Bioorganska hemija (BOC), njen značaj u medicini. Bioorganska hemija za studente medicine Svrha i ciljevi nastavne discipline
hemija- nauka o strukturi, svojstvima supstanci, njihovim transformacijama i pratećim pojavama.
Zadaci:
1. Proučavanje strukture materije, razvoj teorije strukture i svojstava molekula i materijala. Važno je uspostaviti vezu između strukture i različitih svojstava supstanci i na osnovu toga izgraditi teorije reaktivnosti neke supstance, kinetike i mehanizma hemijskih reakcija i katalitičkih pojava.
2. Sprovođenje ciljane sinteze novih supstanci sa određenim svojstvima. Ovdje je također važno pronaći nove reakcije i katalizatore za efikasniju sintezu već poznatih i industrijski važnih spojeva.
3. Tradicionalni zadatak hemije dobio je poseban značaj. Povezan je kako s povećanjem broja hemijskih objekata i svojstava koja se proučavaju, tako i s potrebom utvrđivanja i smanjenja posljedica čovjekovog utjecaja na prirodu.
Hemija je opća teorijska disciplina. Osmišljen je tako da studentima pruži savremeno naučno razumijevanje materije kao jedne od vrsta pokretne materije, o načinima, mehanizmima i metodama pretvaranja nekih supstanci u druge. Poznavanje osnovnih hemijskih zakona, vladanje tehnikama hemijskog proračuna, razumevanje mogućnosti koje hemija pruža uz pomoć drugih stručnjaka koji rade u njenim pojedinačnim i užim oblastima značajno ubrzava postizanje željenog rezultata u različitim oblastima inženjerske i naučne delatnosti.
Hemijska industrija je jedna od najvažnijih industrija u našoj zemlji. Hemijska jedinjenja, različiti sastavi i materijali koje proizvodi koriste se svuda: u mašinstvu, metalurgiji, poljoprivredi, građevinarstvu, elektro i elektronskoj industriji, komunikacijama, transportu, svemirskoj tehnologiji, medicini, svakodnevnom životu itd. Glavni pravci razvoja Savremena hemijska industrija su: proizvodnja novih jedinjenja i materijala i povećanje efikasnosti postojećih industrija.
IN medicinska škola studenti studiraju opštu, bioorgansku, biološku hemiju, kao i kliničku biohemiju. Znanje studenata o kompleksu hemijskih nauka u njihovom kontinuitetu i međusobnoj povezanosti pruža veće mogućnosti, veći prostor za istraživanje i praktičnu upotrebu različitih pojava, svojstava i obrazaca i doprinosi ličnom razvoju.
Specifične karakteristike studiranje hemijskih disciplina na medicinskom univerzitetu su:
· međuzavisnost između ciljeva hemijskog i medicinsko obrazovanje;
· univerzalnost i fundamentalnost ovih kurseva;
· posebnost konstruisanja njihovog sadržaja u zavisnosti od prirode i opštih ciljeva doktorske obuke i njegove specijalizacije;
· jedinstvo proučavanja hemijskih objekata na mikro i makro nivou sa otkrivanjem različitih oblika njihove hemijske organizacije kao jedinstvenog sistema i različitih funkcija koje ispoljava (hemijske, biološke, biohemijske, fiziološke itd.) u zavisnosti od njihovog priroda, okruženje i uslovi;
· zavisnost od povezanosti hemijskih znanja i veština sa stvarnošću i praksom, uključujući i medicinsku praksu, u sistemu „društvo – priroda – proizvodnja – čovek“, zbog neograničenih mogućnosti hemije u stvaranju sintetičkih materijala i njihovog značaja u medicini , razvoju nanohemije, kao i u rješavanju ekoloških i mnogih drugih globalnih problemačovječanstvo.
1. Odnos između metaboličkih procesa i energije u tijelu
Životni procesi na Zemlji u velikoj su mjeri određeni akumulacijom sunčeve energije u nutrijentima - proteinima, mastima, ugljikohidratima i kasnijim transformacijama ovih tvari u živim organizmima uz oslobađanje energije. Shvaćanje odnosa između hemijskih transformacija i energetskih procesa u organizmu se posebno jasno uvidjelo nakon toga djela A. Lavoisier-a (1743-1794) i P. Laplacea (1749-1827). Oni su direktnim kalorimetrijskim mjerenjima pokazali da je energija koja se oslobađa u procesu života određena oksidacijom hrane kisikom iz zraka koji udišu životinje.
Metabolizam i energija – skup procesa transformacije supstanci i energije koji se odvijaju u živim organizmima, te razmjene tvari i energije između tijela i okruženje. Metabolizam supstanci i energije osnova je života organizama i jedna je od najvažnijih specifičnih karakteristika žive materije koja razlikuje živo od neživog. U metabolizmu, odnosno metabolizmu, osigurava najsloženija regulacija na različitim nivoima, mnogi enzimski sistemi su uključeni. Tijekom metaboličkog procesa, tvari koje ulaze u tijelo pretvaraju se u vlastite tvari tkiva i u finalne produkte koji se izlučuju iz tijela. Tokom ovih transformacija energija se oslobađa i apsorbuje.
Sa razvojem u XIX-XX veku. termodinamika - nauka o međusobnoj konverziji toplote i energije - postalo je moguće kvantitativno izračunati transformaciju energije u biohemijskim reakcijama i predvideti njihov pravac.
Razmjena energije može se vršiti prijenosom topline ili radom. Međutim, živi organizmi nisu u ravnoteži sa svojom okolinom i stoga se mogu nazvati neravnotežnim otvorenim sistemima. Međutim, kada se posmatra u određenom vremenskom periodu, nema vidljivih promena u hemijskom sastavu tela. Ali to ne znači to hemijske supstance, koji čine tijelo, ne prolaze nikakve transformacije. Naprotiv, oni se stalno i prilično intenzivno obnavljaju, što se može suditi po stopi ugradnje stabilnih izotopa i radionuklida u složene tvari tijela, unesenih u ćeliju u sastavu više jednostavne supstance-prethodnici.
Postoji jedna stvar između metabolizma i metabolizma energije fundamentalna razlika. Zemlja ne gubi niti dobija nikakvu značajnu količinu materije. Materija u biosferi se razmjenjuje u zatvorenom ciklusu itd. više puta korišten. Razmjena energije se odvija drugačije. Ne kruži u zatvorenom ciklusu, već je djelimično raspršen u vanjski prostor. Stoga je za održavanje života na Zemlji neophodan stalan protok energije sa Sunca. Već 1 godinu u procesu fotosinteze na globus apsorbuje oko 10 21 feces solarna energija. Iako predstavlja samo 0,02% ukupne energije Sunca, to je nemjerljivo više od energije koju koriste sve mašine koje je napravio čovjek. Količina supstance koja učestvuje u cirkulaciji je jednako velika.
2. Hemijska termodinamika kao teorijska osnova bioenergije. Predmet i metode hemijske termodinamike
Hemijska termodinamika proučava prelaze hemijske energije u druge oblike – toplotnu, električnu itd., utvrđuje kvantitativne zakonitosti ovih prelaza, kao i pravac i granice spontanog odvijanja hemijskih reakcija u datim uslovima.
Termodinamička metoda se zasniva na nizu strogih koncepata: „sistem“, „stanje sistema“, „unutrašnja energija sistema“, „funkcija stanja sistema“.
Objekat proučavanje termodinamike je sistem
Isti sistem može biti u različitim stanjima. Svako stanje sistema karakteriše određeni skup vrijednosti termodinamičkih parametara. Termodinamički parametri uključuju temperaturu, pritisak, gustinu, koncentraciju itd. Promjena barem jednog termodinamičkog parametra dovodi do promjene stanja sistema u cjelini. Termodinamičko stanje sistema naziva se ravnotežno ako ga karakteriše konstantnost termodinamičkih parametara u svim tačkama sistema i ne menja se spontano (bez utroška rada).
Hemijska termodinamika proučava sistem u dva ravnotežna stanja (konačno i početno) i na osnovu toga utvrđuje mogućnost (ili nemogućnost) spontanog procesa pod datim uslovima u određenom pravcu.
Termodinamika studije međusobne transformacije razne vrste energije povezane s prijenosom energije između tijela u obliku topline i rada. Termodinamika se zasniva na dva osnovna zakona, koji se nazivaju prvi i drugi zakon termodinamike. Predmet studija u termodinamici je energija i zakoni uzajamnih transformacija oblika energije tokom hemijskih reakcija, procesa rastvaranja, isparavanja, kristalizacije.
Hemijska termodinamika - sekcija fizička hemija, proučavanje procesa interakcije supstanci pomoću termodinamičkih metoda.
Glavni pravci hemijske termodinamike su:
Klasična hemijska termodinamika, koja proučava termodinamičku ravnotežu uopšte.
Termohemija, koja proučava toplotne efekte koji prate hemijske reakcije.
Teorija rješenja, koja modelira termodinamička svojstva tvari na osnovu ideja o molekularnoj strukturi i podataka o međumolekularnim interakcijama.
Hemijska termodinamika je usko povezana sa granama hemije kao što je analitička hemija; elektrohemija; koloidna hemija; adsorpcija i hromatografija.
Razvoj hemijske termodinamike tekao je istovremeno na dva načina: termohemijski i termodinamički.
Pojavu termohemije kao nezavisne nauke treba smatrati otkrićem Hermana Ivanoviča Hesa, profesora na Univerzitetu u Sankt Peterburgu, o odnosu između toplotnih efekata hemijskih reakcija – Hesovih zakona.
3. Termodinamički sistemi: izolovani, zatvoreni, otvoreni, homogeni, heterogeni. Koncept faze.
Sistem- ovo je skup supstanci koje su u interakciji, mentalno ili stvarno izolovane iz okoline (epruveta, autoklav).
Hemijska termodinamika razmatra prelaze iz jednog stanja u drugo, dok se neki mogu promijeniti ili ostati konstantni. opcije:
· izobaričan– pri konstantnom pritisku;
· izohorni– pri konstantnoj zapremini;
· izotermni– na konstantnoj temperaturi;
· izobarno - izotermno– pri konstantnom pritisku i temperaturi itd.
Termodinamička svojstva sistema mogu se izraziti pomoću nekoliko funkcije stanja sistema, zvao karakteristične funkcije: unutrašnja energijaU , entalpija H , entropija S , Gibbsova energija G , Helmholtzova energija F . Karakteristične funkcije imaju jednu osobinu: ne zavise od načina (puta) postizanja datog stanja sistema. Njihova vrijednost je određena parametrima sistema (pritisak, temperatura itd.) i zavisi od količine ili mase supstance, pa je uobičajeno da se odnose na jedan mol supstance.
Prema načinu prenošenja energije, materije i informacija između sistema koji se razmatra i okoline, termodinamički sistemi se klasifikuju:
1. Zatvoreni (izolovani) sistem- ovo je sistem u kojem nema razmjene energije, materije (uključujući zračenje) ili informacija sa vanjskim tijelima.
2. Zatvoreni sistem- sistem u kome postoji razmena samo sa energijom.
3. Adijabatski izolovani sistem - Ovo je sistem u kojem postoji razmjena energije samo u obliku topline.
4. Otvoreni sistem je sistem koji razmjenjuje energiju, materiju i informacije.
Klasifikacija sistema:
1) ako je moguć prenos toplote i mase: izolovani, zatvoreni, otvoreni. Izolovani sistem ne razmenjuje ni materiju ni energiju sa okolinom. Zatvoreni sistem razmjenjuje energiju sa okolinom, ali ne razmjenjuje materiju. Otvoreni sistem izmjenjuje i materiju i energiju sa svojom okolinom. Koncept izolovani sistem koristi se u fizičkoj hemiji kao teorijski.
2) po unutrašnjoj strukturi i svojstvima: homogena i heterogena. Sistem se naziva homogenim, unutar kojeg ne postoje površine koje dijele sistem na dijelove koji se razlikuju po svojstvima ili hemijski sastav. Primeri homogenih sistema su vodeni rastvori kiselina, baza i soli; plinske mješavine; pojedinac čiste supstance. Heterogeni sistemi sadrže prirodne površine unutar sebe. Primeri heterogenih sistema su sistemi koji se sastoje od supstanci koje se razlikuju po stanju agregacije: metal i kiselina, gas i čvrsta supstanca, dve tečnosti nerastvorljive jedna u drugoj.
Faza je homogeni dio heterogenog sistema, istog sastava, fizički i Hemijska svojstva, odvojen od ostalih dijelova sistema površinom, pri prolasku kroz koju se svojstva sistema naglo mijenjaju. Faze su čvrste, tečne i gasovite. Homogeni sistem se uvek sastoji od jedne faze, heterogeni - od nekoliko. Prema broju faza, sistemi se dijele na jednofazne, dvofazne, trofazne itd.
5.Prvi zakon termodinamike. Unutrašnja energija. Izobarični i izohorni termalni efekti .
Prvi zakon termodinamike- jedan od tri osnovna zakona termodinamike, predstavlja zakon održanja energije za termodinamičke sisteme.
Prvi zakon termodinamike formulisan je sredinom 19. veka kao rezultat rada nemačkog naučnika J. R. Majera, engleskog fizičara J. P. Džoula i nemačkog fizičara G. Helmholca.
Prema prvom zakonu termodinamike, termodinamički sistem može počiniti radi samo zbog svoje unutrašnje energije ili bilo kojeg vanjskog izvora energije .
Prvi zakon termodinamike često se formuliše kao nemogućnost postojanja perpetualnog motora prve vrste, koji bi obavljao posao bez crpenja energije iz bilo kog izvora. Proces koji se odvija na konstantnoj temperaturi naziva se izotermni, pri konstantnom pritisku - izobaričan, pri konstantnoj zapremini – izohorni. Ako je tokom procesa sistem izolovan od spoljašnjeg okruženja na način da je isključena razmena toplote sa okolinom, proces se naziva adijabatski.
Unutrašnja energija sistema. Kada sistem prelazi iz jednog stanja u drugo, mijenjaju se neka njegova svojstva, posebno unutrašnja energija U.
Unutrašnja energija sistema je njegova ukupna energija, koja se sastoji od kinetičke i potencijalne energije molekula, atoma, atomskih jezgara i elektrona. Unutrašnja energija uključuje energiju translacije, rotacije i energije oscilatorna kretanja, kao i potencijalnu energiju zbog sila privlačenja i odbijanja koje djeluju između molekula, atoma i unutaratomskih čestica. Ne uključuje potencijalnu energiju položaja sistema u prostoru i kinetičku energiju kretanja sistema kao celine.
Unutrašnja energija je termodinamička funkcija stanja sistema. To znači da kad god se sistem nađe u datom stanju, njegova unutrašnja energija poprima određenu vrijednost inherentnu ovom stanju.
∆U = U 2 - U 1
gdje su U 1 i U 2 unutrašnja energija sistema V konačno i početno stanje, respektivno.
Prvi zakon termodinamike. Ako sistem razmenjuje toplotnu energiju Q i mehaničku energiju (rad) A sa spoljašnjim okruženjem, a istovremeno prelazi iz stanja 1 u stanje 2, količina energije koju oslobađa ili apsorbuje sistem oblika toplote Q ili rad A je jednak ukupna energija sistema prilikom prelaska iz jednog stanja u drugo i snima se.
BIOORGANSKA HEMIJA proučava odnos između strukture organskih supstanci i njihovih bioloških funkcija, koristeći uglavnom metode organske i fizičke hemije, kao i fizike i matematike. Bioorganska hemija u potpunosti pokriva hemiju prirodnih spojeva i djelomično se preklapa s biohemijom i molekularna biologija. Predmet njegovog proučavanja su biološki važna prirodna jedinjenja - uglavnom biopolimeri (proteini, nukleinske kiseline, polisaharidi i mješoviti biopolimeri) i niskomolekularne biološki aktivne tvari - vitamini, hormoni, antibiotici, toksini i dr., kao i sintetički analozi prirodnih spojeva, lijekova, pesticida itd.
Bioorganska hemija se kao samostalna oblast pojavila u 2. polovini 20. veka na razmeđu biohemije i organske hemije zasnovane na tradicionalnoj hemiji prirodnih jedinjenja. Njegovo formiranje povezuje se s imenima L. Paulinga (otkriće α-heliksa i β-strukture kao glavnih elemenata prostorne strukture polipeptidnog lanca u proteinima), A. Todd (razjašnjenje hemijska struktura nukleotidi i prva sinteza dinukleotida), F. Sanger (razvoj metode za određivanje sekvence aminokiselina u proteinima i njeno korištenje za dešifriranje primarne strukture inzulina), V. Du Vigneault (izolacija, uspostavljanje strukture i hemijska sinteza peptidnih hormona - oksitocina i vazopresina), D. Barton i V. Prelog (konformaciona analiza), R. Woodward (kompletna hemijska sinteza mnogih kompleksnih prirodnih jedinjenja, uključujući rezerpin, hlorofil, vitamin B 12) itd.; u SSSR-u su ogromnu ulogu imali radovi N.D.Zelinskog, A.N.Belozerskog, I.N.Nazarova, N.A.Preobraženskog i dr. Pokretač istraživanja bioorganske hemije u SSSR-u ranih 1960-ih bio je M.M.Šemjakin. Konkretno, započeo je rad (kasnije široko razvijen) na proučavanju cikličkih depsipeptida koji obavljaju funkciju jonofora. Lider domaće bioorganske hemije 1970-80-ih bio je Yu.A. Ovchinnikov, pod čijim je vodstvom uspostavljena struktura desetina proteina, uključujući membranske proteine (po prvi put) - bakteriorhodopsin i goveđi vidni rodopsin.
Glavna područja bioorganske hemije uključuju:
1. Razvoj metoda za izolaciju i prečišćavanje prirodnih spojeva. Istovremeno, za kontrolu stepena pročišćavanja, često se koristi specifična biološka funkcija supstance koja se proučava (na primer, čistoća antibiotika kontroliše se njegovom antimikrobnom aktivnošću, hormona dejstvom na određeni biološki proces, i tako dalje). Prilikom odvajanja složenih prirodnih mješavina često se koriste metode tečne hromatografije i elektroforeze visokih performansi. Od kraja 20. vijeka, umjesto traženja i izolacije pojedinačnih komponenti, vrši se totalni skrining bioloških uzoraka na najveći mogući broj komponenti određene klase jedinjenja (vidi Proteomika).
2. Određivanje strukture supstanci koje se proučavaju. Pod strukturom se ne podrazumijeva samo uspostavljanje prirode i poretka veza atoma u molekulu, već i njihov prostorni raspored. Za to se koriste različite metode, prvenstveno hemijske (hidroliza, oksidativno cijepanje, tretman specifičnim reagensima), koje omogućavaju dobijanje jednostavnijih supstanci sa poznatom strukturom, iz kojih se rekonstruiše struktura izvorne supstance. Široko se koriste automatski uređaji koji brzo rješavaju standardne probleme, posebno u hemiji proteina i nukleinskih kiselina: analizatori za kvantitativno određivanje sastava aminokiselina i nukleotida i sekvenceri za određivanje redoslijeda aminokiselinskih ostataka u proteinima i nukleotidima u nukleinske kiseline. Važnu ulogu u proučavanju strukture biopolimera imaju enzimi, posebno oni koji ih specifično cijepaju duž strogo određenih veza (npr. proteinaze koje kataliziraju reakcije cijepanja peptidnih veza na ostatke glutaminske kiseline, prolina, arginina i lizina, ili restrikcijski enzimi koji specifično cijepaju fosfodiestarske veze u polinukleotidima). Informacije o strukturi prirodnih jedinjenja dobijaju se i korišćenjem fizičkih metoda istraživanja – uglavnom masene spektrometrije, nuklearne magnetne rezonancije i optičke spektroskopije. Povećanje efikasnosti hemijskih i fizičkih metoda postiže se istovremenom analizom ne samo prirodnih jedinjenja, već i njihovih derivata koji sadrže karakteristične, posebno uvedene grupe i obeležene atome (npr. uzgojem bakterija - proizvođača određenog jedinjenja na podlozi koja sadrži prekursori ovog jedinjenja, obogaćeni stabilni ili radioaktivni izotopi). Pouzdanost podataka dobijenih proučavanjem kompleksnih proteina značajno se povećava uz istovremeno proučavanje strukture odgovarajućih gena. Prostorna struktura molekule i njihovi analozi u kristalnom stanju proučavaju se analizom difrakcije rendgenskih zraka. Rezolucija u nekim slučajevima dostiže vrijednosti manje od 0,1 nm. Za rješenja, najinformativnija metoda je NMR u kombinaciji s teorijskom konformacijskom analizom. Dodatne informacije daju metode optičke spektralne analize (elektronski i fluorescentni spektri, spektri kružnog dikroizma, itd.).
3. Sinteza samih prirodnih spojeva i njihovih analoga. U mnogim slučajevima, hemijska ili hemijsko-enzimska sinteza je jedini način da se dobije željena supstanca u velikim (preparativnim) količinama. Za relativno jednostavna niskomolekularna jedinjenja kontrasinteza služi kao važan kriterijum za ispravnost prethodno određene strukture. Stvoreni su automatski sintetizatori proteina i polinukleotida koji mogu značajno smanjiti vrijeme sinteze; uz njihovu pomoć sintetiziran je niz proteina i polinukleotida koji sadrže nekoliko stotina monomernih jedinica. Hemijska sinteza- glavni način dobijanja lekova neprirodnog porekla. U slučaju prirodnih supstanci, često nadopunjuje ili se takmiči s biosintezom.
4. Uspostavljanje ćelijskog i molekularnog cilja na koji je biološki usmjereno djelovanje aktivna supstanca, rasvjetljavanje hemijskog mehanizma njegove interakcije sa živom ćelijom i njenim komponentama. Razumijevanje molekularnog mehanizma djelovanja neophodno je za produktivnu upotrebu biomolekula, sa njihovom često izuzetno visokom aktivnošću (na primjer, toksina), kao alata za proučavanje bioloških sistema; služi kao osnova za ciljanu sintezu novih, praktično važnih supstanci sa unapred određenim svojstvima. U brojnim slučajevima (na primjer, kada se proučavaju peptidi koji utiču na aktivnost nervni sistem) ovako dobijene supstance imaju značajno pojačanu aktivnost, u odnosu na originalni prirodni prototip, promenjenu u željenom pravcu.
Bioorganska hemija je usko povezana sa rastvorom praktični problemi medicina i Poljoprivreda(dobivanje vitamina, hormona, antibiotika i drugih lijekova, stimulansa rasta biljaka, regulatora ponašanja životinja, uključujući insekte), hemijska, prehrambena i mikrobiološka industrija. Kao rezultat kombinacije metoda bioorganske kemije i genetskog inženjeringa, postalo je moguće praktično riješiti problem industrijske proizvodnje složenih, biološki važnih supstanci proteinsko-peptidne prirode, uključujući i visokomolekularne tvari kao što su humani inzulin, α -, β- i γ-interferoni i ljudski hormon rasta.
Lit.: Dugas G., Penny K. Bioorganic chemistry. M., 1983; Ovchinnikov Yu. A. Bioorganic chemistry. M., 1996.
“ … Bilo je toliko nevjerovatnih incidenata,
Da joj se sada ništa nije činilo mogućim ”
L. Carroll "Alisa u zemlji čuda"
Bioorganska hemija se razvila na granici između dve nauke: hemije i biologije. Trenutno su im se pridružile medicina i farmakologija. Sve ove četiri nauke koriste savremenim metodama fizičko istraživanje, matematička analiza i kompjutersko modeliranje.
Godine 1807 J.Ya. Berzelius predložio da se nazovu tvari poput maslinovog ulja ili šećera, koje su uobičajene u živoj prirodi organski.
U to vrijeme već su bila poznata mnoga prirodna jedinjenja koja su se kasnije počela definirati kao ugljikohidrati, proteini, lipidi i alkaloidi.
Godine 1812. ruski hemičar K.S. Kirchhoff pretvorio škrob zagrijavanjem s kiselinom u šećer, kasnije nazvan glukoza.
1820. godine, francuski hemičar A. Braconno, tretiranjem proteina želatinom, dobio je supstancu glicin, koja pripada klasi jedinjenja koja kasnije Berzelius imenovani amino kiseline.
Datumom rođenja organske hemije može se smatrati delo objavljeno 1828 F. Velera, koji je prvi sintetizirao supstancu prirodnog porijekla – urea- iz neorganskog jedinjenja amonijum cijanata.
Godine 1825. fizičar Faraday izolovao benzen iz gasa koji je korišćen za osvetljavanje grada Londona. Prisustvo benzena može objasniti zadimljeni plamen londonskih lampi.
Godine 1842 N.N. Zinin izveo sintet z anilinom,
Godine 1845. A.V. Kolbe, učenik F. Wöhlera, sintetizirao je octenu kiselinu - nesumnjivo prirodno organsko jedinjenje - iz polaznih elemenata (ugljik, vodonik, kisik)
Godine 1854 P. M. Bertlot zagrijani glicerin sa stearinskom kiselinom i dobijen tristearin, za koji se ispostavilo da je identičan prirodnom spoju izoliranom iz masti. Dalje P.M. Berthelot uzeo druge kiseline koje nisu izolirane iz prirodnih masti i dobio spojeve vrlo slične prirodnim mastima. Ovime je francuski hemičar dokazao da je moguće dobiti ne samo analoge prirodnih jedinjenja, već i stvaraju nove, slične i u isto vrijeme različite od prirodnih.
Mnoga velika dostignuća u organskoj hemiji u drugoj polovini 19. veka povezana su sa sintezom i proučavanjem prirodnih supstanci.
Godine 1861., njemački hemičar Friedrich August Kekule von Stradonitz (u naučnoj literaturi uvijek nazvan jednostavno Kekule) objavio je udžbenik u kojem je definirao organsku hemiju kao hemiju ugljika.
U periodu 1861-1864. Ruski hemičar A.M. Butlerov je stvorio jedinstvenu teoriju strukture organskih jedinjenja, koja je omogućila prenošenje svih postojećih dostignuća na jednu naučne osnove i otvorio put razvoju nauke organske hemije.
U istom periodu, D.I. Mendelejev. poznat širom sveta kao naučnik koji je otkrio i formulisao periodični zakon promjene svojstava elemenata, objavio je udžbenik “Organska hemija”. Na raspolaganju imamo njegovo 2. izdanje (ispravljeno i prošireno, Publikacija partnerstva „Javna korist“, Sankt Peterburg, 1863. 535 str.)
Veliki naučnik je u svojoj knjizi jasno definisao vezu između organskih jedinjenja i vitalnih procesa: “Mnoge procese i tvari koje organizmi proizvode umjetno možemo reprodukovati izvan tijela. Tako se proteinske supstance, koje se uništavaju kod životinja pod uticajem kiseonika koji apsorbuje krv, pretvaraju u amonijumove soli, ureu, sluzni šećer, benzojevu kiselinu i druge supstance koje se obično izlučuju urinom... Uzeto zasebno, svaka vitalna pojava nije rezultat neke specijalne snage , ali je učinjeno od strane opšti zakoni priroda" U to vrijeme bioorganska hemija i biohemija se još nisu pojavile kao
nezavisnim pravcima, u početku su bili ujedinjeni fiziološka hemija, ali su postepeno na osnovu svih dostignuća prerasle u dvije samostalne nauke.
Nauka o proučavanju bioorganske hemije vezu između strukture organskih supstanci i njihovih bioloških funkcija, koristeći uglavnom metode organske, analitičke, fizičke hemije, kao i matematike i fizike
Glavna odlika ovog predmeta je proučavanje biološke aktivnosti supstanci u vezi sa analizom njihove hemijske strukture
Objekti proučavanja bioorganske hemije: biološki važni prirodni biopolimeri - proteini, nukleinske kiseline, lipidi, male molekularne supstance - vitamini, hormoni, signalni molekuli, metaboliti - supstance uključene u energetski i plastični metabolizam, sintetičke droge.
Glavni zadaci bioorganske hemije uključuju:
1. Razvoj metoda za izolovanje i prečišćavanje prirodnih jedinjenja, korišćenjem medicinskih metoda za procenu kvaliteta leka (npr. hormona na osnovu stepena njegove aktivnosti);
2. Određivanje strukture prirodnog jedinjenja. Koriste se sve metode hemije: određivanje molekulske mase, hidroliza, analiza funkcionalnih grupa, metode optičkog istraživanja;
3. Razvoj metoda za sintezu prirodnih spojeva;
4. Proučavanje zavisnosti biološkog djelovanja od strukture;
5. Pojašnjenje prirode biološke aktivnosti, molekularnih mehanizama interakcije sa različitim ćelijskim strukturama ili sa njenim komponentama.
Razvoj bioorganske hemije tokom decenija povezan je sa imenima ruskih naučnika: D.I.Mendeleeva, A.M. Butlerov, N.N. Zinin, N.D. Zelinsky A.N. Belozersky N.A. Preobraženski M.M. Šemjakin, Yu.A. Ovchinnikova.
Osnivači bioorganske hemije u inostranstvu su naučnici koji su napravili mnoga velika otkrića: strukturu sekundarne strukture proteina (L. Pauling), potpunu sintezu hlorofila, vitamin B 12 (R. Woodward), upotrebu enzima u sinteza složenih organskih supstanci. uključujući gen (G. Koran) i druge
Na Uralu u Jekaterinburgu u oblasti bioorganske hemije od 1928. do 1980. godine. radio je kao šef katedre za organsku hemiju UPI, akademik I. Ya. Postovsky, poznat kao jedan od osnivača u našoj zemlji naučnog pravca traženja i sinteze lijekova i autor niza lijekova (sulfonamidi, antitumorski, antiradijacioni, antituberkuloza). Njegova istraživanja nastavljaju studenti koji rade pod rukovodstvom akademika O.N. Chupakhin, V.N. Čarušina na USTU-UPI i na Institutu za organsku sintezu im. I JA. Postovsky Ruska akademija Sci.
Bioorganska hemija je usko povezana sa zadacima medicine i neophodna je za proučavanje i razumevanje biohemije, farmakologije, patofiziologije i higijene. Sve naučni jezik bioorganska hemija, usvojena notacija i metode koje se koriste ne razlikuju se od organske hemije koju ste učili u školi
Bioorganska hemija je nauka koja proučava strukturu i svojstva supstanci uključenih u životne procese u direktnoj vezi sa poznavanjem njihovih bioloških funkcija.
Bioorganska hemija je nauka koja proučava strukturu i reaktivnost biološki značajnih jedinjenja. Predmet bioorganske hemije su biopolimeri i bioregulatori i njihovi strukturni elementi.
Biopolimeri uključuju proteine, polisaharide (ugljikohidrate) i nukleinske kiseline. Ova grupa također uključuje lipide, koji nisu BMC, ali su obično povezani s drugim biopolimerima u tijelu.
Bioregulatori su jedinjenja koja hemijski regulišu metabolizam. To uključuje vitamine, hormone i mnoga sintetička jedinjenja, uključujući i lekovite supstance.
Bioorganska hemija se zasniva na idejama i metodama organske hemije.
Bez znanja opšti obrasci organsku hemiju, teško je proučavati bioorgansku hemiju. Bioorganska hemija je usko povezana sa biologijom, biološka hemija, medicinska fizika.
Skup reakcija koje se dešavaju u uslovima organizma naziva se metabolizam.
Supstance koje nastaju tokom metabolizma nazivaju se - metaboliti.
Metabolizam ima dva pravca:
Katabolizam je reakcija razlaganja složenih molekula na jednostavnije.
Anabolizam je proces sinteze složenih molekula iz jednostavnijih supstanci koristeći energiju.
Termin biosinteza se primjenjuje na hemijska reakcija IN VIVO (u tijelu), IN VITRO (izvan tijela)
Postoje antimetaboliti - konkurenti metabolita u biohemijskim reakcijama.
Konjugacija kao faktor povećanja stabilnosti molekula. Međusobni utjecaj atoma u molekulima organskih jedinjenja i načini njegovog prenošenja
Pregled predavanja:
Uparivanje i njegove vrste:
p, p - uparivanje,
r,p - konjugacija.
Energija konjugacije.
Spregnuti sistemi otvorenog kola.
Vitamin A, karoteni.
Konjugacija u radikalima i ionima.
Spregnuti sistemi zatvorenog kruga. Aromatičnost, kriterijumi aromatičnosti, heterociklična aromatična jedinjenja.
Kovalentna veza: nepolarna i polarna.
Induktivni i mezomerni efekti. EA i ED su zamjene.
Glavni tip hemijskih veza u organskoj hemiji su kovalentne veze. U organskim molekulima atomi su povezani s i p vezama.
Atomi u molekulima organskih jedinjenja povezani su kovalentnim vezama, koje se nazivaju s i p vezama.
Jednostruka s - veza u SP 3 - hibridizovanom stanju karakteriše l - dužina (C-C 0,154 nm), E-energija (83 kcal/mol), polaritet i polarizabilnost. Na primjer:
Dvostruka veza je karakteristična za nezasićena jedinjenja, u kojima pored centralne s-veze postoji i preklapanje okomito na s-vezu, što se naziva π-vezom).
Dvostruke veze su lokalizirane, odnosno gustina elektrona pokriva samo 2 jezgra vezanih atoma.
Najčešće ćemo se ti i ja baviti konjugirani sistemima. Ako se dvostruke veze izmjenjuju s jednostrukim vezama (a u općenitom slučaju, atom povezan s dvostrukom vezom ima p-orbitalu, tada se p-orbitale susjednih atoma mogu preklapati jedna s drugom, formirajući zajednički p-elektronski sistem). Takvi sistemi se nazivaju konjugirani ili delokalizirani . Na primjer: butadien-1,3
p, p - konjugirani sistemi
Svi atomi u butadienu su u SP 2 hibridiziranom stanju i leže u istoj ravni (Pz nije hibridna orbitala). Rz – orbitale su međusobno paralelne. To stvara uslove za njihovo međusobno preklapanje. Do preklapanja Pz orbitale dolazi između C-1 i C-2 i C-3 i C-4, kao i između C-2 i C-3, tj. delokalizovan kovalentna veza. To se odražava u promjenama dužine veze u molekulu. Dužina veze između C-1 i C-2 je povećana, a između C-2 i C-3 je skraćena u poređenju sa jednostrukom vezom.
l-C -S, 154 nm l S=S 0,134 nm
l S-N 1,147 nm l S =O 0,121 nm
r, p - uparivanje
Primjer p, π konjugiranog sistema je peptidna veza.
r, p - konjugirani sistemi
Dvostruka veza C=0 je proširena na 0,124 nm u poređenju sa uobičajenom dužinom od 0,121, a C–N veza postaje kraća i postaje 0,132 nm u poređenju sa 0,147 nm u normalnom slučaju. Odnosno, proces delokalizacije elektrona dovodi do izjednačavanja dužina veza i smanjenja unutrašnje energije molekula. Međutim, ρ,p – konjugacija se javlja u acikličkim jedinjenjima, ne samo kada se izmjenjuju = veze s jednostrukim C-C vezama, već i kada se izmjenjuju s heteroatomom:
X atom sa slobodnom p-orbitalom može se nalaziti u blizini dvostruke veze. Najčešće su to O, N, S heteroatomi i njihove p-orbitale koje stupaju u interakciju s p-vezama, formirajući p, p-konjugaciju.
Na primjer:
CH 2 = CH – O – CH = CH 2
Konjugacija se može dogoditi ne samo u neutralnim molekulima, već iu radikalima i ionima:
Na osnovu gore navedenog, u otvorenim sistemima, uparivanje se dešava pod sledećim uslovima:
Svi atomi koji učestvuju u konjugovanom sistemu su u SP 2 - hibridizovanom stanju.
Pz – orbitale svih atoma su okomite na ravan s-skeleta, odnosno paralelne jedna s drugom.
Kada se formira konjugovani multicentrični sistem, dužine veza su izjednačene. Ovdje ne postoje „čiste“ jednostruke i dvostruke veze.
Delokalizacija p-elektrona u konjugovanom sistemu je praćena oslobađanjem energije. Sistem prelazi na niži energetski nivo, postaje stabilniji, stabilniji. Dakle, formiranje konjugovanog sistema u slučaju butadiena - 1,3 dovodi do oslobađanja energije u količini od 15 kJ/mol. Zbog konjugacije se povećava stabilnost ionskih radikala alilnog tipa i njihova rasprostranjenost u prirodi.
Što je duži lanac konjugacije, to je veće oslobađanje energije njegovog formiranja.
Ovaj fenomen je prilično raširen u biološki važnim spojevima. Na primjer:
Stalno ćemo se susresti sa problemima termodinamičke stabilnosti molekula, jona i radikala u toku bioorganske hemije, koja uključuje niz jona i molekula rasprostranjenih u prirodi. Na primjer: 
Zatvoreni spregnuti sistemi
Aromatičnost. U cikličkim molekulima, pod određenim uslovima, može nastati konjugovani sistem. Primjer p, p - konjugiranog sistema je benzen, gdje p - elektronski oblak prekriva atome ugljika, takav sistem se zove - aromatično.
Dobitak energije zbog konjugacije u benzenu je 150,6 kJ/mol. Stoga je benzen termički stabilan do temperature od 900 o C.
NMR je dokazano prisustvo zatvorenog elektronskog prstena. Ako se molekul benzena stavi u vanjsko magnetsko polje, javlja se induktivna struja u prstenu.
Dakle, kriterijum aromatičnosti koji je formulisao Hückel je:
molekul ima cikličnu strukturu;
svi atomi su u SP 2 – hibridizovanom stanju;
postoji delokalizovano p - elektronski sistem, koji sadrži 4n + 2 elektrona, gdje je n broj ciklusa.
Na primjer: 
Posebno mjesto u bioorganskoj hemiji zauzima pitanje aromatičnost heterocikličnih jedinjenja.
U cikličkim molekulima koji sadrže heteroatome (dušik, sumpor, kiseonik) formira se jedan oblak p-elektrona uz učešće p-orbitala ugljikovih atoma i heteroatoma.
Petočlana heterociklična jedinjenja
Aromatični sistem nastaje interakcijom 4 p-orbitale C i jedne orbitale heteroatoma, koja ima 2 elektrona. Šest p elektrona formira aromatični kostur. Takav konjugovani sistem je elektronski suvišan. U pirolu, atom N je u SP 2 hibridizovanom stanju.
Pirol je dio mnogih biološki važnih supstanci. Četiri pirolna prstena formiraju porfin, aromatični sistem sa 26 p - elektrona i visokom energijom konjugacije (840 kJ/mol)
Struktura porfina je dio hemoglobina i hlorofila 
Šestočlana heterociklična jedinjenja
Aromatični sistem u molekulima ovih jedinjenja nastaje interakcijom pet p-orbitala atoma ugljenika i jedne p-orbitale atoma azota. Dva elektrona na dvije SP 2 orbitale sudjeluju u formiranju s - veza sa atomima ugljika u prstenu. P orbitala sa jednim elektronom je uključena u aromatični skelet. SP 2 – orbitala sa usamljenim parom elektrona leži u ravni s-skeleta.
Gustoća elektrona u pirimidinu je pomjerena prema N, odnosno sistem je osiromašen p - elektronima, nedostaje mu elektrona.
Mnoga heterociklična jedinjenja mogu sadržavati jedan ili više heteroatoma 
Jezgra pirola, pirimidina i purina dio su mnogih biološki aktivnih molekula.
Međusobni utjecaj atoma u molekulima organskih jedinjenja i načini njegovog prenošenja
Kao što je već napomenuto, veze u molekulima organskih spojeva ostvaruju se zahvaljujući s i p vezama; elektronska gustoća je ravnomjerno raspoređena između vezanih atoma samo kada su ti atomi isti ili bliski po elektronegativnosti. Takve veze se nazivaju nepolarni. 
CH 3 -CH 2 →CI polarna veza
U organskoj hemiji češće se bavimo polarnim vezama.
Ako je gustina elektrona pomaknuta prema elektronegativnijem atomu, tada se takva veza naziva polarnom. Na osnovu vrijednosti energije veze, američki hemičar L. Pauling predložio je kvantitativnu karakteristiku elektronegativnosti atoma. Ispod je Paulingova skala.
Na Li H S C J Br Cl N O F
0,9 1,0 2,1 2,52,5 2,5 2,8 3,0 3,0 3,5 4,0
Atomi ugljika u različitim stanjima hibridizacije razlikuju se po elektronegativnosti. Stoga je s - veza između SP 3 i SP 2 hibridiziranih atoma - polarna 
Induktivni efekat
Prijenos elektronske gustine putem mehanizma elektrostatičke indukcije duž lanca s-veza naziva se indukcijom, efekat se zove induktivni i označava se sa J. Efekat J, po pravilu, je oslabljen kroz tri veze, ali blisko locirani atomi doživljavaju prilično jak uticaj obližnjeg dipola.
Supstituenti koji pomeraju gustinu elektrona duž lanca s-veze u svom pravcu pokazuju -J – efekat, i obrnuto +J efekat. 
Izolovana p-veza, kao i jedan oblak p-elektrona otvorenog ili zatvorenog konjugovanog sistema, mogu se lako polarizirati pod uticajem EA i ED supstituenata. U tim slučajevima, induktivni efekat se prenosi na p-vezu, pa se označava sa Jp. 
Mezomerni efekat (efekat konjugacije)
Preraspodjela elektronske gustine u konjugovanom sistemu pod uticajem supstituenta koji je član ovog konjugovanog sistema naziva se mezomerni efekat(M-efekat). 
Da bi supstituent bio dio konjugovanog sistema, mora imati ili dvostruku vezu (p,p konjugacija) ili heteroatom sa usamljenim parom elektrona (r,p konjugacija). M – efekat se prenosi kroz spregnuti sistem bez slabljenja.
Supstituenti koji snižavaju elektronsku gustinu u konjugovanom sistemu (pomerena gustina elektrona u njegovom pravcu) pokazuju -M efekat, a supstituenti koji povećavaju gustinu elektrona u konjugovanom sistemu pokazuju +M efekat.
Elektronski efekti supstituenata 
Reaktivnost organskih supstanci uvelike zavisi od prirode J i M efekata. Poznavanje teoretskih mogućnosti elektronskih efekata omogućava nam da predvidimo tok određenih hemijskih procesa.
Kiselinsko-bazna svojstva organskih jedinjenja Klasifikacija organskih reakcija.
Pregled predavanja
Koncept supstrata, nukleofila, elektrofila.
Klasifikacija organskih reakcija.
reverzibilno i nepovratno
radikalni, elektrofilni, nukleofilni, sinhroni.
mono- i bimolekularne
supstitucijske reakcije
reakcije adicije
reakcije eliminacije
oksidacije i redukcije
acidobazne interakcije
Reakcije su regioselektivne, hemoselektivne, stereoselektivne.
Elektrofilne reakcije adicije. Morkovnikova vladavina, anti-Morkovnikovo pristupanje.
Elektrofilne supstitucijske reakcije: orijentanti 1. i 2. vrste.
Kiselinsko-bazna svojstva organskih jedinjenja.
Bronstedova kiselost i bazičnost
Lewisova kiselost i bazičnost
Teorija tvrdih i mekih kiselina i baza.
Klasifikacija organskih reakcija
Sistematizacija organskih reakcija omogućava da se raznolikost ovih reakcija svede na relativno malu veliki broj vrste. Organske reakcije se mogu klasificirati:
prema: reverzibilno i nepovratno
po prirodi promjena veza u supstratu i reagensu.
Supstrat– molekul koji daje atomu ugljika da formira novu vezu
Reagens- spoj koji djeluje na podlogu.
Reakcije na osnovu prirode promjena veza u supstratu i reagensu mogu se podijeliti na:
radikal R
elektrofilni E
nukleofilni N(Y)
sinhroni ili koordinirani 
Mehanizam SR reakcija
Iniciranje
Lančani rast
Otvoreno kolo 
KLASIFIKACIJA PO KONAČNOM REZULTATU
Korespondencija konačnog rezultata reakcije je:
A) supstitucijske reakcije
B) reakcije adicije
B) reakcije eliminacije
D) pregrupisavanja
D) oksidacija i redukcija
E) kiselinsko-bazne interakcije
Događaju se i reakcije:
Regioselektivna– po mogućnosti protok kroz jedan od nekoliko reakcionih centara.
Hemoselektivni– preferencijalna reakcija za jednu od srodnih funkcionalnih grupa.
Stereoselektivni– preferencijalno formiranje jednog od nekoliko stereoizomera.
Reaktivnost alkena, alkana, alkadiena, arena i heterocikličnih jedinjenja
Osnova organskih jedinjenja su ugljovodonici. Razmotrit ćemo samo one reakcije koje se provode u biološkim uvjetima i, shodno tome, ne sa samim ugljovodonicima, već uz sudjelovanje ugljikovodičnih radikala.
Nezasićeni ugljovodonici uključuju alkene, alkadiene, alkine, cikloalkene i aromatični ugljovodonici. Objedinjujući princip za njih je π – elektronski oblak. U dinamičkim uslovima, organska jedinjenja takođe imaju tendenciju da budu napadnuta od strane E+
Međutim, interakcijske reakcije za alkine i arene sa reagensima dovode do različitih rezultata, jer je u ovim jedinjenjima priroda oblaka π - elektrona različita: lokalizovana i delokalizovana.
Započet ćemo naše razmatranje reakcionih mehanizama sa reakcijama A E. Kao što znamo, alkeni su u interakciji 
Mehanizam reakcije hidratacije
Prema Markovnikovom pravilu - dodavanjem nezasićenim ugljovodonicima asimetrične strukture jedinjenja sa opštom formulom HX - atom vodika se dodaje najhidrogenizovanijem atomu ugljenika, ako je supstituent ED. U anti-Markovnikovom dodavanju atom vodonika se dodaje najmanje hidrogeniranom ako je supstituent EA.
Reakcije elektrofilne supstitucije u aromatičnim sistemima imaju svoje karakteristike. Prva karakteristika je da interakcija sa termodinamički stabilnim aromatičnim sistemom zahteva jake elektrofile, koji se obično generišu pomoću katalizatora.
Mehanizam reakcije S E 
UTICAJ ORIJENTACIJE
ZAMJENIK
Ako u aromatičnom prstenu postoji bilo koji supstituent, onda to nužno utiče na distribuciju elektronske gustine prstena. ED - supstituenti (orijentanti 1. reda) CH 3, OH, OR, NH 2, NR 2 - olakšavaju supstituciju u poređenju sa nesupstituisanim benzenom i usmeravaju ulaznu grupu u orto- i para-poziciju. Ako su ED supstituenti jaki, onda katalizator nije potreban, te reakcije se odvijaju u 3 faze.
EA supstituenti (orijentanti druge vrste) ometaju reakcije elektrofilne supstitucije u poređenju sa nesupstituisanim benzenom. SE reakcija se dešava pod strožim uslovima; dolazna grupa ulazi u meta poziciju. Supstituenti tipa II uključuju:
COOH, SO 3 H, CHO, halogeni, itd.
SE reakcije su također tipične za heterociklične ugljovodonike. Pirol, furan, tiofen i njihovi derivati pripadaju π-suvišnim sistemima i prilično lako ulaze u SE reakcije. Lako se halogeniraju, alkiliraju, aciliraju, sulfoniraju i nitriraju. Prilikom odabira reagensa potrebno je uzeti u obzir njihovu nestabilnost u jako kiseloj sredini, odnosno acidofobnost.
Piridin i drugi heterociklični sistemi sa atomom azota piridina su π-nedovoljni sistemi, mnogo teže ulaze u SE reakcije, a nadolazeći elektrofil zauzima β-položaj u odnosu na atom azota. 
Kisela i bazična svojstva organskih jedinjenja
Najvažniji aspekti reaktivnost organska jedinjenja su kiselinsko-bazna svojstva organskih jedinjenja.
Kiselost i bazičnost Također važnih koncepata, koji određuju mnoga funkcionalna fizičko-hemijska i biološka svojstva organskih jedinjenja. Kiselinska i bazna kataliza jedna je od najčešćih enzimskih reakcija. Slabe kiseline i baze su uobičajene komponente bioloških sistema koje igraju važnu ulogu u metabolizmu i njegovoj regulaciji.
U organskoj hemiji postoji nekoliko koncepata kiselina i baza. Brønstedova teorija kiselina i baza, općenito prihvaćena u neorganskoj i organskoj hemiji. Prema Brønstedu, kiseline su tvari koje mogu donirati proton, a baze su tvari koje mogu prihvatiti proton. 
Bronsted acidity
U principu, većina organskih jedinjenja se može smatrati kiselinama, jer je u organskim jedinjenjima H vezan za C, N O S
Organske kiseline se prema tome dijele na C – H, N – H, O – H, S-H – kiseline. 
Kiselost se procjenjuje u obliku Ka ili - log Ka = pKa, što je niži pKa, to je kiselina jača.
Kvantitativna procjena kiselosti organskih jedinjenja nije određena za sve organske tvari. Stoga je važno razviti sposobnost kvalitativne procjene kiselinskih svojstava različitih kiselinskih mjesta. U tu svrhu koristi se opći metodološki pristup.
Jačina kiseline određena je stabilnošću anjona (konjugirane baze). Što je anjon stabilniji, to je kiselina jača.
Stabilnost aniona određena je kombinacijom više faktora:
elektronegativnost i polarizabilnost elementa u kiselinskom centru.
stepen delokalizacije negativnog naboja u anjonu.
priroda radikala povezana sa kiselinskim centrom.
efekti solvatacije (utjecaj rastvarača)
Razmotrimo ulogu svih ovih faktora redom:
Utjecaj elektronegativnosti elemenata
Što je element elektronegativniji, to je naboj delokalizovaniji i što je anjon stabilniji, kiselina je jača.
C (2,5) N (3,0) O (3,5) S (2,5)
Stoga se kiselost mijenja u seriji CH< NН < ОН Za SH kiseline prevladava još jedan faktor - polarizabilnost. Atom sumpora je veće veličine i ima prazne d orbitale. stoga, negativni naboj može delokalizirati preko velike zapremine, što rezultira većom stabilnošću anjona. Tioli, kao jače kiseline, reaguju sa alkalijama, kao i sa oksidima i solima teških metala, dok alkoholi (slabe kiseline) mogu da reaguju samo sa aktivnim metalima. Relativno visoka kiselost tola se koristi u medicini i hemiji lijekova. Na primjer: Koristi se kod trovanja As, Hg, Cr, Bi, čije dejstvo je posledica vezivanja metala i njihovog uklanjanja iz organizma. Na primjer: Prilikom procjene kiselosti jedinjenja sa istim atomom u kiselinskom centru, odlučujući faktor je delokalizacija negativnog naboja u anjonu. Stabilnost anjona se značajno povećava sa pojavom mogućnosti delokalizacije negativnog naboja duž sistema konjugovanih veza. Značajno povećanje kiselosti u fenolima, u odnosu na alkohole, objašnjava se mogućnošću delokalizacije jona u odnosu na molekul. Visoka kiselost karboksilnih kiselina je zbog rezonantne stabilnosti karboksilatnog anjona Delokalizacija naboja je olakšana prisustvom supstituenata koji povlače elektrone (EA), oni stabilizuju anjone, čime se povećava kiselost. Na primjer, uvođenje supstituenta u molekulu EA Utjecaj supstituenta i rastvarača a - hidroksi kiseline su jače kiseline od odgovarajućih karboksilnih kiselina. ED - supstituenti, naprotiv, smanjuju kiselost. Rastvarači imaju veći uticaj na stabilizaciju anjona, po pravilu se bolje rastvore mali joni sa niskim stepenom delokalizacije naelektrisanja. Učinak solvatacije može se pratiti, na primjer, u nizu: Ako atom u kiselinskom centru nosi pozitivan naboj, to dovodi do povećane kiselosti. Pitanje publici: koja kiselina - sirćetna ili palmitinska C 15 H 31 COOH - treba da ima nižu pKa vrednost? Ako atom u kiselinskom centru nosi pozitivan naboj, to dovodi do povećane kiselosti. Može se primijetiti jaka CH - kiselost σ - kompleksa nastala u reakciji elektrofilne supstitucije. Bronsted basicity Da bi se formirala veza s protonom, potreban je nepodijeljeni elektronski par na heteroatomu, ili biti anjoni. Postoje p-baze i π baza, gdje je centar bazičnosti elektroni lokalizovane π veze ili π elektroni konjugovanog sistema (π komponente) Jačina baze zavisi od istih faktora kao i kiselost, ali je njihov uticaj suprotan. Što je veća elektronegativnost atoma, to čvršće drži usamljeni par elektrona i manje je dostupan za vezu s protonom. Tada se, općenito, jačina n-baza s istim supstituentom mijenja u nizu: Najosnovnija organska jedinjenja su amini i alkoholi: Soli organskih jedinjenja sa mineralnim kiselinama su visoko rastvorljive. Mnogi lijekovi se koriste u obliku soli. Kiselinsko-bazni centar u jednoj molekuli (amfoterno) Vodikove veze kao kiselinsko-bazne interakcije Za sve α - aminokiseline postoji prevlast kationskih oblika u jako kiselim i anjonskih u jako alkalnim sredinama. Prisustvo slabih kiselih i baznih centara dovodi do slabih interakcija - vodikovih veza. Na primjer: imidazol, niske molekularne težine, ima visoku tačku ključanja zbog prisustva vodoničnih veza. J. Lewis je predložio opštiju teoriju kiselina i baza, zasnovanu na strukturi elektronskih školjki. Lewisova kiselina može biti atom, molekul ili kation koji ima praznu orbitalu sposobnu prihvatiti par elektrona kako bi formirala vezu. Predstavnici Lewisovih kiselina su halogenidi elemenata grupa II i III periodnog sistema D.I. Mendeljejev. Lewisove baze su atom, molekula ili anion koji može donirati par elektrona. Lewisove baze uključuju amine, alkohole, etre, tiole, tioetere i spojeve koji sadrže π veze. Na primjer, interakcija ispod može se predstaviti kao Lewisova acidobazna interakcija Važna posljedica Lewisove teorije je da se svaka organska supstanca može predstaviti kao kiselinsko-bazni kompleks. U organskim jedinjenjima intramolekularne vodikove veze se javljaju mnogo rjeđe od intermolekularnih, ali se javljaju i u bioorganskim spojevima i mogu se smatrati kiselinsko-baznim interakcijama. Koncepti "tvrdo" i "meko" nisu identični jakim i slabim kiselinama i bazama. To su dvije nezavisne karakteristike. Suština LCMO je da tvrde kiseline reaguju sa tvrdim bazama, a meke kiseline reaguju sa mekim bazama. Prema Pearsonovom principu tvrdih i mekih kiselina i baza (HABP), Lewisove kiseline dijele se na tvrde i meke. Tvrde kiseline su akceptorski atomi male veličine, velikog pozitivnog naboja, visoke elektronegativnosti i niske polarizabilnosti. Meke kiseline su veliki akceptorski atomi sa malim pozitivnim nabojem, niskom elektronegativnošću i visokom polarizabilnošću. Suština LCMO je da tvrde kiseline reaguju sa tvrdim bazama, a meke kiseline reaguju sa mekim bazama. Na primjer: Oksidacija i redukcija organskih jedinjenja Redoks reakcije su od najveće važnosti za životne procese. Uz njihovu pomoć tijelo zadovoljava svoje energetske potrebe, jer se oksidacijom organskih tvari oslobađa energija. S druge strane, ove reakcije služe za pretvaranje hrane u ćelijske komponente. Reakcije oksidacije potiču detoksikaciju i uklanjanje droga iz tijela. Oksidacija je proces uklanjanja vodika kako bi se formirala višestruka veza ili nove polarnije veze. Redukcija je proces obrnut od oksidacije. Oksidacija organskih supstrata teče lakše, što je jača njegova sklonost odustajanju od elektrona. Oksidacija i redukcija se moraju uzeti u obzir u odnosu na specifične klase jedinjenja. Oksidacija C–H veza (alkani i alkili) Kada alkani potpuno izgore, nastaju CO 2 i H 2 O i oslobađa se toplota. Drugi načini njihove oksidacije i redukcije mogu se predstaviti sljedećim shemama: Oksidacija zasićenih ugljovodonika se dešava u teškim uslovima (mešavina hroma je vruća); mekši oksidanti ne utiču na njih. Međuprodukti oksidacije su alkoholi, aldehidi, ketoni i kiseline. Hidroperoksidi R – O – OH su najvažniji međuprodukti oksidacije C – H veza u blagim uslovima, posebno in vivo Važna reakcija oksidacije C–H veza u tjelesnim uvjetima je enzimska hidroksilacija. Primjer bi bio proizvodnja alkohola oksidacijom hrane. Zbog molekularnog kisika i njegovih aktivnih oblika. sprovedeno in vivo. Vodikov peroksid može poslužiti kao sredstvo za hidroksiliranje u tijelu. Višak peroksida mora se razgraditi katalazom na vodu i kisik. Oksidacija i redukcija alkena može se predstaviti sljedećim transformacijama: Redukcija alkena Oksidacija i redukcija aromatičnih ugljovodonika Benzen je izuzetno teško oksidirati čak iu teškim uvjetima prema sljedećoj shemi: Sposobnost oksidacije značajno raste od benzena do naftalena i dalje do antracena. ED supstituenti olakšavaju oksidaciju aromatičnih jedinjenja. EA – sprečava oksidaciju. Regeneracija benzena. C 6 H 6 + 3 H 2 Enzimska hidroksilacija aromatičnih jedinjenja Oksidacija alkohola U poređenju sa ugljovodonicima, oksidacija alkohola se dešava u blažim uslovima Najvažnija reakcija diola u tjelesnim uslovima je transformacija u kinon-hidrokinon sistemu Prijenos elektrona sa supstrata na kisik događa se u metahondrijima. Oksidacija i redukcija aldehida i ketona Jedna od klasa organskih spojeva koji se najlakše oksidiraju 2H 2 C = O + H 2 O CH 3 OH + HCOOH teče posebno lako na svjetlu Oksidacija spojeva koji sadrže dušik Amini oksidiraju prilično lako; krajnji produkti oksidacije su nitro spojevi Iscrpna redukcija tvari koje sadrže dušik dovodi do stvaranja amina. Oksidacija amina in vivo Oksidacija i redukcija tiola Uporedne karakteristike O-B svojstava organskih jedinjenja. Tioli i 2-atomski fenoli se najlakše oksidiraju. Aldehidi prilično lako oksidiraju. Alkohole je teže oksidirati, a primarni su lakši od sekundarnih i tercijarnih. Ketoni su otporni na oksidaciju ili oksidiraju cijepanjem molekula. Alkini lako oksidiraju čak i na sobnoj temperaturi. Najteže se oksidiraju spojevi koji sadrže atome ugljika u Sp3-hibridiziranom stanju, odnosno zasićeni fragmenti molekula. ED – supstituenti olakšavaju oksidaciju EA – sprečava oksidaciju. Specifična svojstva poli- i heterofunkcionalnih spojeva. Pregled predavanja Poli- i heterofunkcionalnost kao faktor povećanja reaktivnosti organskih jedinjenja. Specifična svojstva poli- i heterofunkcionalnih spojeva: amfoternost stvaranje intramolekularnih soli. intramolekularna ciklizacija γ, δ, ε – heterofunkcionalnih jedinjenja. intermolekularna ciklizacija (laktidi i deketopipirozini) chelation. reakcije eliminacije beta-heterofunkcionalnih veze. keto-enol tautomerizam. Fosfoenolpiruvat, as makroergijsko jedinjenje. dekarboksilacija. stereoizomerija Poli- i heterofunkcionalnost kao razlog za pojavu specifičnih svojstava u hidroksi, amino i okso kiselinama. Prisustvo nekoliko identičnih ili različitih funkcionalnih grupa u molekuli je karakteristično obilježje biološki važnih organskih spojeva. Molekul može sadržavati dvije ili više hidroksilnih grupa, amino grupa ili karboksilnih grupa. Na primjer: Važna grupa supstanci uključenih u vitalnu aktivnost su heterofunkcionalna jedinjenja koja imaju parnu kombinaciju različitih funkcionalnih grupa. Na primjer: U alifatskim jedinjenjima, sve gore navedene funkcionalne grupe pokazuju EA karakter. Zbog njihovog uticaja jedni na druge, njihova reaktivnost se međusobno pojačava. Na primjer, u oksokiselinama, elektrofilnost svakog od dva karbonilna atoma ugljika je pojačana -J druge funkcionalne grupe, što dovodi do lakšeg napada nukleofilnih reagensa. Budući da I efekat blijedi nakon 3-4 veze, važna okolnost je blizina lokacije funkcionalnih grupa u lancu ugljikovodika. Heterofunkcionalne grupe mogu biti locirane na istom atomu ugljika (α - raspored), ili na različitim atomima ugljika, kako susjednim (β raspored) tako i udaljenijim jedna od druge (γ, delta, epsilon) lokacijama. Svaka heterofunkcionalna grupa zadržava sopstvenu reaktivnost, tačnije, heterofunkcionalna jedinjenja ulaze u „dvostruki“ broj hemijskih reakcija. Kada je međusobni raspored heterofunkcionalnih grupa dovoljno blizak, reaktivnost svake od njih se međusobno pojačava. Uz istovremeno prisustvo kiselih i baznih grupa u molekulu, spoj postaje amfoteričan. Na primjer: aminokiseline. Interakcija heterofunkcionalnih grupa Molekula gerofunkcionalnih spojeva može sadržavati grupe sposobne za međusobnu interakciju. Na primjer, u amfoternim jedinjenjima, kao što su α-amino kiseline, moguće je stvaranje unutrašnjih soli. Stoga se sve α - aminokiseline javljaju u obliku biopolarnih jona i vrlo su rastvorljive u vodi. Osim kiselinsko-baznih interakcija, postaju moguće i druge vrste kemijskih reakcija. Na primjer, reakcija S N na SP 2 je hibrid atoma ugljika u karbonilnoj grupi zbog interakcije sa alkoholnom grupom, formiranja estera, karboksilne grupe sa amino grupom (formiranje amida). Ovisno o relativnom rasporedu funkcionalnih grupa, ove reakcije se mogu odvijati i unutar jednog molekula (intramolekularne) i između molekula (intermolekularne). Budući da reakcija rezultira stvaranjem cikličkih amida i estera. tada odlučujući faktor postaje termodinamička stabilnost ciklusa. U tom smislu, konačni proizvod obično sadrži šestočlane ili petočlane prstenove. Da bi intramolekularna interakcija formirala peto- ili šesteročlani estarski (amidni) prsten, heterofunkcionalno jedinjenje mora imati gama ili sigma raspored u molekulu. Onda u razredu Plan 1. Predmet i značaj bioorganske hemije 2. Klasifikacija i nomenklatura organskih jedinjenja 3. Metode prikazivanja organskih molekula 4. Hemijsko vezivanje u bioorganskim molekulima 5. Elektronski efekti. Uzajamni uticaj atoma u molekuli 6. Klasifikacija hemijskih reakcija i reagensa 7. Pojam mehanizama hemijskih reakcija 2
Predmet bioorganska hemija 3 Bioorganska hemija je nezavisna grana hemijske nauke koja proučava strukturu, svojstva i biološke funkcije hemijskih jedinjenja organskog porekla koja učestvuju u metabolizmu živih organizama.
Predmet proučavanja bioorganske hemije su niskomolekularne biomolekule i biopolimeri (proteini, nukleinske kiseline i polisaharidi), bioregulatori (enzimi, hormoni, vitamini i dr.), prirodni i sintetički fiziološki aktivni spojevi, uključujući lijekove i tvari sa toksičnim djelovanjem. Biomolekule su bioorganska jedinjenja koja su deo živih organizama i specijalizovana za formiranje ćelijskih struktura i učešće u biohemijskim reakcijama, čine osnovu metabolizma (metabolizma) i fizioloških funkcija živih ćelija i višećelijskih organizama uopšte. 4 Klasifikacija bioorganskih jedinjenja
Metabolizam je skup hemijskih reakcija koje se dešavaju u telu (in vivo). Metabolizam se naziva i metabolizam. Metabolizam se može odvijati u dva smjera - anabolizam i katabolizam. Anabolizam je sinteza u tijelu složenih tvari iz relativno jednostavnih. Nastaje trošenjem energije (endotermni proces). Katabolizam je, naprotiv, razlaganje složenih organskih jedinjenja na jednostavnija. Javlja se oslobađanjem energije (egzotermni proces). Metabolički procesi se odvijaju uz učešće enzima. Enzimi igraju ulogu biokatalizatora u tijelu. Bez enzima, biohemijski procesi se ili uopšte ne bi odvijali, ili bi se odvijali veoma sporo, a telo ne bi bilo u stanju da održava život. 5
Bioelementi. Sastav bioorganskih jedinjenja, pored atoma ugljika (C), koji čine osnovu bilo koje organske molekule, uključuje i vodik (H), kiseonik (O), dušik (N), fosfor (P) i sumpor (S) . Ovi bioelementi (organogeni) su koncentrirani u živim organizmima u količinama koje su preko 200 puta veće od njihovog sadržaja u neživim objektima. Navedeni elementi čine preko 99% elementarnog sastava biomolekula. 6
Bioorganska hemija je nastala iz dubina organske hemije i zasniva se na njenim idejama i metodama. U istoriji razvoja organska hemija ima sledeće faze: empirijsku, analitičku, strukturnu i modernu. Period od prvog upoznavanja čovjeka sa organskim supstancama do kraja 18. stoljeća smatra se empirijskim. Glavni rezultat ovog perioda je da su ljudi shvatili važnost elementarne analize i uspostavljanja atomskih i molekularnih masa. Teorija vitalizma - životne snage (Berzelius). Analitički period se nastavio do 60-ih godina 19. stoljeća. Obilježila ga je činjenica da je od kraja prve četvrtine 19. vijeka došlo do niza obećavajućih otkrića koja su zadala snažan udarac vitalističkoj teoriji. Prvi u ovoj seriji bio je Berzeliusov učenik, njemački hemičar Wöhler. Napravio je niz otkrića 1824. godine - sintezu oksalne kiseline iz cijanogena: (CN) 2 HOOC - COOH r. – sinteza uree iz amonijum cijanata: NH 4 CNO NH 2 – C – NH 2 O 8
C. Gerard je 1853. razvio “teoriju tipova” i koristio je za klasifikaciju organskih jedinjenja. Prema Gerardu, složenija organska jedinjenja mogu se proizvesti iz sljedeće četiri glavne vrste supstanci: HHHH tip HHHH O tip VODA H Cl tip HLOROVODNIK HHHHN N tip AMONIJAK Od 1857. godine, na prijedlog F. A. Kekulea, počeli su se klasificirati ugljovodonici kao metan tipa HHHNNHH C 9
Osnovne odredbe teorije strukture organskih jedinjenja (1861) 1) atomi u molekulima su međusobno povezani hemijskim vezama u skladu sa svojom valencijom; 2) atomi u molekulima organskih supstanci su međusobno povezani određenim redosledom, što određuje hemijsku strukturu (strukturu) molekula; 3) svojstva organskih jedinjenja zavise ne samo od broja i prirode atoma u njima, već i od hemijske strukture molekula; 4) u organskim molekulima postoji interakcija između atoma, međusobno vezanih i nevezanih; 5) hemijska struktura supstance može se odrediti proučavanjem njenih hemijskih transformacija i, obrnuto, njena svojstva mogu se okarakterisati strukturom supstance. 10
Osnovne odredbe teorije strukture organskih jedinjenja (1861) Strukturna formula je slika niza veza atoma u molekulu. Bruto formula - CH 4 O ili CH 3 OH Strukturna formula Pojednostavljene strukturne formule se ponekad nazivaju racionalnom molekulskom formulom - formula organskog jedinjenja, koja označava broj atoma svakog elementa u molekulu. Na primjer: C 5 H 12 - pentan, C 6 H 6 - benzin, itd. jedanaest
Faze razvoja bioorganske hemije Kao posebna oblast znanja koja kombinuje konceptualne principe i metodologiju organske hemije s jedne strane i molekularne biohemije i molekularne farmakologije s druge strane, bioorganska hemija se formirala u dvadesetom veku na osnovu razvoja hemija prirodnih supstanci i biopolimera. Moderna bioorganska hemija je stekla fundamentalni značaj zahvaljujući radovima W. Steina, S. Moorea, F. Sangera (analiza sastava aminokiselina i određivanje primarne strukture peptida i proteina), L. Paulinga i H. Astburyja (razjašnjenje strukture -heliksa i -strukture i njihovog značaja u realizaciji bioloških funkcija proteinskih molekula), E. Chargaffa (dešifrovanje karakteristika nukleotidnog sastava nukleinskih kiselina), J. Watson, Fr. Crick, M. Wilkins, R. Franklin (uspostavljanje obrazaca prostorne strukture molekula DNK), G. Corani (hemijska sinteza gena) itd. 14
Klasifikacija organskih jedinjenja prema strukturi ugljeničnog skeleta i prirodi funkcionalne grupe Ogroman broj organskih jedinjenja podstakao je hemičare da ih klasifikuju. Klasifikacija organskih jedinjenja zasniva se na dva klasifikacijska kriterijuma: 1. Struktura ugljeničnog skeleta 2. Priroda funkcionalnih grupa Klasifikacija prema načinu građe ugljeničnog skeleta: 1. Aciklična (alkani, alkeni, alkini, alkadieni); 2. Ciklička 2.1. Karbociklični (aliciklični i aromatični) 2.2. Heterociklična 15 Aciklična jedinjenja se takođe nazivaju alifatična. To uključuje tvari s otvorenim ugljičnim lancem. Aciklična jedinjenja se dele na zasićena (ili zasićena) C n H 2n+2 (alkani, parafini) i nezasićena (nezasićena). Potonji uključuju alkene C n H 2n, alkine C n H 2n -2, alkadiene C n H 2n -2.
16 Ciklična jedinjenja sadrže prstenove (cikluse) unutar svojih molekula. Ako ciklusi sadrže samo atome ugljika, tada se takvi spojevi nazivaju karbociklički. Zauzvrat, karbociklički spojevi se dijele na aliciklične i aromatične. Aliciklički ugljovodonici (cikloalkani) uključuju ciklopropan i njegove homologe - ciklobutan, ciklopentan, cikloheksan i tako dalje. Ako ciklički sistem, pored ugljovodonika, uključuje i druge elemente, onda se takva jedinjenja klasifikuju kao heterociklična.
Klasifikacija prema prirodi funkcionalne grupe Funkcionalna grupa je atom ili grupa atoma povezanih na određeni način, čija prisutnost u molekuli organske tvari određuje karakteristična svojstva i njenu pripadnost jednoj ili drugoj klasi spojeva. . Na osnovu broja i homogenosti funkcionalnih grupa, organska jedinjenja se dele na mono-, poli- i heterofunkcionalna. Supstance sa jednom funkcionalnom grupom nazivaju se monofunkcionalnim, a supstance sa više identičnih funkcionalnih grupa nazivaju se polifunkcionalnim. Spojevi koji sadrže nekoliko različitih funkcionalnih grupa su heterofunkcionalni. Važno je da se spojevi iste klase kombinuju u homologne serije. Homologni niz je niz organskih spojeva sa istim funkcionalnim grupama i istom strukturom; svaki predstavnik homolognog niza razlikuje se od prethodnog po konstantnoj jedinici (CH2), koja se naziva homologna razlika. Članovi homolognog niza nazivaju se homolozi. 17
Sistemi nomenklature u organskoj hemiji - trivijalni, racionalni i internacionalni (IUPAC) Hemijska nomenklatura je skup naziva pojedinih hemijskih supstanci, njihovih grupa i klasa, kao i pravila za sastavljanje njihovih naziva. supstance, njihove grupe i klase, kao i pravila koja sastavljaju njihova imena. Trivijalna (istorijska) nomenklatura povezana je sa procesom dobijanja supstanci (pirogalol - produkt pirolize galne kiseline), izvorom porekla iz kojeg je dobijena (mravlja kiselina) itd. Trivijalni nazivi jedinjenja se široko koriste u hemiji prirodnih i heterocikličnih jedinjenja (citral, geraniol, tiofen, pirol, kinolin itd.) Trivijalna (istorijska) nomenklatura je povezana sa procesom dobijanja supstanci (pirogalol je proizvod pirolize galne kiseline), izvor porijekla iz kojeg se dobija (mravlja kiselina) itd. Trivijalni nazivi jedinjenja se široko koriste u hemiji prirodnih i heterocikličnih jedinjenja (citral, geraniol, tiofen, pirol, kinolin, itd.). Racionalna nomenklatura se zasniva na principu podjele organskih jedinjenja u homologne serije. Sve supstance u određenom homolognom nizu smatraju se derivatima najjednostavnijeg predstavnika ove serije - prvog ili ponekad drugog. Konkretno, za alkane - metan, za alkene - etilen, itd. Racionalna nomenklatura se zasniva na principu podjele organskih jedinjenja u homologne serije. Sve supstance u određenom homolognom nizu smatraju se derivatima najjednostavnijeg predstavnika ove serije - prvog ili ponekad drugog. Konkretno, za alkane - metan, za alkene - etilen itd. 18
Međunarodna nomenklatura (IUPAC). Pravila moderne nomenklature razvijena su 1957. godine na 19. Kongresu Međunarodne unije za čistu i primijenjenu hemiju (IUPAC). Radikalna funkcionalna nomenklatura. Ovi nazivi su zasnovani na nazivu funkcionalne klase (alkohol, etar, keton, itd.), kojoj prethode nazivi ugljikovodičnih radikala, na primjer: alil hlorid, dietil etar, dimetil keton, propil alkohol itd. Zamjenska nomenklatura. Pravila nomenklature. Roditeljska struktura je strukturni fragment molekule (molekularni skelet) koji leži u osnovi imena jedinjenja, glavni ugljenični lanac atoma za aliciklična jedinjenja i ciklus za karbociklička jedinjenja. 19
Hemijska veza u organskim molekulima Hemijska veza je pojava interakcije između vanjskih elektronskih omotača (valentnih elektrona atoma) i atomskih jezgara, koja određuje postojanje molekula ili kristala u cjelini. U pravilu, atom, prihvatajući ili donirajući elektron ili formirajući zajednički elektronski par, teži da dobije konfiguraciju vanjskog elektronskog omotača sličnu onoj u plemenitih plinova. Za organska jedinjenja karakteristične su sledeće vrste hemijskih veza: - jonska veza - kovalentna veza - donor - akceptorska veza - vodonična veza Postoje i neke druge vrste hemijska veza(metalni, jednoelektronski, dvoelektronski trocentrični), međutim, oni se praktično nikada ne nalaze u organskim jedinjenjima. 20
Vrste veza u organskim jedinjenjima Najkarakterističnija za organska jedinjenja je kovalentna veza. Kovalentna veza je interakcija atoma koja se ostvaruje formiranjem zajedničkog elektronskog para. Ova vrsta veze se formira između atoma koji imaju uporedive vrijednosti elektronegativnosti. Elektronegativnost je svojstvo atoma koje pokazuje sposobnost da privuče sebi elektrone od drugih atoma. Kovalentna veza može biti polarna ili nepolarna. Nepolarna kovalentna veza se javlja između atoma sa istom vrijednošću elektronegativnosti
Vrste veza u organskim jedinjenjima Polarna kovalentna veza nastaje između atoma koji imaju različite vrijednosti elektronegativnosti. U ovom slučaju, vezani atomi dobijaju parcijalne naboje δ+δ+ δ-δ- Poseban podtip kovalentne veze je veza donor-akceptor. Kao iu prethodnim primjerima, ova vrsta interakcije je posljedica prisustva zajedničkog elektronskog para, ali ovo drugo osigurava jedan od atoma koji formira vezu (donor) i prihvaća drugi atom (akceptor) 24
Vrste veza u organskim jedinjenjima Jonska veza se formira između atoma koji se jako razlikuju u vrijednostima elektronegativnosti. U ovom slučaju, elektron iz manje elektronegativnog elementa (često metala) se u potpunosti prenosi na elektronegativniji element. Ovaj prijelaz elektrona uzrokuje pojavu pozitivnog naboja na manje elektronegativnom atomu i negativnog naboja na elektronegativnijem. Tako nastaju dva jona suprotnih naboja, između kojih postoji elektrovalentna interakcija. 25
Vrste veza u organskim jedinjenjima Vodikova veza je elektrostatička interakcija između atoma vodika, koji je vezan na visoko polarni način, i elektronskih parova kisika, fluora, dušika, sumpora i hlora. Ova vrsta interakcije je prilično slaba interakcija. Vodikova veza može biti intermolekularna ili intramolekularna. Intermolekularna vodikova veza (interakcija između dva molekula etil alkohola) Intramolekularna vodikova veza u salicilnom aldehidu 26
Hemijsko povezivanje u organskim molekulima Savremena teorija hemijskog vezivanja zasniva se na kvantnom mehaničkom modelu molekula kao sistema koji se sastoji od elektrona i atomskih jezgara. Temeljni koncept kvantnomehaničke teorije je atomska orbitala. Atomska orbitala je dio prostora u kojem je vjerovatnoća pronalaženja elektrona maksimalna. Vezanje se stoga može posmatrati kao interakcija (“preklapanje”) orbitala od kojih svaka nosi jedan elektron sa suprotnim spinovima. 27
Hibridizacija atomskih orbitala Prema kvantnoj mehaničkoj teoriji, broj kovalentnih veza koje formira atom određen je brojem jednoelektronskih atomskih orbitala (broj nesparenih elektrona). Atom ugljika u svom osnovnom stanju ima samo dva nesparena elektrona, ali mogući prijelaz elektrona sa 2s na 2 pz omogućava formiranje četiri kovalentne veze. Stanje atoma ugljika u kojem ima četiri nesparena elektrona naziva se "pobuđeno". Unatoč činjenici da su orbitale ugljika nejednake, poznato je da je stvaranje četiri ekvivalentne veze moguće zbog hibridizacije atomskih orbitala. Hibridizacija je pojava u kojoj se iz više orbitala različitog oblika i slične energije formira isti broj orbitala istog oblika i broja. 28
Hibridna stanja atoma ugljika u organskim molekulama PRVO HIBRIDNO STANJE C atom je u stanju sp 3 hibridizacije, formira četiri σ veze, formira četiri hibridne orbitale, koje su raspoređene u obliku tetraedra (vezni ugao) σ veza 31
Hibridna stanja atoma ugljika u organskim molekulama DRUGO HIBRIDNO STANJE C atom je u stanju sp 2 hibridizacije, formira tri σ-veze, formira tri hibridne orbitale, koje su raspoređene u obliku ravnog trougla (vezni ugao 120) σ-veze π-veza 32
Hibridna stanja atoma ugljika u organskim molekulama TREĆE HIBRIDNO STANJE C atom je u stanju sp-hibridizacije, formira dvije σ-veze, formira dvije hibridne orbitale, koje su raspoređene u liniju (ugao veze 180) σ-veze π - obveznice 33
Karakteristike hemijskih veza POLING skala: F-4.0; O – 3,5; Cl – 3,0; N – 3,0; Br – 2,8; S – 2,5; C-2.5; H-2.1. razlika 1.7 Karakteristike hemijskih veza Polarizabilnost veze je pomeranje elektronske gustine pod uticajem spoljašnjih faktora. Polarizabilnost veze je stepen mobilnosti elektrona. Kako se atomski radijus povećava, polarizabilnost elektrona se povećava. Stoga se polarizabilnost veze ugljik-halogen povećava na sljedeći način: C-F Elektronski efekti. Uzajamni uticaj atoma u molekulu 39 Prema savremenim teorijskim shvatanjima, reaktivnost organskih molekula je unapred određena pomeranjem i mobilnošću elektronskih oblaka koji formiraju kovalentnu vezu. U organskoj hemiji razlikuju se dva tipa pomeranja elektrona: a) elektronska pomeranja koja se javljaju u sistemu -veze, b) elektronska pomeranja koja se prenose sistemom -veze. U prvom slučaju dolazi do takozvanog induktivnog efekta, u drugom - mezomernog efekta. Induktivni efekat je preraspodjela gustine elektrona (polarizacija) koja je rezultat razlike u elektronegativnosti između atoma molekula u sistemu veza. Zbog neznatne polarizabilnosti -veza, induktivni efekat brzo nestaje i nakon 3-4 veze gotovo da se ne pojavljuje.
Elektronski efekti. Međusobni utjecaj atoma u molekuli 40 Pojam induktivnog efekta uveo je K. Ingold, a uveo je i sljedeće oznake: –I-efekat u slučaju smanjenja elektronske gustine supstituentom +I-efekat u u slučaju povećanja elektronske gustine supstituentom Pozitivan induktivni efekat pokazuju alkil radikali (CH 3, C 2 H 5 - itd.). Svi ostali supstituenti vezani za atom ugljika pokazuju negativan induktivni učinak.
Elektronski efekti. Uzajamni uticaj atoma u molekulu 41 Mezomerni efekat je preraspodela elektronske gustine duž konjugovanog sistema. Konjugirani sistemi uključuju molekule organskih jedinjenja u kojima se izmjenjuju dvostruke i jednostruke veze ili kada se atom sa usamljenim parom elektrona u p-orbitali nalazi pored dvostruke veze. U prvom slučaju se dešava - konjugacija, au drugom slučaju p, -konjugacija. Spojeni sistemi dolaze u otvorenim i zatvorenim konfiguracijama. Primjeri takvih spojeva su 1,3-butadien i benzin. U molekulima ovih spojeva atomi ugljika su u stanju sp 2 hibridizacije i zbog nehibridnih p-orbitala formiraju -veze koje se međusobno preklapaju i formiraju jedan oblak elektrona, odnosno dolazi do konjugacije.
Elektronski efekti. Međusobni utjecaj atoma u molekulu 42 Postoje dvije vrste mezomernog efekta - pozitivan mezomerni efekat (+M) i negativan mezomerni efekat (-M). Pozitivan mezomerni efekat pokazuju supstituenti koji daju p-elektrone konjugovanom sistemu. To uključuje: -O, -S -NH 2, -OH, -OR, Hal (halogeni) i druge supstituente koji imaju negativan naboj ili usamljeni par elektrona. Negativni mezomerni efekat karakterističan je za supstituente koji apsorbuju gustinu elektrona iz konjugovanog sistema. Ovo uključuje supstituente koji imaju višestruke veze između atoma različite elektronegativnosti: - N0 2 ; -SO 3 H; >C=O; -COON i drugi. Mezomerni efekat se grafički odražava savijenom strelicom koja pokazuje pravac pomeranja elektrona.Za razliku od indukcionog efekta, mezomerni efekat se ne gasi. Prenosi se u potpunosti kroz sistem, bez obzira na dužinu lanca povezivanja. C=O; -COON i drugi. Mezomerni efekat se grafički odražava savijenom strelicom koja pokazuje pravac pomeranja elektrona.Za razliku od indukcionog efekta, mezomerni efekat se ne gasi. Prenosi se u potpunosti kroz sistem, bez obzira na dužinu lanca povezivanja."> Vrste hemijskih reakcija 43 Hemijska reakcija se može smatrati interakcijom reagensa i supstrata. U zavisnosti od načina razbijanja i formiranja hemijske veze u molekulima, organske reakcije dijelimo na: a) homolitičke b) heterolitičke c) molekularne Homolitičke ili slobodno-radikalne reakcije nastaju homolitičkim cijepanjem veze, kada svakom atomu ostane jedan elektron, odnosno nastaju radikali. Homolitičko cijepanje se događa pri visokim temperaturama, djelovanju svjetlosnog kvanta ili katalizi.
Heterolitičke ili ionske reakcije se odvijaju na takav način da par veznih elektrona ostaje u blizini jednog od atoma i nastaju ioni. Čestica sa elektronskim parom naziva se nukleofilna i ima negativan naboj (-). Čestica bez elektronskog para naziva se elektrofilna i ima pozitivan naboj (+). 44 Vrste hemijskih reakcija
Mehanizam hemijske reakcije 45 Mehanizam reakcije je skup elementarnih (jednostavnih) faza koje čine datu reakciju. Mehanizam reakcije najčešće uključuje sljedeće faze: aktivacija reagensa sa stvaranjem elektrofila, nukleofila ili slobodnog radikala. Za aktiviranje reagensa obično je potreban katalizator. U drugoj fazi, aktivirani reagens stupa u interakciju sa supstratom. U tom slučaju nastaju intermedijarne čestice (intermedijari). Potonji uključuju -komplekse, -komplekse (karbokatione), karbanione i nove slobodne radikale. U završnoj fazi, dodavanje ili eliminacija čestice u (iz) međuprodukta koji se formira u drugoj fazi odvija se sa formiranjem konačnog produkta reakcije. Ako reagens nakon aktivacije stvara nukleofil, onda su to nukleofilne reakcije. Označeni su slovom N - (u indeksu). U slučaju kada reagens generiše elektrofil, reakcije se klasifikuju kao elektrofilne (E). Isto se može reći i za reakcije slobodnih radikala (R).
Nukleofili su reagensi koji imaju negativan naboj ili atom obogaćen elektronskom gustinom: 1) anjoni: OH -, CN -, RO -, RS -, Hal - i drugi anjoni; 2) neutralni molekuli sa usamljenim parovima elektrona: NH 3, NH 2 R, H 2 O, ROH i drugi; 3) molekule sa viškom elektronske gustine (koji imaju - veze). Elektrofili su reagensi koji imaju pozitivan naboj ili atom osiromašen elektronskom gustinom: 1) katjoni: H + (proton), HSO 3 + (vodonik sulfonijum ion), NO 2 + (nitronijum ion), NO (nitrozonijum ion) i dr. kationi; 2) neutralni molekuli sa slobodnom orbitalom: AlCl 3, FeBr 3, SnCl 4, BF 4 (Lewisove kiseline), SO 3; 3) molekule sa osiromašenom elektronskom gustinom na atomu. 46
49
50
51
52
Učitavanje...