ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ – ДОРАБОТАННОЕ (01.2005г)

Дополнен теоретический материал, количество формул увеличилось, исправлены многие ошибки.

Введение в биоорганическую химию. Строение, классификация и принципы современной номенклатуры органических соединений.

Биоорганическая химия изучает строение и свойства, участвующих в процессах жизнедеятельности веществ, в непосредственной связи с познанием их биологических функций. Биоорганическая химия уделяет основное внимание вопросам строения и реакционной способности биологически значимых соединений, оказывает большое влияние на развитие всех дисциплин медико-биологического профиля и тесно связана с решением важных вопросов практического здравоохранения.

Без знания строения и свойств биополимеров и биорегуляторов невозможно познание сущности биологических процессов. Возможность синтетического получения аналогов природных соединений открывает пути к выяснению механизма действия химического соединения в клетке. Поэтому биоорганическая химия играет большую роль в выяснении таких важных вопросов как молекулярный механизм иммунитета, процессов зрения, памяти, нервной проводимости, а так же механизм действия ферментов и лекарственных веществ.

В живом организме протекает множество химических реакций. Совокупность этих реакций называется обменом веществ, или метаболизмом. Метаболизм включает: катаболизм и анаболизм. Катаболизм – реакции распада веществ, подающихся в организм с пищей. Анаболизм – синтез сложных молекул из более простых, в результате которого осуществляется образование и обновление структурных компонентов живого организма.

Классификация органических соединений

Огромное количество органических соединений, которых в настоящий момент насчитывается около 7 млн., классифицируют с учётом строения углеродной цепи (углеродного скелета) и присутствующих в молекуле функциональных групп. В зависимости от строения углеродной цепи органические соединения делятся на ациклические и циклические.

Ациклические соединения – соединения с открытой (незамкнутой) углеродной цепью. Их простейшими представителями являются алифатические углеводороды. Алифатические углеводороды содержат только атомы углерода и водорода, и могут быть насыщенными (алканы) и ненасыщенными (алкены, алкадиены, алкины).

Циклические соединения – соединения с замкнутой углеродной цепью. В зависимости от природы атомов, составляющих цикл, различают карбоциклические и гетероциклические соединения.

Карбоциклические соединения содержат в цикле только атомы углерода и делятся на две группы: алифатические циклические и ароматические соединения.

Гетероциклические соединения содержат в цикле, кроме атомов углерода, один или несколько атомов других элементов – гетероатомов – кислород, азот, серу.

Органические соединения можно рассматривать как углеводороды или их производные, полученные путём введения в углеводороды функциональных групп.

Функциональная группа – атом или группа атомов, определяющие принадлежность соединения к определённому классу и ответственные за его химические свойства.

Номенклатура органических соединений

Номенклатура представляет собой систему правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному соединению. В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК. Однако, в органической химии, сохраняются и тривиальные (обыденные) названия, использовавшиеся ещё до того, как становилось известным строение вещества.

Для пользования систематической номенклатурой ИЮПАК необходимо знать содержание ряда номенклатурных терминов: родоначальная структура, характеристическая группа, заместитель и органический радикал.

Родоначальная структура – химическая структура, составляющая основу называемого соединения, например, в качестве родоначальной структуры рассматриваются главная углеродная цепь в ациклических соединениях и цикл в карбоциклических и гетероциклических соединениях.

Характеристическая группа – функциональная группа, связанная с родоначальной структурой или частично входящая в её состав.

Заместитель – любой атом или группа атомов, замещающие в исходном соединении атом водорода.

Органический радикал – остаток молекулы, из которой удалены один или несколько атомов водорода, при этом остаются свободными одна или несколько валентностей.

Взаимное влияние атомов в органических молекулах Электронные эффекты заместителей

.

азывается П-избыточной системмочной системмойее электроотрицательному атому азота. 0000000000000000000000000000000000000000000Органическая химия - это химия соединений углерода, которых в настоящее время насчитывается около 7 млн. В молекулах органических соединений имеются ковалентные - и П-связи, которые могут быть полярными и неполярными.

Неполярные ковалентные возникают между атомами с одинаковыми величинами электроотрицательности, например: в пропане СН₃-СН₂-СН₃. В молекулах органических соединений атом углерода может быть соединён с атомами: О,N,Cl,Br,F и другими гетероатомами, имеющими более высокое значение электроотрицательности по сравнению с атомами углерода. Это приводит к поляризации ковалентной связи, например: в молекуле 1-хлорпропана (CH₃-CH₂-CH₂-Cl). Гетероатом или заместитель вызывает поляризацию не только "своей" -связью, но и передаёт своё влияние на соседние -связи проявляя индуктивный эффект:

Индуктивный эффект - это передача электронного влияния заместителя по цепи -связей.

Индуктивный эффект обозначается I или знаком "", причём остриё стрелки направлено в сторону более электроотрицательного элемента. Действие индуктивного эффекта наиболее значительно проявляется на двух ближайших атомах углерода, а через 3-4 связи он затухает. Заместители, смещающие электронную плотность по цепи -связей в свою сторону, проявляют отрицательный индуктивный эффект (-I). Это так называемые электроноакцепторные заместители (ЭА-заместители), например: -OH, -NH₂, -F, -Cl, -Br и др. Заместители, смещающие электронную плотность от себя, повышая её в цепи, проявляют положительный индуктивный эффект (+I). Это электронно-донорные заместители (ЭД-заместители), например: -CH₃, -C₂H₅, -Na, -K и др. В молекулах органических соединений наряду с индуктивным эффектом заместителей также проявляется мезомерный эффект, который действует в сопряжённых системах.

Сопряжёнными называются системы с чередующимися простыми и двойными связями (...-С=С-С=С-...), или системы, в которых у соседнего, с двойной связью, гетероатома имеется р_z-орбиталь с неподелённой парой электронов.

Сопряжённые системы делятся на открытые и замкнутые.

Открытые сопряжённые системы

Примером может служить бутадиен-1,3 СН₂=СН-СН=СН₂. Рассмотрим на этом примере возникновение П,П-сопряжения.

В молекуле бутадиена-1,3 атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации.

Атомы углерода, соединяясь между собой -связями, образуют сигма-скелет молекулы. Р_z атомные орбитали каждого атома располагаются перпендикулярно плоскости -скелета и параллельно друг другу, что создаёт условия для их взаимного перекрывания.

Происходит перекрывание р_z-орбиталей атомов С₁иС₂, С₂иС₃, С₃иС₄. В результате него возникает единое сопряженное П-электронное облако, равномерно распределенное (делокализованное) по всей системе. Так возникает П,П-сопряжение при взаимодействии р_z-орбиталей и пи-связью.

Р,П-сопряжённие возникает при взаимодействии р_z-орбитали гетероатома, имеющего не поделённую пару электронов, с П-связью. Рассмотрим на примере дивинилового эфира.

Замкнутые сопряжённые системы

При определённых условиях в циклических молекулах могут возникать замкнутые сопряжённые системы, например: в молекуле бензола С₆Н₄. В молекуле бензола атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. Система связей С-С и С-Н образует плоский сигма-скелет молекулы (бензольный цикл).

Р_z атомные орбитали каждого атома располагаются перпендикулярно плоскости -скелета и параллельно друг другу, что создаёт условия для их взаимного перекрывания.

В результате взаимного перекрывания р₂-орбиталей атомов углерода возникает единое замкнутое сопряженное р-электронное облако, делокализованное на всех атомах цикла. Такая система называется ароматической.

Хюккель установил критерии ароматичности (1931г):

1.Молекула имеет циклическое строение.

2.Все атомы цикла, находясь в состоянии sp₂-гибридизации, соединяясь между собой -связями, образуют плоский сигма-скелет молекулы. Р_z-орбитали каждого атома располагаются перпендикулярно плоскости -скелета и параллельно друг другу, что создаёт условия для их взаимного перекрывания.

3.Врезультате взаимного перекрывания взаимного перекрывания р_z-орбиталей возникает единое замкнутое сопряжение - П-электоронное облако, делокализованное на всех атомах цикла и содержащее в соответствии с правилом Хюккеля (4n+2) пи-электроны, где n-любое натуральное число (1,2,3...). Для бензола n=1, отсюда ароматическая система бензола содержит (4*1+2)=6 пи-электронов, или ароматический секстет.

Критериям ароматичности также отвечают конденсированные бензоидные соединения, например: нафталин,

природные гетероциклические соединения, например: пиррол,

имидазол.

Рассмотрим критерии ароматичности на примере имидазола,

где 1-пиррольный атом азота, 2-пиридиновый атом азота.

Молекула имидазола отвечает всем трём критериям ароматичности. Для имидазола n=1, следовательно, система имидазола содержит (4*1+2)=6 П-электронов. В ароматический секстет имидазола поставляют по одному электрону три атома углерода и пиридиновый атом азота. Пиррольный атом азота поставляет два электрона (цикл имидазола с П-орбиталями).

Пиррольный атом азота находится в состоянии sp²-гибридизации. Три гибридные орбитали пиррольного азота участвуют в образовании -связей с соседними атомами углерода и водорода. Четвёртая негибридная р_z-орбиталь участвует в образовании ароматического секстета, поставляя в него неподелённую пару электронов.

Две гибридные атомные орбитали пиридинового атома азота участвуют в образовании -связей с соседними атомами углерода. Третья гибридная атомная орбиталь с неподелённой парой электронов лежит в плоскости -скелета, обуславливая свойства пиридинового атома азота как основания, т.е. способность присоединять протон Н⁺.

Четвёртая негибридная р_z-атомная орбиталь участвует в образовании ароматического секстета,

доставляя в него один электрон. В молекулах имидазола 6-электронное П-облако делокализованно на пяти атомах цикла.

Такая система называется П-избыточной системой.

В молекуле другого гетероциклического соединения – пиридина – электронная плотность 6-электронного П-облака смещена к более электроотрицательному атому азота. Такая система называется П-недостаточной.

Образование сопряжённой системы приводит к выравниванию длин связей, равномерному распределению электронной плотности в молекуле, снижению энергетического уровня системы. Всё это способствует стабилизации молекулы. О термодинамической устойчивости сопряжённой системы судят по величине энергии сопряжения, которая рассчитывается по формуле:

Е=Е_н-Е_с, где

Е – энергия сопряжения

Е_н – полная П-электронная энергия несопряжённой системы

Е_с – полная П-электронная энергия сопряжённой системы

Энергия напряжения равна энергии стабилизации – это та энергия, которая выделяется при образовании сопряжённой системы из несопряжённой системы. В открытых сопряжённых системах чем длиннее цепь сопряжения, тем выше энергия сопряжения и стабильнее система. Замкнутые сопряжённые системы более стабильны, чем открытые.

Мезомерный эффект – это передача электронного влияния заместителя по системе сопряжённых связей в сопряжённой системе. Мезомерный эффект обозначается М или графически стрелкой, начало которой указывает какие р- или П-электроны смещаются, а конец – связь или атом, к которому смещается электронная плотность. Мезомерный эффект заместителей проявляется как в открытых так и в замкнутых сопряжённых системах.

Мезомерный эффект в открытых сопряжённых системах

(пентадиен-2,4-аль с эффектами)

Альдегидная группа и другие заместители, содержащие кратные связи, (например: -СООН, -SO₃H₂, -NO₂) вступая в П,П-сопряжение с сопряжённой системой, оттягивают на себя электронную плотность, понижая её в сопряжённой системе. Они проявляют отрицательный мономерный эффект (-М).

В молекуле этого альдегида также проявляется индуктивный эффект заместителя, который направлен к более электроотрицательному атому кислорода.

Для прогнозирования свойств органических соединений необходимо учитывать результирующее влияние электронных эффектов заместителей. Для этого дают характеристику заместителю с учётом проявляемых эффектов.

Для альдегидной группы: -CHO (-I,-M,ЭА). Под влиянием ЭА-заместителя в молекуле пентадиен-2,4-аля электронная плотность смещается к заместителю и подвижна в углеродной цепи.

Мезомерный эффект в замкнутой сопряжённой системе

Рассмотрим на примере фенола С₆Н₅ОН (фенол с эффектами).

Гидроксогруппа –:ОН, -:NH₂, и другие заместители, содержащие неподелённую пару электронов у гетероатома, вступая в р,П-сопряжение с сопряжённой системой, поставляют в ней неподелённую пару электронов, повышая в неё электронную плотность. Они проявляют положительный мезомерный эффект (+М). Это ЭД-заместители.

-:ОН (-I,+M; +M>>-I, ЭД)

Под влиянием ЭД-заменителя (гидроксогруппы) в молекуле фенола и положениях 2,4,6 (орто- и пара-) появляются реакционные центры, несущие частично отрицательные заряды – нуклеофильные реакционные центры. Заместитель гидроксогруппа относится к ориентам первого рода, т.к. непроявляет последующее замещение в орто- и пара-положения.

Рассмотрим молекулу бензольной кислоты (бензольная кислота с эффектами).

-СООН (-I,-M; ЭА).

Под влиянием ЭА заместителя в молекуле бензольной кислоты в метаположении проявляются реакционные нуклеофильные центры. Заместитель СООН – группа относится к ориентантам второго рода, т.к. направляет последующие заместители в метаположение.

В молекулах ряда органических соединений индуктивный и мезомерный эффекты заместителей действуют одновременно. При этом они могут быть либо однонаправленными, либо противоположно направленными. В большинстве случаев мезомерный эффект преобладает над индуктивным. У галогенов преобладающим является индуктивный эффект. Учитывая перераспределение электронной плотности, происходящее в молекулах органических соединений под влиянием электронных эффектов заместителей, могут прогнозироваться свойства органических соединений.