доза
составляет 0,07 мг/кг.
ДДТ |
2,3,7,8-тетрахлордибензо-1,4-диоксин |
Выявление наличия пестицидов и особенно диоксинов в исследуе мых системах требует использования очень чувствительных совре менных физико-химических методов: жидкостной хроматографии, масс-спектрометрии или хромато-масс-спектрометрии.
МОДУЛЬ IV
ОСНОВЫ
БИООРГАНИЧЕСКОЙ
ХИМИИ
Глава 15
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Глава 16
АЛИФАТИЧЕСКИЕ И АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Глава 17
СПИРТЫ, ФЕНОЛЫ, ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ, тиолы И СУЛЬФИДЫ
Глава 18
АЛЬДЕГИДЫ, КЕТОНЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ
Глава 19
КАРБОНОВЫЦ КИСЛОТЫ И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
Глава 20
ЛИПИДЫ
Глава 21
АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ
Глава 22
УГЛЕВОДЫ И ПОЛИСАХАРИДЫ
Глава 23
БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Важная роль в развитии биологии, био химии, биофизики, физиологии, фармаколо гии и медицины принадлежит еще одному разделу химии - биоорганической химии, изучающей строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельно сти, в непосредственной связи с познанием их биологических функций. Биоорганическая химия вместе с другими разделами химии формирует химическое мировоззрение, ко торое необходимо для рассмотрения и по нимания на молекулярном уровне проблем биологии и медицины. Фундаментальной про блемой биоорганической химии является вы яснение взаимосвязи структуры соединения с механизмом его биологического функцио нирования, т. е. установление взаимосвязи
структура - функция.
Биоорганическая химия базируется на ор ганической химии, которая возникла как раз дел химии, изучающий вещества живой при роды. Очень важную роль в становлении ор ганической химии сыграла теория строения органических соединений, основоположником которой является великий русский ученый Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886). С основными положениями этой теории вы познакомились в школе. В настоящем учеб нике рассматриваются основные понятия ор ганической химии, необходимые для усвое ния основ биоорганической химии.
ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
|
Функциональные |
Основные классы |
Номенклатура |
|
группы |
|
|
|
|
|
|
|
ИЗОМЕРИЯ |
|
|
СТРУКТУРНАЯ |
|
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ |
|
Изомерия |
Изомерия |
|
Конфигурационная |
|
положения |
Конформационная |
|
|
|
|
|
углеродного функциональной |
(поворотная) геометрическая оптическая |
|
скелета |
группы |
|
|
|
|
|
|
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ |
МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИЙ |
|
|
|
|
Гетеролитический, |
Гомолитический, |
|
Индуктивный |
Мезомерный |
электрофильно- |
свободно |
|
±/ |
±М |
|
нуклеофильные |
радикальные |
|
|
|
|
реакции |
реакции |
Глава 15
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
После изучения этой главы выдолжны:
-знать названия и формулы важнейших функциональных групп, основные классы органических соединений, основные принципы международной номенклатуры;
-уметь в соответствии с правилами номенклатуры называть органические вещества исходя из их структурных формул, и, на- оборот, составлять структурные формулы органических веществ по их номенклатурным названиям;
-знать виды изомерии, характерные особенности и различия изомеров, таутомеров, конформеров и энантиомеров;
-иметь представление об электронных эффектах заместителей
иих влиянии на реакционные центры молекул;
-знать механизмы реакций и способы разрыва ковалентной связи, иметь понятие о нуклеофилах, электрофилах, свободных ра дикалах и знать типы органических реакций.
15 .1 . ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ И НОМЕНКЛАТУРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Приступая к изучению основ биоорганической химии, необ ходимо повторить материал о ковалентной связи (разд. 2 .1 .) и осо бенности свойств атома углерода и его соединений (разд. 1 2 .2 .1),
так как этот материал будет широко использоваться в модуле IV.
Наиболее устойчивой и относительно малоизменяемой частью сложного органического вещества является углеродная цепь - уг леродный скелет. В зависимости от структуры углеродного ске лета все органические соединения классифицируются на ацик лические и циклические.
А ц и к л и ч е с к и е с о е д и н е н и я - соединения с откры той (незамкнутой) углеродной цепью. Их простейшими представи телями являются алифатические углеводороды, содержащие толь ко атомы углерода и водорода, которые могут быть насыщенны ми (алканы) и ненасыщенными (алкены, алкадиены, алкины).
Углеродная цепь может быть неразветвленной (например, в н-гексане) и разветвленной (например, в 2,3-диметилбутане).
АЛКАНЫ
СНз СНз
сн 3—сн 2—сн 2—сн 2— сн 2— СН3 |
сн 8— сн— сн— сн 3 |
м-гексан |
|
|
2,3-диметилбутан |
I ал кен ы ] |
Iал кад и ен ы ! |
|
Iа л ки н ы ! |
сн 3— с н = с н 2 |
н2с = с н — с н = с н 2 |
н с = с н |
пропен |
бутадиен-1,8 |
|
этин (ацетилен) |
Ц и к л и ч е с к и е |
с о е д и н е н и я - |
соединения с замкну |
той углеродной цепью. В зависимости от природы атомов, со ставляющих цикл, различают карбоциклические и гетероцик лические соединения.
К а р б о ц и к л и ч е с к и е с о е д и н е н и я содержат в цикле только атомы углерода и делятся на две существенно разли чающиеся по химическим свойствам группы: алициклические соединения (циклоалканы), например циклопропан, циклогексан, и ароматические соединения (арены), например бензол,
нафталин.
I ц иклоалканы
„Н 2
Г 2 |
' |
с' |
СН2 |
|
А |
|
|
|
Н2С СН2 |
и с |
с |
сн |
|
|
|
|
|
циклопропан |
|
Н2 |
|
нафталин |
циклогексан |
Г е т е р о ц и к л и ч е с к и е |
с о е д и н е н и я содержат в цикле |
кроме атомов углерода один или несколько атомов других эле ментов - гетероатомов: кислород, азот, серу и др. Эти соединения могут иметь как ароматический (пиррол, пиридин, тиофен), так и неароматический характер (этиленоксид, пирролидин).
IАРОМАТИЧЕСКИЕI |НЕАРОМАТИЧЕСКИЁ]
о |
о |
о |
H2V/CT! |
Н2С\н ! /СНг 2 |
N |
N |
|
|
N |
Н |
|
|
|
|
|
|
н |
пиррол |
пиридин |
тиофен |
этиленоксид |
пирролидин |
При систематизации органические соединения делят на клас сы в соответствии с тем, какие функциональные группы имеются в молекулах.
Функциональная группа - атом или группа атомов, определяющие принадлежность соединения к определен ному классу и ответственные за его химические свой ства.
Химические свойства данного класса органических соедине ний определяются как характером углеродного скелета, так и числом и характером функциональных групп. Соединения с не сколькими одинаковыми функциональными группами называ ются полифункциональными, например:
сн 2—сн— сн 2 |
\ |
/? |
I |
l l |
S' |
с |
он |
он он |
но/ |
\он |
|
глицерин |
щавелевая кислота |
Соединения с разными функциональными группами называют
гетерофункциональнымщ например:
|
|
/> |
сн 2—сн— сн— сн— сн—Сч |
он он он он |
он |
н |
глюкоза |
|
|
(полигидроксиальдегид) |
|
H3N— сн 2— а к т |
сн 3— сн— соон |
|
|
он |
глицин |
молочная кислота |
(аминокислота) |
(гидроксикислота) |
Номенклатура. В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC - Междуна родный союз теоретической и прикладной химии).
Основу названия органического соединения по этой номенк латуре составляет название главной углеродной цепи молекулы.
Она не всегда самая длинная, но обязательно должна содержать самую старшую функциональную группу данного соединения.
Функциональные группы обозначаются префиксами (пристав ками) или суффиксами. В табл. 15.1 приведены основные функ
циональные группы в последовательности возрастания их стар шинства и указаны соответствующие им префиксы и суффиксы. Функциональные группы необходимо выучить и запомнить, чтобы, взглянув на структурную формулу вещества, вы могли сразу определить, какие функциональные группы имеются в этом веществе и к какому классу органических веществ оно относится.
Основ ные пр авила м е ж д у н а р о д н о й н о м е н к л а т у р ы . Название соединения составляют из префиксов, корня и суффиксов.
Префиксами (табл. 15.1, 15.2) обозначают названия всех функциональных групп данного соединения, располагаемых в алфавитном порядке, кроме старшей, название которой обозна чают суффиксом.
Корень обозначает название главной углеродной цепи или карбоциклической или гетероциклической структуры.
Суффиксами (табл. 15.1) обозначают степень насыщенности главной цепи (-ан, -ен, -ин) и старшую функциональную груп пу. Следовательно, название органического соединения состав ляется по следующей схеме:
Префиксы |
Корень |
Суффиксы |
указывают русские |
указывает название |
указывают: |
названия всех функ |
главной углеродной це |
степень на- |
название |
циональных групп |
пи или карбоцикличе |
сыщенности |
старшей |
в алфавитном по |
ской или гетероцикли |
главной цепи |
группы |
рядке (кроме стар |
ческой структуры |
(-ан, -ен, -ин) |
|
шей группы) |
|
|
|
Таблица 15.1
Основные функциональные группы, обозначаемые суффиксами и префиксами, в порядке убывания их старшинства
|
Название класса соединений |
Функциональная группа |
Префикс |
Суффикс |
|
и его общая формула |
|
|
|
|
|
Карбоновые кислоты |
Карбоксильная |
карбокси- |
-карбоновая |
|
R— |
- < °ОН |
|
кислота |
|
|
|
|
ОН |
|
|
|
Сульфоновые кислоты |
Сульфокислотная |
сульфо- |
-сульфоно |
|
0 |
0 |
|
вая кислота |
|
II |
II |
|
|
|
R—S—ОН |
— S—OH |
|
|
|
0 |
II |
|
|
|
0 |
|
|
Таблица 15.2
Функциональные группы, обозначаемые только префиксами
|
Название класса соединений |
Функциональная группа |
Префикс |
|
и его общая формула |
|
|
|
Галогенпроизводные
R—Hal
Нитратопроизводные R—0N02
Нитропроизводные R—N0 2
Простые эфиры R—О—R
Сульфиды
R—S—R
Дисульфиды
R—S—S—R
Гидропероксиды R—0 —0 —Н
Алкилпероксиды R—0 —0 —R
—F; —Cl; —Br; —I
—SR
—S—SR
галоген(о)-
нитрато-
нитро-
алкокси-
алкилтио-
алкилдитио-
гидроперокси-
алкилперокси-
В главной цепи нумерацию атомов углерода начинают с того конца, к которому ближе расположена старшая функциональ ная группа, а если ее нет, то .цепи нумеруют так, чтобы замес тители получили наименьшие номера. В гетероцикле начало нумерации определяет гетероатом.
Перед префиксами и после суффиксов соответствующих функ циональных групп и суффиксов степени насыщенности ставят цифры, указывающие положения групп и кратных связей, кото рые отделяют друг от друга запятыми, а от префиксов, суффик сов и названий групп - дефисом. После суффиксов “-аль” или “-овая кислота” цифры, указывающие положение альдегидной или карбоксильной группы, не ставят, так как с их атома угле рода начинается нумерация главной цепи.
Для одинаковых функциональных групп перед их префик сами или суффиксами используются греческие числительные: ди-, три-, тетра-, пента- и т. д. При наличии в соединении не скольких одинаковых заместителей при одном и том же атоме углерода цифра, обозначающая место этих заместителей, повто ряется в названии столько раз, сколько имеется заместителей, и они ставятся перед соответствующим греческим числитель-
