Общая и биоорганическая химия. Органическая химия. Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ

Биоорганическая химия – раздел химии, который тесно связан с такими специальными дисциплинами медицинских факультетов вузов, как биохимия, фармакология, физиология, молекулярная биология. Она является областью науки, изучающей строение и механизмы функционирования биологически активных молекул с позиций и представлений органической химии, определяющей закономерности во взаимосвязи строения и реакционной способности органических соединений.

Основное внимание в настоящем курсе лекций уделено классифицированию органических соединений по строению углеродного скелета и природе функциональных групп, закономерностям, связывающим химические строение органических молекул с характером их реакционных центров, связи их электронного и пространственного строения с механизмами химических превращений.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Органические соединения – это соединения углерода

(кроме наиболее простых), в которых он проявляет валентность IV.

Органическая химия – это химия углеводородов и их производных.

Атом углерода в органических соединениях находится в возбужденном состоянии и имеет четыре неспаренных электрона:

sp3

Атом углерода в возбужденном состоянии способен:

1)образовывать прочные связи с другими атомами углерода, что приводит к формированию цепей и циклов;

2)вследствие различного типа гибридизации орбиталей формировать простые, двойные и тройные связи между атомами углерода и с другими атомами (H, O, N, S, P и др.);

3)соединяться с четырьмя различными атомами, что приводит к образованию разветвленных углеродных цепочек.

Типы гибридизации атома углерода в органических соединениях:

sp3-гибридизация

Все четыре валентные орбитали участвуют в гибридизации. Валентный угол 109о28’ (тетраэдр). Атомы углерода образуют только простые (σ) связи – соединение насыщенное.

4

sp2-гибридизация

Образуются три гибридные и одна негибридная орбиталь. Валентный угол 120о (плоские структуры, правильный треугольник). Гибридные орбитали образуют σ-связи. Негибридные орбитали образуют π-связи. sp2-Гибридизация характерна для непредельных соединений с одной π-связью.

sp-гибридизация

Образуются две гибридные и две негибридные орбитали. Валентный угол 180о (линейные структуры). Атом углерода в состоянии sp-гибридизации принимает участие в образовании двух двойных связей или одной тройной связи.

Теория строения органических соединений сформу-

лирована в 1861 г А.М. Бутлеровым и включает следующие положения:

1.Все атомы, входящие в состав молекулы, связаны между собой в строго определенной последовательности в соответствии с их валентностями. Порядок соединения атомов в молекулу обусловливает ее химическое строение.

2.Свойства органических соединений зависят не только от качественного и количественного состава веществ, но и от порядка их соединения (химического строения молекулы).

3.Атомы в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга, т.е. свойства групп атомов в молекуле могут изменяться в зависимости от природы других атомов, входящих в состав молекулы. Группа атомов, определяющая химические свойства органических молекул, носит название

функциональная группа.

4.Каждое органическое соединение имеет лишь одну химическую формулу. Зная химическую формулу, можно предсказать свойства соединения, а изучая на практике его свойства, установить химическую формулу.

5

Органическая молекула

Типы углеродного скелета:

–Ациклический:

•разветвленный;

•нормальный (линейный).

–Циклический:

•карбоциклический (цикл только из атомов углерода);

•гетероциклический (кроме атомов углерода в цикл входят некоторые другие атомы – азота, кислорода, серы).

Типы атомов углерода в углеводородной цепи:

СН3

Н3С СН2 СН С СН3 СН3 СН3

–первичные атомы углерода (соединены в цепи только с одним атомом углерода, является концевым);

–вторичный атом углерода (соединен с двумя соседними атомами углерода, находится в середине цепи);

–третичный атом углерода (находится на разветвлении углеродной цепи, соединен с тремя атомами углерода);

–четвертичный атом углерода (не имеет других заместителей, кроме атомов углерода).

6

Функциональная группа – особая группа атомов,

которая определяет химические свойства соединений.

Примеры функциональных групп:

–ОН – гидроксильная группа (спирты, фенолы);

CO – карбонильная группа (кетоны, альдегиды);

O

Атомы, входящие в состав органического соединения, могут по-разному соединяться в молекулы. Например, соединению состава С2Н6О может отвечать два химических соединения, имеющих разные физические и химические свойства:

Состав органического соединения – число атомов различных элементов входящих в его молекулу. Изомеры – соединения, имеющие одинаковый состав, но разное химическое строение. Изомеры обладают различными химическими свойствами.

7

ТИПЫ ИЗОМЕРИИ

1. Структурная изомерия

Изомерия углеродной цепи:

Изомерия положения кратных связей:

Изомерия положения функциональной группы:

2. Стереоизомерия

Геометрическая (пространственная, цис-транс- изомерия соединений с двойными связями):

Геометрическая изомерия возможна в том случае, если каждый из атомов углерода, участвующий в образовании двойной связи, имеет разные заместители. Так, для бутена-1 СН2=СН–СН2–СН3 геометрическая изомерия невозможна,

8

так как один из атомов углерода при двойной связи имеет два одинаковых заместителя (атомы водорода).

Геометрическая (пространственная, цис-транс- изомерия циклических предельных соединений):

цис-1,2-диметилциклопропан транс-1,2-диметилциклопропан

Геометрическая изомерия возможна в том случае, если хотя бы два атома углерода, образующих цикл, имеют разные заместители.

Оптическая:

Оптическая изомерия – вид стереоизомерии, обусловленный хиральностью молекул. В природе имеются соединения, которые соотносятся как две руки одного человека. Одним из свойств этих соединений является их несовместимость со своим зеркальным отражением. Это свойство называется хиральностью (от греч. «сheir» – рука).

Оптическая активность молекул обнаруживается при действии на них поляризованного света. Если через раствор оптически активного вещества пропустить поляризованный луч света, то произойдет вращение плоскости его поляризации. Оптические изомеры обозначают, используя префиксы d- и l-.

Для облегчения восприятия оптической изомерии Э. Фишер предложил плоские формулы, отражающие конфигурацию хиральных центров:

9

Оптическая изомерия возможна, если в молекуле присутствуют один или несколько атомов углерода в состоянии sp3-гибридизации, которые содержат четыре разных заместителя.

3. Конформационная (поворотная) изомерия

Вследствие тетраэдрической конфигурации химических связей в насыщенных соединениях углеводородные цепи не линейны, а располагаются в пространстве зигзагообразно; угол между связями соответствует тетраэдрическому:

Вокруг простой С–С связи происходит свободное вращение, поэтому цепи в пространстве могут принимать различные формы или конформации. Свободное вращение тормозится взаимодействием атомов водорода при соседних атомах углерода:

10