Chimica Bioorganica (BOC), sua importanza in medicina. Chimica bioorganica per studenti di medicina Scopo e obiettivi della disciplina accademica

Chimica- la scienza della struttura, delle proprietà delle sostanze, delle loro trasformazioni e dei fenomeni che le accompagnano.

Compiti:

1. Studio della struttura della materia, sviluppo della teoria della struttura e delle proprietà delle molecole e dei materiali. È importante stabilire una connessione tra la struttura e le varie proprietà delle sostanze e, su questa base, costruire teorie sulla reattività di una sostanza, sulla cinetica e sul meccanismo delle reazioni chimiche e dei fenomeni catalitici.

2. Implementazione della sintesi mirata di nuove sostanze con proprietà specifiche. Qui è anche importante trovare nuove reazioni e catalizzatori per una sintesi più efficiente di composti già noti e importanti a livello industriale.

3. Il compito tradizionale della chimica ha acquisito un significato particolare. È associato sia all'aumento del numero di oggetti e proprietà chimiche studiati, sia alla necessità di determinare e ridurre le conseguenze dell'impatto umano sulla natura.

La chimica è una disciplina teorica generale. È progettato per fornire agli studenti una moderna comprensione scientifica della materia come uno dei tipi di materia in movimento, sui modi, i meccanismi e i metodi di conversione di alcune sostanze in altre. La conoscenza delle leggi chimiche di base, la padronanza delle tecniche di calcolo chimico, la comprensione delle opportunità offerte dalla chimica con l'aiuto di altri specialisti che lavorano nei suoi campi individuali e ristretti accelerano significativamente l'ottenimento del risultato desiderato in vari campi dell'attività ingegneristica e scientifica.

L’industria chimica è una delle industrie più importanti del nostro Paese. I composti chimici, le varie composizioni e i materiali che produce sono utilizzati ovunque: nell'ingegneria meccanica, nella metallurgia, nell'agricoltura, nell'edilizia, nell'industria elettrica ed elettronica, nelle comunicazioni, nei trasporti, nella tecnologia spaziale, nella medicina, nella vita quotidiana, ecc. Le principali direzioni di sviluppo del l'industria chimica moderna sono: la produzione di nuovi composti e materiali e l'aumento dell'efficienza delle industrie esistenti.

IN scuola di Medicina gli studenti studiano chimica generale, bioorganica, biologica e biochimica clinica. La conoscenza degli studenti del complesso delle scienze chimiche nella loro continuità e interconnessione offre maggiori opportunità, maggiori possibilità di ricerca e uso pratico di vari fenomeni, proprietà e modelli e contribuisce allo sviluppo personale.

Caratteristiche specifiche che studiano discipline chimiche presso un'università di medicina sono:

· interdipendenza tra gli obiettivi dell'attività chimica e educazione medica;

· universalità e fondamentalità di questi corsi;

· la peculiarità di costruire i propri contenuti in funzione della natura e degli obiettivi generali della formazione del medico e della sua specializzazione;

· l'unità dello studio degli oggetti chimici a livello micro e macro con la scoperta delle diverse forme della loro organizzazione chimica come un unico sistema e delle diverse funzioni che presenta (chimiche, biologiche, biochimiche, fisiologiche, ecc.) a seconda della loro natura, ambiente e condizioni;

· dipendenza dalla connessione delle conoscenze e delle competenze chimiche con la realtà e la pratica, inclusa la pratica medica, nel sistema “società - natura - produzione - uomo”, a causa delle possibilità illimitate della chimica nella creazione di materiali sintetici e della loro importanza in medicina , lo sviluppo della nanochimica, nonché la risoluzione di problemi ambientali e molti altri problemi globali umanità.

1. La relazione tra processi metabolici ed energia nel corpo

I processi vitali sulla Terra sono determinati in larga misura dall'accumulo di energia solare nei nutrienti - proteine, grassi, carboidrati e dalla successiva trasformazione di queste sostanze negli organismi viventi con rilascio di energia. La comprensione della relazione tra trasformazioni chimiche e processi energetici nel corpo è stata realizzata in modo particolarmente chiaro in seguito opere di A. Lavoisier (1743-1794) e P. Laplace (1749-1827). Hanno dimostrato mediante misurazioni calorimetriche dirette che l'energia rilasciata nel processo della vita è determinata dall'ossidazione del cibo da parte dell'ossigeno atmosferico inalato dagli animali.

Metabolismo ed energia - un insieme di processi di trasformazione di sostanze ed energia che si verificano negli organismi viventi e lo scambio di sostanze ed energia tra il corpo e ambiente. Il metabolismo delle sostanze e dell'energia è alla base della vita degli organismi ed è una delle caratteristiche specifiche più importanti della materia vivente, distinguendo i viventi da quelli non viventi. Nel metabolismo, o metabolismo, assicurato dalla più complessa regolamentazione in materia diversi livelli, sono coinvolti molti sistemi enzimatici. Durante il processo metabolico, le sostanze che entrano nel corpo vengono convertite nelle sostanze proprie dei tessuti e nei prodotti finali espulsi dal corpo. Durante queste trasformazioni, l'energia viene rilasciata e assorbita.

Con lo sviluppo nei secoli XIX-XX. termodinamica - la scienza dell'interconversione di calore ed energia - è diventato possibile calcolare quantitativamente la trasformazione dell'energia nelle reazioni biochimiche e prevederne la direzione.

Lo scambio di energia può essere effettuato trasferendo calore o compiendo lavoro. Tuttavia, gli organismi viventi non sono in equilibrio con il loro ambiente e quindi possono essere chiamati sistemi aperti di non equilibrio. Tuttavia, se osservati per un certo periodo di tempo, non si notano cambiamenti visibili nella composizione chimica del corpo. Ma questo non significa questo sostanze chimiche, costituenti il ​​corpo, non subiscono alcuna trasformazione. Al contrario, si rinnovano costantemente e in modo piuttosto intenso, come si può giudicare dal tasso di incorporazione di isotopi stabili e radionuclidi nelle sostanze complesse dell'organismo, introdotti nella cellula nella composizione di più sostanze semplici-predecessori.

C'è una cosa tra il metabolismo e il metabolismo energetico differenza fondamentale. La terra non perde né guadagna alcuna quantità apprezzabile di materia. La materia nella biosfera viene scambiata in un ciclo chiuso, ecc. usato ripetutamente. Lo scambio energetico viene effettuato in modo diverso. Non circola a ciclo chiuso, ma si disperde parzialmente nello spazio esterno. Pertanto, per mantenere la vita sulla Terra, è necessario un flusso costante di energia proveniente dal Sole. Per 1 anno nel processo di fotosintesi globo assorbito intorno alle 10 21 feci energia solare. Sebbene rappresenti solo lo 0,02% dell'energia totale del Sole, è incommensurabilmente superiore all'energia utilizzata da tutte le macchine costruite dall'uomo. La quantità di sostanza che partecipa alla circolazione è altrettanto grande.

2. Termodinamica chimica come base teorica bioenergia. Argomenti e metodi della termodinamica chimica

Termodinamica chimica studia le transizioni dell'energia chimica in altre forme: termica, elettrica, ecc., stabilisce le leggi quantitative di queste transizioni, nonché la direzione e i limiti del verificarsi spontaneo di reazioni chimiche in determinate condizioni.

Il metodo termodinamico si basa su una serie di concetti rigorosi: “sistema”, “stato del sistema”, “energia interna del sistema”, “funzione statale del sistema”.

Oggetto studiare termodinamica è un sistema

Lo stesso sistema può trovarsi in stati diversi. Ogni stato del sistema è caratterizzato da un certo insieme di valori di parametri termodinamici. I parametri termodinamici includono temperatura, pressione, densità, concentrazione, ecc. Un cambiamento in almeno un parametro termodinamico porta a un cambiamento nello stato del sistema nel suo insieme. Lo stato termodinamico di un sistema è chiamato equilibrio se è caratterizzato dalla costanza dei parametri termodinamici in tutti i punti del sistema e non cambia spontaneamente (senza dispendio di lavoro).

La termodinamica chimica studia un sistema in due stati di equilibrio (finale e iniziale) e su questa base determina la possibilità (o l'impossibilità) di un processo spontaneo in determinate condizioni in una direzione specificata.

Termodinamica studi trasformazioni reciproche vari tipi energie associate al trasferimento di energia tra corpi sotto forma di calore e lavoro. La termodinamica si basa su due leggi fondamentali, chiamate prima e seconda legge della termodinamica. Materia di studio in termodinamica è l'energia e le leggi delle mutue trasformazioni delle forme di energia durante reazioni chimiche, processi di dissoluzione, evaporazione, cristallizzazione.

Termodinamica chimica - sezione chimica fisica, studiando i processi di interazione delle sostanze utilizzando metodi termodinamici.
Le direzioni principali della termodinamica chimica sono:
Termodinamica chimica classica, che studia l'equilibrio termodinamico in generale.
Termochimica, che studia gli effetti termici che accompagnano le reazioni chimiche.
La teoria delle soluzioni, che modella le proprietà termodinamiche di una sostanza sulla base di idee sulla struttura molecolare e dati sulle interazioni intermolecolari.
La termodinamica chimica è strettamente correlata a rami della chimica come la chimica analitica; elettrochimica; chimica dei colloidi; adsorbimento e cromatografia.
Lo sviluppo della termodinamica chimica procedette simultaneamente in due modi: termochimico e termodinamico.
L'emergere della termochimica come scienza indipendente dovrebbe essere considerata la scoperta da parte di Herman Ivanovich Hess, professore all'Università di San Pietroburgo, della relazione tra gli effetti termici delle reazioni chimiche: le leggi di Hess.

3. Sistemi termodinamici: isolati, chiusi, aperti, omogenei, eterogenei. Il concetto di fase.

Sistema- si tratta di un insieme di sostanze interagenti, isolate mentalmente o effettivamente dall'ambiente (provetta, autoclave).

La termodinamica chimica considera le transizioni da uno stato all'altro, mentre alcuni possono cambiare o rimanere costanti. opzioni:

· isobarico– a pressione costante;

· isocoro– a volume costante;

· isotermico– a temperatura costante;

· isobarico - isotermico– a pressione e temperatura costanti, ecc.

Le proprietà termodinamiche di un sistema possono essere espresse utilizzando diversi funzioni dello stato del sistema, chiamato funzioni caratteristiche: energia internaU , entalpia H , entropia S , Energia di Gibbs G , Energia di Helmholtz F . Le funzioni caratteristiche hanno una caratteristica: non dipendono dal metodo (percorso) per raggiungere un dato stato del sistema. Il loro valore è determinato dai parametri del sistema (pressione, temperatura, ecc.) e dipende dalla quantità o massa della sostanza, quindi è consuetudine riferirli a una mole di sostanza.

Secondo il metodo di trasferimento di energia, materia e informazione tra il sistema in esame e l’ambiente, i sistemi termodinamici si classificano:

1. Sistema chiuso (isolato).- si tratta di un sistema in cui non vi è scambio di energia, materia (comprese le radiazioni) o informazioni con corpi esterni.

2. Sistema chiuso- un sistema in cui avviene uno scambio solo con energia.

3. Sistema adiabaticamente isolato - Questo è un sistema in cui avviene uno scambio di energia solo sotto forma di calore.

4. Sistema apertoè un sistema che scambia energia, materia e informazioni.

Classificazione del sistema:
1) se il trasferimento di calore e massa è possibile: isolato, chiuso, aperto. Un sistema isolato non scambia né materia né energia con l’ambiente. Un sistema chiuso scambia energia con l’ambiente, ma non scambia materia. Un sistema aperto scambia sia materia che energia con il suo ambiente. Concetto sistema isolato utilizzato in chimica fisica come teorico.
2) per struttura interna e proprietà: omogenea ed eterogenea. Un sistema è chiamato omogeneo, all'interno del quale non ci sono superfici che dividono il sistema in parti che differiscono per proprietà o Composizione chimica. Esempi di sistemi omogenei sono soluzioni acquose di acidi, basi e sali; miscele di gas; individuale sostanze pure. I sistemi eterogenei contengono al loro interno superfici naturali. Esempi di sistemi eterogenei sono sistemi costituiti da sostanze che differiscono per il loro stato di aggregazione: un metallo e un acido, un gas e un solido, due liquidi insolubili tra loro.
Faseè una parte omogenea di un sistema eterogeneo, avente la stessa composizione, fisica e Proprietà chimiche, separato dalle altre parti del sistema da una superficie, al suo passaggio, attraverso la quale le proprietà del sistema cambiano bruscamente. Le fasi sono solida, liquida e gassosa. Un sistema omogeneo è sempre costituito da una fase, uno eterogeneo da più fasi. In base al numero di fasi i sistemi si classificano in monofase, bifase, trifase, ecc.

5.La prima legge della termodinamica. Energia interna. Effetti termici isobari e isocori .

Prima legge della termodinamica- una delle tre leggi fondamentali della termodinamica, rappresenta la legge di conservazione dell'energia per i sistemi termodinamici.

La prima legge della termodinamica fu formulata a metà del XIX secolo come risultato del lavoro dello scienziato tedesco J. R. Mayer, del fisico inglese J. P. Joule e del fisico tedesco G. Helmholtz.

Secondo la prima legge della termodinamica, sistema termodinamico può impegnarsi funziona solo grazie alla sua energia interna o a qualsiasi fonte di energia esterna .

La prima legge della termodinamica è spesso formulata come l'impossibilità dell'esistenza di una macchina a moto perpetuo del primo tipo, che compirebbe lavoro senza attingere energia da alcuna fonte. Viene chiamato un processo che avviene a temperatura costante isotermico, a pressione costante - isobarico, a volume costante – isocoro. Se durante un processo il sistema viene isolato dall'ambiente esterno in modo tale da escludere lo scambio termico con l'ambiente, il processo viene detto adiabatico.

Energia interna del sistema. Quando un sistema passa da uno stato a un altro, alcune delle sue proprietà cambiano, in particolare l'energia interna U.

L'energia interna di un sistema è la sua energia totale, che consiste nell'energia cinetica e potenziale di molecole, atomi, nuclei atomici ed elettroni. L'energia interna include l'energia di traslazione, rotazione e movimenti oscillatori, nonché l'energia potenziale dovuta alle forze di attrazione e repulsione che agiscono tra molecole, atomi e particelle intraatomiche. Non include l’energia potenziale della posizione del sistema nello spazio e l’energia cinetica del movimento del sistema nel suo complesso.

L’energia interna è una funzione termodinamica dello stato del sistema. Ciò significa che ogni volta che il sistema si trova in un dato stato, la sua energia interna assume un certo valore insito in quello stato.

∆U = U2 - U1

dove U 1 e U 2 sono l'energia interna del sistema V rispettivamente stati finali e iniziali.

Prima legge della termodinamica. Se un sistema scambia energia termica Q ed energia meccanica (lavoro) A con l’ambiente esterno, e contemporaneamente passa dallo stato 1 allo stato 2, la quantità di energia che viene rilasciata o assorbita dal sistema di forme di calore Q o il lavoro A è uguale a energia totale sistema durante la transizione da uno stato all'altro e viene registrato.

LA CHIMICA BIOORGANICA studia la relazione tra la struttura delle sostanze organiche e le loro funzioni biologiche, utilizzando principalmente metodi di chimica organica e fisica, nonché fisica e matematica. Chimica bioorganica copre completamente la chimica dei composti naturali e si sovrappone parzialmente alla biochimica e biologia molecolare. Gli oggetti del suo studio sono composti naturali biologicamente importanti - principalmente biopolimeri (proteine, acidi nucleici, polisaccaridi e biopolimeri misti) e sostanze biologicamente attive a basso peso molecolare - vitamine, ormoni, antibiotici, tossine, ecc., nonché analoghi sintetici di composti naturali, farmaci, pesticidi, ecc.

La chimica bioorganica è emersa come campo indipendente nella seconda metà del XX secolo all'intersezione tra biochimica e chimica organica basata sulla chimica tradizionale dei composti naturali. La sua formazione è associata ai nomi di L. Pauling (scoperta dell'α-elica e della struttura β come elementi principali della struttura spaziale della catena polipeptidica nelle proteine), A. Todd (chiarimento struttura chimica nucleotidi e prima sintesi di un dinucleotide), F. Sanger (sviluppo di un metodo per determinare la sequenza aminoacidica nelle proteine ​​e utilizzarlo per decifrare la struttura primaria dell'insulina), V. Du Vigneault (isolamento, determinazione della struttura e sintesi chimica degli ormoni peptidici - ossitocina e vasopressina), D. Barton e V. Prelog (analisi conformazionale), R. Woodward (sintesi chimica completa di molti composti naturali complessi, tra cui reserpina, clorofilla, vitamina B 12), ecc.; in URSS, i lavori di N.D. Zelinsky, A.N. Belozersky, I.N. Nazarov, N.A. Preobrazhensky e altri hanno avuto un ruolo enorme.L'iniziatore della ricerca sulla chimica bioorganica nell'URSS all'inizio degli anni '60 fu M.M. Shemyakin. In particolare iniziò un lavoro (poi ampiamente sviluppato) sullo studio dei depsipeptidi ciclici che svolgono la funzione di ionofori. Il leader della chimica bioorganica domestica negli anni '70 e '80 fu Yu.A. Ovchinnikov, sotto la cui guida è stata stabilita la struttura di dozzine di proteine, comprese le proteine ​​di membrana (per la prima volta) - batteriorodopsina e rodopsina visiva bovina.

Le principali aree della chimica bioorganica includono:

1. Sviluppo di metodi per l'isolamento e la purificazione di composti naturali. Allo stesso tempo, per controllare il grado di purificazione, viene spesso utilizzata la funzione biologica specifica della sostanza studiata (ad esempio, la purezza di un antibiotico è controllata dalla sua attività antimicrobica, di un ormone dal suo effetto su un certo biologico processo e così via). Quando si separano miscele naturali complesse, vengono spesso utilizzati metodi di cromatografia liquida ad alte prestazioni ed elettroforesi. Dalla fine del XX secolo, invece di ricercare e isolare i singoli componenti, si è effettuato uno screening totale dei campioni biologici per il maggior numero possibile di componenti di una particolare classe di composti (vedi Proteomica).

2. Determinazione della struttura delle sostanze studiate. Per struttura si intende non solo la definizione della natura e dell'ordine delle connessioni degli atomi in una molecola, ma anche la loro disposizione spaziale. Per questo vengono utilizzati diversi metodi, principalmente chimici (idrolisi, scissione ossidativa, trattamento con reagenti specifici), che consentono di ottenere sostanze più semplici e con struttura nota, da cui si ricostruisce la struttura della sostanza originaria. Sono ampiamente utilizzati dispositivi automatici che forniscono una rapida soluzione a problemi standard, soprattutto nella chimica delle proteine ​​e degli acidi nucleici: analizzatori per la determinazione quantitativa della composizione aminoacidica e nucleotidica e sequenziatori per determinare la sequenza dei residui aminoacidici nelle proteine ​​e nucleotidi in acidi nucleici. Un ruolo importante nello studio della struttura dei biopolimeri è svolto dagli enzimi, in particolare quelli che li scindono specificamente lungo legami rigorosamente definiti (ad esempio, proteinasi che catalizzano le reazioni di scissione dei legami peptidici sui residui di acido glutammico, prolina, arginina e lisina, o enzimi di restrizione che scindono specificamente i legami fosfodiesteri nei polinucleotidi). Le informazioni sulla struttura dei composti naturali si ottengono anche utilizzando metodi di ricerca fisica, principalmente spettrometria di massa, risonanza magnetica nucleare e spettroscopia ottica. L'aumento dell'efficienza dei metodi chimici e fisici si ottiene attraverso l'analisi simultanea non solo dei composti naturali, ma anche dei loro derivati ​​contenenti gruppi caratteristici e appositamente introdotti e atomi etichettati (ad esempio, coltivando batteri - produttori di un particolare composto su un mezzo contenente precursori di questo composto, isotopi stabili arricchiti o radioattivi). L'affidabilità dei dati ottenuti dallo studio di proteine ​​complesse aumenta significativamente con lo studio simultaneo della struttura dei geni corrispondenti. Struttura spaziale le molecole e i loro analoghi nello stato cristallino vengono studiati mediante analisi di diffrazione di raggi X. La risoluzione in alcuni casi raggiunge valori inferiori a 0,1 nm. Per le soluzioni, il metodo più informativo è l'NMR in combinazione con l'analisi conformazionale teorica. Ulteriori informazioni sono fornite dai metodi di analisi spettrale ottica (spettri elettronici e fluorescenti, spettri di dicroismo circolare, ecc.).

3. Sintesi sia dei composti naturali stessi che dei loro analoghi. In molti casi, la sintesi chimica o chimico-enzimatica è l'unico modo per ottenere la sostanza desiderata in grandi quantità (preparative). Per composti a basso peso molecolare relativamente semplici, la controsintesi funge da criterio importante per la correttezza della struttura precedentemente determinata. Sono stati realizzati sintetizzatori automatici di proteine ​​e polinucleotidi in grado di ridurre notevolmente i tempi di sintesi; con il loro aiuto sono state sintetizzate numerose proteine ​​e polinucleotidi contenenti diverse centinaia di unità monomeriche. Sintesi chimica- il metodo principale per ottenere medicinali di origine non naturale. Nel caso delle sostanze naturali, spesso integra o compete con la biosintesi.

4. Determinazione del bersaglio cellulare e molecolare verso cui è diretta biologicamente l'azione sostanza attiva, delucidazione del meccanismo chimico della sua interazione con una cellula vivente e dei suoi componenti. La comprensione del meccanismo d'azione molecolare è necessaria per l'uso produttivo delle biomolecole, con la loro attività spesso estremamente elevata (ad esempio le tossine), come strumenti per lo studio dei sistemi biologici; serve come base per la sintesi mirata di nuove sostanze praticamente importanti con proprietà predeterminate. In un certo numero di casi (ad esempio, quando si studiano i peptidi che influenzano l'attività sistema nervoso) le sostanze così ottenute hanno un'attività notevolmente potenziata, rispetto al prototipo naturale originale, modificato nella direzione desiderata.

La chimica bioorganica è strettamente correlata alla soluzione problemi pratici medicina e agricoltura(ottenimento di vitamine, ormoni, antibiotici e altri medicinali, stimolanti della crescita delle piante, regolatori del comportamento degli animali, compresi gli insetti), industrie chimiche, alimentari e microbiologiche. Come risultato della combinazione di metodi di chimica bioorganica e ingegneria genetica, è diventato possibile risolvere praticamente il problema della produzione industriale di sostanze complesse e biologicamente importanti di natura proteico-peptidica, comprese sostanze ad alto peso molecolare come l'insulina umana, α -, interferoni β e γ e ormone della crescita umano.

Lett.: Dugas G., Penny K. Chimica bioorganica. M., 1983; Ovchinnikov Yu. A. Chimica bioorganica. M., 1996.

“ … Ci sono stati così tanti incidenti sorprendenti,

Che niente le sembrava più possibile adesso ”

L. Carroll "Alice nel Paese delle Meraviglie"

La chimica bioorganica si è sviluppata al confine tra due scienze: chimica e biologia. Attualmente si sono aggiunte la medicina e la farmacologia. Tutte queste quattro scienze utilizzano metodi moderni ricerca fisica, analisi matematica e modellazione computerizzata.

Nel 1807 J.Ya. Berzelius ha proposto di denominare sostanze comuni nella natura vivente come l'olio d'oliva o lo zucchero biologico.

A questo punto erano già conosciuti molti composti naturali, che in seguito iniziarono a essere definiti come carboidrati, proteine, lipidi e alcaloidi.

Nel 1812, un chimico russo K.S. Kirchhoff convertì l'amido riscaldandolo con acido in zucchero, in seguito chiamato glucosio.

Nel 1820, un chimico francese A. Braconno, trattando le proteine ​​con gelatina, ottenne la sostanza glicina, che appartiene ad una classe di composti che successivamente Berzelius di nome aminoacidi.

La data di nascita della chimica organica può essere considerata l'opera pubblicata nel 1828 F. Velera, che fu il primo a sintetizzare una sostanza di origine naturale – urea- dal composto inorganico cianato di ammonio.

Nel 1825, il fisico Faraday isolò il benzene da un gas utilizzato per illuminare la città di Londra. La presenza di benzene potrebbe spiegare le fiamme fumose delle lampade londinesi.

Nel 1842 N.N. Zinin effettuato la sintesi z anilina,

Nel 1845 A.V. Kolbe, uno studente di F. Wöhler, sintetizzò l'acido acetico - senza dubbio un composto organico naturale - da elementi di partenza (carbonio, idrogeno, ossigeno)

Nel 1854 Il Primo Ministro Bertlot glicerina riscaldata con acido stearico e ottenuto tristearina, che si è rivelata identica al composto naturale isolato dai grassi. Ulteriore PM Berthelot presero altri acidi che non erano isolati dai grassi naturali e ottennero composti molto simili ai grassi naturali. Con questo, il chimico francese ha dimostrato che è possibile ottenere non solo analoghi di composti naturali, ma anche crearne di nuovi, simili e allo stesso tempo diversi da quelli naturali.

Molti importanti risultati della chimica organica nella seconda metà del XIX secolo sono associati alla sintesi e allo studio delle sostanze naturali.

Nel 1861, il chimico tedesco Friedrich August Kekule von Stradonitz (sempre chiamato semplicemente Kekule nella letteratura scientifica) pubblicò un libro di testo in cui definiva la chimica organica come la chimica del carbonio.

Nel periodo 1861-1864. Il chimico russo A.M. Butlerov ha creato una teoria unificata della struttura dei composti organici, che ha permesso di trasferire tutti i risultati esistenti in un unico base scientifica e aprì la strada allo sviluppo della scienza della chimica organica.

Nello stesso periodo D.I. Mendeleev. conosciuto in tutto il mondo come lo scienziato che scoprì e formulò legge periodica cambiamenti nelle proprietà degli elementi, ha pubblicato il libro di testo “Chimica Organica”. Abbiamo a nostra disposizione la sua 2a edizione (corretta e ampliata, Pubblicazione della partnership “Public Benefit”, San Pietroburgo, 1863. 535 pp.)

Nel suo libro, il grande scienziato definì chiaramente la connessione tra composti organici e processi vitali: “Possiamo riprodurre artificialmente molti dei processi e delle sostanze prodotti dagli organismi, al di fuori del corpo. Pertanto, le sostanze proteiche, distrutte negli animali sotto l'influenza dell'ossigeno assorbito dal sangue, vengono convertite in sali di ammonio, urea, zucchero del muco, acido benzoico e altre sostanze solitamente escrete nelle urine... Preso separatamente, ogni fenomeno vitale non lo è il risultato di una forza speciale, ma viene eliminato leggi generali natura" A quel tempo, la chimica bioorganica e la biochimica non erano ancora emerse

direzioni indipendenti, all'inizio erano unite chimica fisiologica, ma gradualmente sono cresciuti sulla base di tutti i risultati in due scienze indipendenti.

La scienza degli studi di chimica bioorganica connessione tra la struttura delle sostanze organiche e le loro funzioni biologiche, utilizzando principalmente metodi di chimica organica, analitica, fisica, nonché matematica e fisica

La principale caratteristica distintiva di questa materia è lo studio dell'attività biologica delle sostanze in connessione con l'analisi della loro struttura chimica

Oggetti di studio della chimica bioorganica: biopolimeri naturali di importanza biologica - proteine, acidi nucleici, lipidi, sostanze a basso peso molecolare - vitamine, ormoni, molecole segnale, metaboliti - sostanze coinvolte nel metabolismo energetico e plastico, farmaci di sintesi.

I compiti principali della chimica bioorganica includono:

1. Sviluppo di metodi per isolare e purificare composti naturali, utilizzando metodi medici per valutare la qualità di un farmaco (ad esempio, un ormone in base al grado della sua attività);

2. Determinazione della struttura di un composto naturale. Vengono utilizzati tutti i metodi della chimica: determinazione del peso molecolare, idrolisi, analisi dei gruppi funzionali, metodi di ricerca ottica;

3. Sviluppo di metodi per la sintesi di composti naturali;

4. Studio della dipendenza dell'azione biologica dalla struttura;

5. Chiarimento della natura dell'attività biologica, meccanismi molecolari di interazione con varie strutture cellulari o con i suoi componenti.

Lo sviluppo della chimica bioorganica nel corso dei decenni è associato ai nomi degli scienziati russi: D.I.Mendeleeva, A.M. Butlerov, N.N. Zinin, N.D. Zelinsky A.N. Belozersky N.A. Preobrazhensky M.M. Shemyakin, Yu.A. Ovchinnikova.

I fondatori della chimica bioorganica all'estero sono scienziati che hanno fatto molte importanti scoperte: la struttura della struttura secondaria delle proteine ​​(L. Pauling), la sintesi completa della clorofilla, la vitamina B 12 (R. Woodward), l'uso di enzimi nella sintesi di sostanze organiche complesse. compreso il gene (G. Koran) e altri

Negli Urali a Ekaterinburg nel campo della chimica bioorganica dal 1928 al 1980. ha lavorato come capo del dipartimento di chimica organica dell'UPI, l'accademico I. Ya Postovsky, noto come uno dei fondatori nel nostro paese della direzione scientifica della ricerca e della sintesi dei farmaci e autore di numerosi farmaci (sulfamidici, antitumorale, anti-radiazioni, anti-tubercolosi). La sua ricerca è continuata da studenti che lavorano sotto la guida degli accademici O.N. Chupakhin, V.N. Charushin all'USTU-UPI e all'Istituto di sintesi organica da cui prende il nome. E IO. Postovsky Accademia Russa Sci.

La chimica bioorganica è strettamente correlata ai compiti della medicina ed è necessaria per lo studio e la comprensione della biochimica, della farmacologia, della fisiopatologia e dell'igiene. Tutto linguaggio scientifico chimica bioorganica, la notazione adottata e i metodi utilizzati non sono diversi dalla chimica organica che hai studiato a scuola

La chimica bioorganica è una scienza che studia la struttura e le proprietà delle sostanze coinvolte nei processi vitali in diretta connessione con la conoscenza delle loro funzioni biologiche.

La chimica bioorganica è la scienza che studia la struttura e la reattività dei composti biologicamente significativi. L'argomento della chimica bioorganica sono i biopolimeri, i bioregolatori e i loro elementi strutturali.

I biopolimeri includono proteine, polisaccaridi (carboidrati) e acidi nucleici. Questo gruppo comprende anche i lipidi, che non sono BMC, ma sono solitamente associati ad altri biopolimeri nel corpo.

I bioregolatori sono composti che regolano chimicamente il metabolismo. Questi includono vitamine, ormoni e molti composti sintetici, comprese le sostanze medicinali.

La chimica bioorganica si basa sulle idee e sui metodi della chimica organica.

Senza conoscenza modelli generali chimica organica, è difficile studiare la chimica bioorganica. La chimica bioorganica è strettamente correlata alla biologia, chimica biologica, fisica medica.

Viene chiamato l'insieme delle reazioni che si verificano nelle condizioni di un organismo metabolismo.

Le sostanze formate durante il metabolismo sono chiamate: metaboliti.

Il metabolismo ha due direzioni:

Il catabolismo è la reazione di rottura di molecole complesse in molecole più semplici.

L'anabolismo è il processo di sintesi di molecole complesse da sostanze più semplici utilizzando energia.

Viene applicato il termine biosintesi reazione chimica IN VIVO (nel corpo), IN VITRO (fuori dal corpo)

Esistono antimetaboliti, concorrenti dei metaboliti nelle reazioni biochimiche.

La coniugazione come fattore per aumentare la stabilità delle molecole. Influenza reciproca degli atomi nelle molecole di composti organici e metodi della sua trasmissione

Schema della lezione:

Accoppiamento e suoi tipi:

p, p - abbinamento,

r,p - coniugazione.

Energia di coniugazione.

Sistemi accoppiati a circuito aperto.

Vitamina A, caroteni.

Coniugazione in radicali e ioni.

Sistemi accoppiati a circuito chiuso. Aromaticità, criteri di aromaticità, composti aromatici eterociclici.

Legame covalente: apolare e polare.

Effetti induttivi e mesomerici. EA e ED sono sostituti.

Il principale tipo di legami chimici nella chimica organica sono i legami covalenti. Nelle molecole organiche gli atomi sono collegati da legami s e p.

Gli atomi nelle molecole dei composti organici sono collegati da legami covalenti, chiamati legami s e p.

Il legame s singolo nello stato ibridato SP 3 è caratterizzato da lunghezza l (C-C 0,154 nm), energia E (83 kcal/mol), polarità e polarizzabilità. Per esempio:

Un doppio legame è caratteristico dei composti insaturi, in cui, oltre al legame s centrale, c'è anche una sovrapposizione perpendicolare al legame s, che è chiamata legame π).

I doppi legami sono localizzati, cioè la densità elettronica copre solo 2 nuclei degli atomi legati.

Molto spesso tu ed io ci occuperemo coniugato sistemi. Se i doppi legami si alternano a legami singoli (e nel caso generale, un atomo collegato a un doppio legame ha un orbitale p, allora gli orbitali p degli atomi vicini possono sovrapporsi, formando un sistema di elettroni p comune). Tali sistemi sono chiamati coniugato o delocalizzato . Ad esempio: butadiene-1,3

p, p - sistemi coniugati

Tutti gli atomi del butadiene sono nello stato ibridato SP 2 e giacciono sullo stesso piano (Pz non è un orbitale ibrido). Рz – gli orbitali sono paralleli tra loro. Ciò crea le condizioni per la loro reciproca sovrapposizione. La sovrapposizione dell'orbitale Pz avviene tra C-1 e C-2 e C-3 e C-4, nonché tra C-2 e C-3, cioè avviene delocalizzato legame covalente. Ciò si riflette nei cambiamenti nella lunghezza dei legami nella molecola. La lunghezza del legame tra C-1 e C-2 aumenta, mentre tra C-2 e C-3 viene ridotta rispetto a un legame singolo.

l-C -С, 154 nm l С=С 0,134 nm

l С-N 1,147 nm l С =O 0,121 nm

r, p - abbinamento

Un esempio di un sistema coniugato p, π è un legame peptidico.

r, p - sistemi coniugati

Il doppio legame C=0 viene esteso a 0,124 nm rispetto alla lunghezza abituale di 0,121, e il legame C–N si accorcia e diventa 0,132 nm rispetto a 0,147 nm nel caso normale. Cioè, il processo di delocalizzazione degli elettroni porta all'equalizzazione delle lunghezze dei legami e ad una diminuzione dell'energia interna della molecola. Tuttavia, la coniugazione ρ,p – avviene nei composti aciclici, non solo quando si alternano = legami con singoli legami C-C, ma anche quando si alternano con un eteroatomo:

Un atomo X con un orbitale p libero può trovarsi vicino al doppio legame. Molto spesso si tratta di eteroatomi O, N, S e dei loro orbitali p che interagiscono con i legami p, formando p, coniugazione p.

Per esempio:

CH2 = CH – O – CH = CH 2

La coniugazione può avvenire non solo nelle molecole neutre, ma anche nei radicali e negli ioni:

Sulla base di quanto sopra, nei sistemi aperti, l'accoppiamento avviene nelle seguenti condizioni:

Tutti gli atomi che partecipano al sistema coniugato sono nello stato ibridato SP 2.

Pz – gli orbitali di tutti gli atomi sono perpendicolari al piano s-scheletro, cioè paralleli tra loro.

Quando si forma un sistema multicentrico coniugato, le lunghezze dei legami vengono equalizzate. Non ci sono legami singoli e doppi “puri” qui.

La delocalizzazione degli elettroni p in un sistema coniugato è accompagnata dal rilascio di energia. Il sistema si sposta ad un livello energetico più basso, diventa più stabile, più stabile. Pertanto, la formazione di un sistema coniugato nel caso del butadiene - 1,3 porta al rilascio di energia nella quantità di 15 kJ/mol. È grazie alla coniugazione che aumenta la stabilità dei radicali ionici di tipo allilico e la loro prevalenza in natura.

Più lunga è la catena di coniugazione, maggiore è il rilascio di energia derivante dalla sua formazione.

Questo fenomeno è abbastanza diffuso nei composti biologicamente importanti. Per esempio:

Incontreremo costantemente problemi di stabilità termodinamica di molecole, ioni e radicali nel corso della chimica bioorganica, che comprende un numero di ioni e molecole diffusi in natura. Per esempio:

Sistemi accoppiati ad anello chiuso

Aromaticità. Nelle molecole cicliche, in determinate condizioni, può formarsi un sistema coniugato. Un esempio di un sistema coniugato p, p - è il benzene, dove la nuvola di elettroni p copre gli atomi di carbonio, tale sistema è chiamato - aromatico.

Il guadagno energetico dovuto alla coniugazione nel benzene è 150,6 kJ/mol. Pertanto il benzene è termicamente stabile fino ad una temperatura di 900°C.

La presenza di un anello elettronico chiuso è stata dimostrata mediante NMR. Se una molecola di benzene viene posta in un campo magnetico esterno, si verifica una corrente anulare induttiva.

Pertanto, il criterio di aromaticità formulato da Hückel è:

la molecola ha una struttura ciclica;

tutti gli atomi sono in SP 2 – stato ibridato;

c'è una p delocalizzata - sistema elettronico, contenente 4n + 2 elettroni, dove n è il numero di cicli.

Per esempio:

Un posto speciale nella chimica bioorganica è occupato dalla domanda aromaticità dei composti eterociclici.

Nelle molecole cicliche contenenti eteroatomi (azoto, zolfo, ossigeno), si forma una singola nuvola di elettroni p con la partecipazione di orbitali p di atomi di carbonio e un eteroatomo.

Composti eterociclici a cinque membri

Il sistema aromatico è formato dall'interazione di 4 orbitali p C e un orbitale di un eteroatomo, che ha 2 elettroni. Sei elettroni p formano lo scheletro aromatico. Un tale sistema coniugato è elettronicamente ridondante. Nel pirrolo, l'atomo di N è nello stato ibridato SP 2.

Il pirrolo fa parte di molte sostanze biologicamente importanti. Quattro anelli pirrolici formano la porfina, un sistema aromatico con 26 elettroni p e un'elevata energia di coniugazione (840 kJ/mol)

La struttura porfina fa parte dell'emoglobina e della clorofilla

Composti eterociclici a sei membri

Il sistema aromatico nelle molecole di questi composti è formato dall'interazione di cinque orbitali p di atomi di carbonio e un orbitale p di un atomo di azoto. Due elettroni in due orbitali SP 2 sono coinvolti nella formazione di legami s con gli atomi di carbonio dell'anello. L'orbitale P con un elettrone è incluso nello scheletro aromatico. SP 2 – un orbitale con una coppia solitaria di elettroni si trova nel piano dello scheletro s.

La densità elettronica nella pirimidina è spostata verso N, cioè il sistema è impoverito di elettroni p, è carente di elettroni.

Molti composti eterociclici possono contenere uno o più eteroatomi

I nuclei pirrolo, pirimidina e purina fanno parte di molte molecole biologicamente attive.

Influenza reciproca degli atomi nelle molecole di composti organici e metodi della sua trasmissione

Come già notato, i legami nelle molecole di composti organici vengono effettuati a causa dei legami s e p; la densità elettronica è distribuita uniformemente tra gli atomi legati solo quando questi atomi sono uguali o vicini nell'elettronegatività. Tali connessioni sono chiamate non polare.

CH 3 -CH 2 →Legame polare CI

Più spesso in chimica organica ci occupiamo di legami polari.

Se la densità elettronica viene spostata verso un atomo più elettronegativo, tale legame viene chiamato polare. Sulla base dei valori dell'energia di legame, il chimico americano L. Pauling propose una caratteristica quantitativa dell'elettronegatività degli atomi. Di seguito è riportata la scala Pauling.

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

Gli atomi di carbonio nei diversi stati di ibridazione differiscono in elettronegatività. Pertanto, s - il legame tra gli atomi ibridati SP 3 e SP 2 - è polare

Effetto induttivo

Viene chiamato il trasferimento della densità elettronica attraverso il meccanismo dell'induzione elettrostatica lungo una catena di legami S per induzione, l'effetto viene chiamato induttivo ed è indicato con J. L'effetto di J, di regola, è attenuato attraverso tre legami, ma gli atomi vicini subiscono un'influenza piuttosto forte del dipolo vicino.

I sostituenti che spostano la densità elettronica lungo la catena del legame s nella loro direzione mostrano un effetto -J – e viceversa un effetto +J.

Un legame p isolato, così come una singola nube di elettroni p di un sistema coniugato aperto o chiuso, può essere facilmente polarizzato sotto l'influenza dei sostituenti EA ed ED. In questi casi l'effetto induttivo viene trasferito alla connessione p, indicata quindi con Jp.

Effetto mesomerico (effetto di coniugazione)

La ridistribuzione della densità elettronica in un sistema coniugato sotto l'influenza di un sostituente che è un membro di questo sistema coniugato è chiamata effetto mesomerico(effetto M).

Affinché un sostituente faccia parte di un sistema coniugato, deve avere un doppio legame (coniugazione p,p) o un eteroatomo con una coppia solitaria di elettroni (coniugazione r,p). M – l'effetto viene trasmesso attraverso il sistema accoppiato senza attenuazione.

I sostituenti che abbassano la densità elettronica in un sistema coniugato (densità elettronica spostata nella sua direzione) mostrano un effetto -M, mentre i sostituenti che aumentano la densità elettronica in un sistema coniugato mostrano un effetto +M.

Effetti elettronici dei sostituenti

La reattività delle sostanze organiche dipende in gran parte dalla natura degli effetti J e M. La conoscenza delle possibilità teoriche degli effetti elettronici ci consente di prevedere il corso di alcuni processi chimici.

Proprietà acido-base dei composti organici Classificazione delle reazioni organiche.

Schema della lezione

Il concetto di substrato, nucleofilo, elettrofilo.

Classificazione delle reazioni organiche.

reversibile e irreversibile

radicale, elettrofilo, nucleofilo, sincrono.

mono e bimolecolari

reazioni di sostituzione

reazioni di addizione

reazioni di eliminazione

ossidazione e riduzione

interazioni acido-base

Le reazioni sono regioselettive, chemoselettive, stereoselettive.

Reazioni di addizione elettrofila. Il governo di Morkovnikov, l'adesione di anti-Morkovnikov.

Reazioni di sostituzione elettrofila: orientanti di 1a e 2a specie.

Proprietà acido-base dei composti organici.

Acidità e basicità di Bronsted

Acidità e basicità di Lewis

Teoria degli acidi e delle basi duri e molli.

Classificazione delle reazioni organiche

La sistematizzazione delle reazioni organiche consente di ridurre la diversità di queste reazioni a un valore relativamente piccolo un largo numero tipi. Le reazioni organiche possono essere classificate:

in direzione: reversibile e irreversibile

dalla natura dei cambiamenti nei legami nel substrato e nel reagente.

Substrato– una molecola che fornisce un atomo di carbonio per formare un nuovo legame

Reagente- un composto che agisce sul substrato.

Le reazioni basate sulla natura dei cambiamenti nei legami nel substrato e nel reagente possono essere suddivise in:

radicale R

elettrofilo E

N(Y) nucleofilo

sincroni o coordinati

Meccanismo delle reazioni SR

Iniziazione

Crescita a catena

Circuito aperto

CLASSIFICA PER RISULTATO FINALE

La corrispondenza al risultato finale della reazione è:

A) Reazioni di sostituzione

B) reazioni di addizione

B) reazioni di eliminazione

D) raggruppamenti

D) ossidazione e riduzione

E) Interazioni acido-base

Si verificano anche reazioni:

Regioselettivo– preferibilmente fluendo attraverso uno dei numerosi centri di reazione.

Chemoselettivo– reazione preferenziale per uno dei relativi gruppi funzionali.

Stereoselettivo– formazione preferenziale di uno tra diversi stereoisomeri.

Reattività di alcheni, alcani, alcadieni, areni e composti eterociclici

La base dei composti organici sono gli idrocarburi. Considereremo solo quelle reazioni effettuate in condizioni biologiche e, di conseguenza, non con gli idrocarburi stessi, ma con la partecipazione di radicali idrocarburici.

Gli idrocarburi insaturi includono alcheni, alcadieni, alchini, cicloalcheni e idrocarburi aromatici. Il principio unificante per loro è π – la nuvola di elettroni. In condizioni dinamiche anche i composti organici tendono ad essere attaccati dagli E+

Tuttavia, le reazioni di interazione di alchini e areni con reagenti portano a risultati diversi, poiché in questi composti la natura della nuvola di elettroni π è diversa: localizzata e delocalizzata.

Inizieremo la nostra considerazione dei meccanismi di reazione con le reazioni A E. Come sappiamo, gli alcheni interagiscono con

Meccanismo della reazione di idratazione

Secondo la regola di Markovnikov - l'aggiunta agli idrocarburi insaturi di una struttura asimmetrica di composti con la formula generale HX - un atomo di idrogeno viene aggiunto all'atomo di carbonio più idrogenato, se il sostituente è ED. Nell'addizione anti-Markovnikov, un atomo di idrogeno viene aggiunto a quello meno idrogenato se il sostituente è EA.

Le reazioni di sostituzione elettrofila nei sistemi aromatici hanno le loro caratteristiche. La prima caratteristica è che l'interazione con un sistema aromatico termodinamicamente stabile richiede elettrofili forti, che solitamente vengono generati utilizzando catalizzatori.

Meccanismo di reazione S E

INFLUENZA ORIENTANTE
VICE

Se nell'anello aromatico è presente un sostituente, ciò influenza necessariamente la distribuzione della densità elettronica dell'anello. ED - sostituenti (orientanti della 1a riga) CH 3, OH, OR, NH 2, NR 2 - facilitano la sostituzione rispetto al benzene non sostituito e dirigono il gruppo in arrivo nella posizione orto e para. Se i sostituenti ED sono forti, non è necessario un catalizzatore; queste reazioni procedono in 3 fasi.

I sostituenti EA (orientanti del secondo tipo) ostacolano le reazioni di sostituzione elettrofila rispetto al benzene non sostituito. La reazione SE avviene in condizioni più rigorose; il gruppo entrante entra in una meta posizione. I sostituenti di tipo II includono:

COOH, SO 3 H, CHO, alogeni, ecc.

Le reazioni SE sono tipiche anche per gli idrocarburi eterociclici. Pirrolo, furano, tiofene e i loro derivati ​​appartengono ai sistemi in eccesso π e entrano abbastanza facilmente nelle reazioni SE. Sono facilmente alogenati, alchilati, acilati, solfonati e nitrati. Quando si scelgono i reagenti, è necessario tenere conto della loro instabilità in un ambiente fortemente acido, cioè dell'acidofobicità.

La piridina e altri sistemi eterociclici con un atomo di azoto piridinico sono sistemi π insufficienti, è molto più difficile entrare nelle reazioni SE e l'elettrofilo in entrata occupa la posizione β rispetto all'atomo di azoto.

Proprietà acide e basiche dei composti organici

Gli aspetti più importanti reattività i composti organici sono le proprietà acido-base dei composti organici.

Acidità e basicità Anche concetti importanti, che determinano molte proprietà fisico-chimiche e biologiche funzionali dei composti organici. La catalisi acida e basica è una delle reazioni enzimatiche più comuni. Gli acidi e le basi deboli sono componenti comuni dei sistemi biologici che svolgono un ruolo importante nel metabolismo e nella sua regolazione.

Esistono diversi concetti di acidi e basi in chimica organica. La teoria di Brønsted degli acidi e delle basi, generalmente accettata nella chimica inorganica e organica. Secondo Brønsted gli acidi sono sostanze che possono donare un protone e le basi sono sostanze che possono accettarlo.

Acidità bronzata

In linea di principio, la maggior parte dei composti organici possono essere considerati acidi, poiché nei composti organici H è legato a C, N O S

Gli acidi organici sono quindi suddivisi in acidi C – H, N – H, O – H, S-H.

L'acidità viene valutata sotto forma di Ka o - log Ka = pKa, minore è il pKa, più forte è l'acido.

La valutazione quantitativa dell'acidità dei composti organici non è stata determinata per tutte le sostanze organiche. Pertanto, è importante sviluppare la capacità di condurre una valutazione qualitativa delle proprietà acide di vari siti acidi. A questo scopo viene utilizzato un approccio metodologico generale.

La forza dell'acido è determinata dalla stabilità dell'anione (base coniugata). Più l'anione è stabile, più l'acido è forte.

La stabilità dell'anione è determinata da una combinazione di una serie di fattori:

elettronegatività e polarizzabilità dell'elemento nel centro acido.

il grado di delocalizzazione della carica negativa nell'anione.

la natura del radicale associato al centro acido.

effetti di solvatazione (influenza del solvente)

Consideriamo in sequenza il ruolo di tutti questi fattori:

Effetto dell'elettronegatività degli elementi

Più l'elemento è elettronegativo, più la carica è delocalizzata e l'anione è stabile, più l'acido è forte.

C (2,5) N (3,0) O (3,5) S (2,5)

Pertanto, l'acidità cambia nella serie CH< NН < ОН

Per gli acidi SH predomina un altro fattore: la polarizzabilità.

L'atomo di zolfo è di dimensioni maggiori e ha orbitali d vuoti. pertanto, la carica negativa è in grado di delocalizzarsi su un ampio volume, con conseguente maggiore stabilità dell'anione.

I tioli, come acidi più forti, reagiscono con gli alcali, nonché con ossidi e sali di metalli pesanti, mentre gli alcoli (acidi deboli) possono reagire solo con metalli attivi

L'acidità relativamente elevata dei tols viene utilizzata in medicina e nella chimica dei farmaci. Per esempio:

Utilizzato per avvelenare con As, Hg, Cr, Bi, il cui effetto è dovuto al legame dei metalli e alla loro rimozione dal corpo. Per esempio:

Quando si valuta l'acidità dei composti con lo stesso atomo nel centro acido, il fattore determinante è la delocalizzazione della carica negativa nell'anione. La stabilità dell'anione aumenta significativamente con l'emergere della possibilità di delocalizzazione della carica negativa lungo il sistema di legami coniugati. Un aumento significativo dell'acidità nei fenoli, rispetto agli alcoli, si spiega con la possibilità di delocalizzazione degli ioni rispetto alla molecola.

L'elevata acidità degli acidi carbossilici è dovuta alla stabilità alla risonanza dell'anione carbossilato

La delocalizzazione della carica è facilitata dalla presenza di sostituenti elettron-attrattori (EA), che stabilizzano gli anioni, aumentando così l'acidità. Ad esempio, introducendo un sostituente in una molecola EA

Effetto del sostituente e del solvente

a - gli idrossiacidi sono acidi più forti dei corrispondenti acidi carbossilici.

ED - i sostituenti, al contrario, riducono l'acidità. I solventi hanno una maggiore influenza sulla stabilizzazione dell'anione; di norma, gli ioni piccoli con un basso grado di delocalizzazione della carica vengono solvatati meglio.

L'effetto della solvatazione può essere rintracciato, ad esempio, nella serie:

Se un atomo in un centro acido trasporta una carica positiva, ciò porta ad un aumento dell'acidità.

Domanda al pubblico: quale acido - acetico o palmitico C 15 H 31 COOH - dovrebbe avere un valore pKa inferiore?

Se l'atomo nel centro acido trasporta una carica positiva, ciò porta ad un aumento dell'acidità.

Si può notare la forte acidità CH del complesso σ formato nella reazione di sostituzione elettrofila.

Basicità Bronsted

Per formare un legame con un protone è necessaria una coppia di elettroni non condivisi sull’eteroatomo,

o essere anioni. Esistono basi p e

π basi, dove si trova il centro di basicità

elettroni di un legame π localizzato o elettroni π di un sistema coniugato (componenti π)

La forza della base dipende dagli stessi fattori dell'acidità, ma la loro influenza è opposta. Maggiore è l'elettronegatività di un atomo, più strettamente trattiene una coppia solitaria di elettroni e meno è disponibile per il legame con un protone. Quindi, in generale, la forza delle n-basi con lo stesso sostituente cambia nella serie:

I composti organici più elementari sono le ammine e gli alcoli:

I sali di composti organici con acidi minerali sono altamente solubili. Molti medicinali vengono utilizzati sotto forma di sali.

Centro acido-base in una molecola (anfotero)

Legami idrogeno come interazioni acido-base

Per tutti gli α-amminoacidi si riscontra una predominanza delle forme cationiche in ambienti fortemente acidi e anioniche in ambienti fortemente alcalini.

La presenza di centri acidi e basici deboli porta a interazioni deboli: legami idrogeno. Ad esempio: l'imidazolo, a basso peso molecolare, ha un punto di ebollizione elevato per la presenza di legami idrogeno.

J. Lewis propose una teoria più generale degli acidi e delle basi, basata sulla struttura dei gusci elettronici.

Un acido di Lewis può essere un atomo, una molecola o un catione che ha un orbitale libero in grado di accettare una coppia di elettroni per formare un legame.

I rappresentanti degli acidi di Lewis sono gli alogenuri degli elementi dei gruppi II e III del sistema periodico D.I. Mendeleev.

Le basi di Lewis sono un atomo, una molecola o un anione capace di donare una coppia di elettroni.

Le basi di Lewis includono ammine, alcoli, eteri, tioli, tioeteri e composti contenenti legami π.

Ad esempio, l'interazione seguente può essere rappresentata come un'interazione acido-base di Lewis

Un'importante conseguenza della teoria di Lewis è che qualsiasi sostanza organica può essere rappresentata come un complesso acido-base.

Nei composti organici, i legami idrogeno intramolecolari si verificano molto meno frequentemente di quelli intermolecolari, ma si verificano anche nei composti bioorganici e possono essere considerati come interazioni acido-base.

I concetti di “duro” e “morbido” non sono identici ad acidi e basi forti e deboli. Queste sono due caratteristiche indipendenti. L'essenza dell'LCMO è che gli acidi duri reagiscono con basi dure e gli acidi molli reagiscono con basi morbide.

Secondo il principio di Pearson degli acidi e delle basi duri e molli (HABP), gli acidi di Lewis si dividono in duri e molli. Gli acidi duri sono atomi accettori di piccole dimensioni, grande carica positiva, elevata elettronegatività e bassa polarizzabilità.

Gli acidi molli sono grandi atomi accettori con una piccola carica positiva, bassa elettronegatività ed elevata polarizzabilità.

L'essenza dell'LCMO è che gli acidi duri reagiscono con basi dure e gli acidi molli reagiscono con basi morbide. Per esempio:

Ossidazione e riduzione dei composti organici

Le reazioni redox sono della massima importanza per i processi vitali. Con il loro aiuto l'organismo soddisfa i propri bisogni energetici, poiché l'ossidazione delle sostanze organiche rilascia energia.

D'altra parte, queste reazioni servono a convertire il cibo in componenti cellulari. Le reazioni di ossidazione promuovono la disintossicazione e la rimozione dei farmaci dal corpo.

L'ossidazione è il processo di rimozione dell'idrogeno per formare un legame multiplo o nuovi legami più polari.

La riduzione è il processo inverso dell’ossidazione.

L'ossidazione dei substrati organici procede tanto più facilmente quanto più forte è la sua tendenza a cedere elettroni.

L'ossidazione e la riduzione devono essere considerate in relazione a specifiche classi di composti.

Ossidazione dei legami C – H (alcani e alchili)

Quando gli alcani bruciano completamente, si formano CO 2 e H 2 O e viene rilasciato calore. Altri modi della loro ossidazione e riduzione possono essere rappresentati dai seguenti schemi:

L'ossidazione degli idrocarburi saturi avviene in condizioni difficili (la miscela di cromo è calda); gli ossidanti più morbidi non li influenzano. I prodotti di ossidazione intermedia sono alcoli, aldeidi, chetoni e acidi.

Gli idroperossidi R – O – OH sono i prodotti intermedi più importanti dell'ossidazione dei legami C – H in condizioni blande, in particolare in vivo

Un'importante reazione di ossidazione dei legami C – H in condizioni corporee è l'idrossilazione enzimatica.

Un esempio potrebbe essere la produzione di alcoli attraverso l'ossidazione del cibo. A causa dell'ossigeno molecolare e delle sue forme attive. effettuato in vivo.

Il perossido di idrogeno può fungere da agente idrossilante nel corpo.

Il perossido in eccesso deve essere decomposto dalla catalasi in acqua e ossigeno.

L'ossidazione e la riduzione degli alcheni possono essere rappresentate dalle seguenti trasformazioni:

Riduzione degli alcheni

Ossidazione e riduzione degli idrocarburi aromatici

Il benzene è estremamente difficile da ossidare anche in condizioni difficili secondo il seguente schema:

La capacità di ossidarsi aumenta notevolmente dal benzene al naftalene e successivamente all'antracene.

I sostituenti ED facilitano l'ossidazione dei composti aromatici. EA – ostacola l’ossidazione. Recupero del benzene.

C6H6 + 3H2

Idrossilazione enzimatica di composti aromatici

Ossidazione degli alcoli

Rispetto agli idrocarburi, l'ossidazione degli alcoli avviene in condizioni più blande

La reazione più importante dei dioli in condizioni corporee è la trasformazione nel sistema chinone-idrochinone

Il trasferimento di elettroni dal substrato all'ossigeno avviene nei metacondri.

Ossidazione e riduzione di aldeidi e chetoni

Una delle classi di composti organici più facilmente ossidabili

2H 2 C = O + H 2 O CH 3 OH + HCOOH scorre particolarmente facilmente alla luce

Ossidazione di composti contenenti azoto

Le ammine si ossidano abbastanza facilmente; i prodotti finali dell'ossidazione sono nitro composti

La riduzione esaustiva delle sostanze contenenti azoto porta alla formazione di ammine.

Ossidazione delle ammine in vivo

Ossidazione e riduzione dei tioli

Caratteristiche comparative delle proprietà OB dei composti organici.

I tioli e i fenoli biatomici si ossidano più facilmente. Le aldeidi si ossidano abbastanza facilmente. Gli alcoli sono più difficili da ossidare e quelli primari sono più facili di quelli secondari e terziari. I chetoni sono resistenti all'ossidazione o si ossidano con la scissione della molecola.

Gli alchini si ossidano facilmente anche a temperatura ambiente.

I più difficili da ossidare sono i composti contenenti atomi di carbonio nello stato ibridato Sp3, cioè frammenti di molecole saturi.

ED – i sostituenti facilitano l’ossidazione

EA – ostacola l’ossidazione.

Proprietà specifiche dei composti poli- ed eterofunzionali.

Schema della lezione

Poli- ed eterofunzionalità come fattore che aumenta la reattività dei composti organici.

Proprietà specifiche dei composti poli- ed eterofunzionali:

formazione di anfotericità di sali intramolecolari.

Ciclizzazione intramolecolare di γ, δ, ε – composti eterofunzionali.

ciclizzazione intermolecolare (lattidi e dechetopirosine)

chelazione.

Reazioni di eliminazione dei composti beta-eterofunzionali

connessioni.

tautomerismo cheto-enolico. Fosfoenolpiruvato, as

composto macroergico.

decarbossilazione.

stereoisomeria

Poli- ed eterofunzionalità come motivo della comparsa di proprietà specifiche in idrossi, ammino e ossoacidi.

La presenza di più gruppi funzionali identici o diversi in una molecola è una caratteristica dei composti organici biologicamente importanti. Una molecola può contenere due o più gruppi idrossilici, gruppi amminici o gruppi carbossilici. Per esempio:

Un importante gruppo di sostanze coinvolte nell'attività vitale sono composti eterofunzionali che hanno una combinazione a coppie di diversi gruppi funzionali. Per esempio:

Nei composti alifatici, tutti i gruppi funzionali sopra indicati presentano un carattere EA. A causa della loro influenza reciproca, la loro reattività si potenzia reciprocamente. Ad esempio, negli ossiacidi, l'elettrofilicità di ciascuno dei due atomi di carbonio carbonilico è migliorata dal -J dell'altro gruppo funzionale, portando ad un attacco più facile da parte dei reagenti nucleofili.

Poiché l'effetto I svanisce dopo 3-4 legami, una circostanza importante è la vicinanza della posizione dei gruppi funzionali nella catena degli idrocarburi. I gruppi eterofunzionali possono essere localizzati sullo stesso atomo di carbonio (disposizione α), oppure su atomi di carbonio diversi, sia vicini (disposizione β) che più distanti tra loro (γ, delta, epsilon).

Ciascun gruppo eterofunzionale conserva la propria reattività; più precisamente, i composti eterofunzionali entrano in un numero “doppio” di reazioni chimiche. Quando la disposizione reciproca dei gruppi eterofunzionali è sufficientemente vicina, la reattività di ciascuno di essi viene potenziata a vicenda.

Con la presenza simultanea di gruppi acidi e basici nella molecola, il composto diventa anfotero.

Ad esempio: aminoacidi.

Interazione di gruppi eterofunzionali

La molecola dei composti gerofunzionali può contenere gruppi capaci di interagire tra loro. Ad esempio, nei composti anfoteri, come gli α-amminoacidi, è possibile la formazione di sali interni.

Pertanto tutti gli aminoacidi α si presentano sotto forma di ioni biopolari e sono altamente solubili in acqua.

Oltre alle interazioni acido-base, diventano possibili altri tipi di reazioni chimiche. Ad esempio, la reazione S N a SP 2 è un ibrido di un atomo di carbonio nel gruppo carbonilico dovuto all'interazione con il gruppo alcolico, la formazione di esteri, un gruppo carbossilico con un gruppo amminico (formazione di ammidi).

A seconda della disposizione relativa dei gruppi funzionali, queste reazioni possono verificarsi sia all'interno di una molecola (intramolecolare) che tra molecole (intermolecolare).

Poiché la reazione porta alla formazione di ammidi ed esteri ciclici. allora il fattore determinante diventa la stabilità termodinamica dei cicli. A questo proposito, il prodotto finale contiene solitamente anelli a sei o cinque membri.

Affinché l'interazione intramolecolare formi un anello estere (ammidico) a cinque o sei membri, il composto eterofunzionale deve avere una disposizione gamma o sigma nella molecola. Poi in classe

Piano 1. Oggetto e significato della chimica bioorganica 2. Classificazione e nomenclatura dei composti organici 3. Metodi di rappresentazione delle molecole organiche 4. Legame chimico nelle molecole bioorganiche 5. Effetti elettronici. Influenza reciproca degli atomi in una molecola 6. Classificazione delle reazioni chimiche e dei reagenti 7. Concetto dei meccanismi delle reazioni chimiche 2

Materia di chimica bioorganica 3 La chimica bioorganica è un ramo indipendente della scienza chimica che studia la struttura, le proprietà e le funzioni biologiche dei composti chimici di origine organica che partecipano al metabolismo degli organismi viventi.

Gli oggetti di studio della chimica bioorganica sono biomolecole e biopolimeri a basso peso molecolare (proteine, acidi nucleici e polisaccaridi), bioregolatori (enzimi, ormoni, vitamine e altri), composti fisiologicamente attivi naturali e sintetici, compresi farmaci e sostanze con effetti tossici. Le biomolecole sono composti bioorganici che fanno parte degli organismi viventi e specializzati per la formazione di strutture cellulari e la partecipazione a reazioni biochimiche, costituiscono la base del metabolismo (metabolismo) e delle funzioni fisiologiche delle cellule viventi e degli organismi multicellulari in generale. 4 Classificazione dei composti bioorganici

Il metabolismo è un insieme di reazioni chimiche che si verificano nel corpo (in vivo). Il metabolismo è anche chiamato metabolismo. Il metabolismo può avvenire in due direzioni: anabolismo e catabolismo. L'anabolismo è la sintesi nel corpo di sostanze complesse da quelle relativamente semplici. Avviene con il dispendio di energia (processo endotermico). Il catabolismo, al contrario, è la scomposizione di composti organici complessi in composti più semplici. Avviene con il rilascio di energia (processo esotermico). I processi metabolici avvengono con la partecipazione di enzimi. Gli enzimi svolgono il ruolo di biocatalizzatori nel corpo. Senza gli enzimi, i processi biochimici non avverrebbero affatto o procederebbero molto lentamente e il corpo non sarebbe in grado di mantenere la vita. 5

Bioelementi. La composizione dei composti bioorganici, oltre agli atomi di carbonio (C), che costituiscono la base di qualsiasi molecola organica, comprende anche idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N), fosforo (P) e zolfo (S). . Questi bioelementi (organogeni) sono concentrati negli organismi viventi in quantità oltre 200 volte superiori al loro contenuto negli oggetti inanimati. Gli elementi rilevati costituiscono oltre il 99% della composizione elementare delle biomolecole. 6

La chimica bioorganica è nata dalle profondità della chimica organica e si basa sulle sue idee e metodi. Nella storia dello sviluppo, la chimica organica ha le seguenti fasi: empirica, analitica, strutturale e moderna. Il periodo che va dalla prima conoscenza dell'uomo con le sostanze organiche fino alla fine del XVIII secolo è considerato empirico. Il risultato principale di questo periodo fu che le persone si resero conto dell'importanza dell'analisi elementare e della determinazione delle masse atomiche e molecolari. La teoria del vitalismo - forza vitale (Berzelius). Il periodo analitico continuò fino agli anni '60 del XIX secolo. Fu segnato dal fatto che dalla fine del primo quarto del XIX secolo furono fatte una serie di scoperte promettenti che assestarono un duro colpo alla teoria vitalistica. Il primo di questa serie fu lo studente di Berzelius, il chimico tedesco Wöhler. Nel 1824 fece numerose scoperte: la sintesi dell'acido ossalico dal cianogeno: (CN) 2 HOOC - COOH r. – sintesi dell’urea da cianato di ammonio: NH 4 CNO NH 2 – C – NH 2 O 8

Nel 1853 C. Gerard sviluppò la “teoria dei tipi” e la utilizzò per classificare i composti organici. Secondo Gerard, i composti organici più complessi possono essere prodotti dai seguenti quattro tipi principali di sostanze: HHHH tipo HHHH O tipo ACQUA H Cl tipo CLORURO DI IDROGENO HHHHN tipo N AMMONIACA Dal 1857, su suggerimento di F. A. Kekule, gli idrocarburi iniziarono a essere classificati come metano tipo HHHNNHH C 9

Disposizioni fondamentali della teoria della struttura dei composti organici (1861) 1) gli atomi nelle molecole sono collegati tra loro da legami chimici secondo la loro valenza; 2) gli atomi nelle molecole di sostanze organiche sono collegati tra loro in una determinata sequenza, che determina la struttura chimica (struttura) della molecola; 3) le proprietà dei composti organici dipendono non solo dal numero e dalla natura degli atomi che li costituiscono, ma anche dalla struttura chimica delle molecole; 4) nelle molecole organiche c'è interazione tra atomi, sia legati tra loro che non legati; 5) la struttura chimica di una sostanza può essere determinata studiando le sue trasformazioni chimiche e, viceversa, le sue proprietà possono essere caratterizzate dalla struttura di una sostanza. 10

Disposizioni fondamentali della teoria della struttura dei composti organici (1861) Una formula strutturale è un'immagine della sequenza dei legami degli atomi in una molecola. Formula lorda - CH 4 O o CH 3 OH Formula strutturale Le formule strutturali semplificate sono talvolta chiamate razionali Formula molecolare - la formula di un composto organico, che indica il numero di atomi di ciascun elemento nella molecola. Ad esempio: C 5 H 12 - pentano, C 6 H 6 - benzina, ecc. undici

Fasi di sviluppo della chimica bioorganica Come campo di conoscenza separato che combina i principi concettuali e la metodologia della chimica organica da un lato e della biochimica molecolare e della farmacologia molecolare dall'altro, la chimica bioorganica si è formata nel XX secolo sulla base degli sviluppi della chimica bioorganica. chimica delle sostanze naturali e dei biopolimeri. La moderna chimica bioorganica ha acquisito un significato fondamentale grazie al lavoro di W. Stein, S. Moore, F. Sanger (analisi della composizione aminoacidica e determinazione della struttura primaria di peptidi e proteine), L. Pauling e H. Astbury (chiarimento della struttura dell'elica e della struttura e il loro significato nell'implementazione delle funzioni biologiche delle molecole proteiche), E. Chargaff (decifrando le caratteristiche della composizione nucleotidica degli acidi nucleici), J. Watson, p. Crick, M. Wilkins, R. Franklin (che stabilisce i modelli della struttura spaziale della molecola di DNA), G. Corani (sintesi genetica chimica), ecc. 14

Classificazione dei composti organici in base alla struttura dello scheletro di carbonio e alla natura del gruppo funzionale L'enorme numero di composti organici ha spinto i chimici a classificarli. La classificazione dei composti organici si basa su due criteri di classificazione: 1. La struttura dello scheletro di carbonio 2. La natura dei gruppi funzionali Classificazione secondo il metodo di struttura dello scheletro di carbonio: 1. Aciclici (alcani, alcheni, alchini, alcadieni); 2. Ciclico 2.1. Carbociclici (aliciclici e aromatici) 2.2. I composti eterociclici 15 aciclici sono anche chiamati alifatici. Questi includono sostanze con una catena di carbonio aperta. I composti aciclici si dividono in saturi (o saturi) C n H 2n+2 (alcani, paraffine) e insaturi (insaturi). Questi ultimi includono alcheni C n H 2n, alchini C n H 2n -2, alcadieni C n H 2n -2.

16 I composti ciclici contengono anelli (cicli) all'interno delle loro molecole. Se i cicli contengono solo atomi di carbonio, tali composti sono chiamati carbociclici. A loro volta, i composti carbociclici si dividono in aliciclici e aromatici. Gli idrocarburi aliciclici (cicloalcani) includono il ciclopropano e i suoi omologhi: ciclobutano, ciclopentano, cicloesano e così via. Se il sistema ciclico, oltre all'idrocarburo, comprende anche altri elementi, tali composti sono classificati come eterociclici.

Classificazione in base alla natura di un gruppo funzionale Un gruppo funzionale è un atomo o un gruppo di atomi collegati in un certo modo, la cui presenza in una molecola di una sostanza organica determina le proprietà caratteristiche e la sua appartenenza all'una o all'altra classe di composti . In base al numero e all'omogeneità dei gruppi funzionali, i composti organici si dividono in mono-, poli- ed eterofunzionali. Le sostanze con un solo gruppo funzionale sono dette monofunzionali; le sostanze con più gruppi funzionali identici sono dette polifunzionali. I composti contenenti diversi gruppi funzionali diversi sono eterofunzionali. È importante che i composti della stessa classe siano combinati in serie omologhe. Una serie omologa è una serie di composti organici con gli stessi gruppi funzionali e la stessa struttura; ciascun rappresentante della serie omologa differisce dal precedente per un'unità costante (CH 2), chiamata differenza omologa. I membri di una serie omologa sono detti omologhi. 17

Sistemi di nomenclatura in chimica organica - banale, razionale e internazionale (IUPAC) La nomenclatura chimica è un insieme di nomi di singole sostanze chimiche, i loro gruppi e classi, nonché le regole per la compilazione dei loro nomi. La nomenclatura chimica è un insieme di nomi di singole sostanze chimiche sostanze, i loro gruppi e classi, nonché le regole che ne compilano i nomi. La nomenclatura banale (storica) è associata al processo di ottenimento delle sostanze (pirogallolo - un prodotto della pirolisi dell'acido gallico), alla fonte di origine da cui è stato ottenuto (acido formico), ecc. I nomi banali dei composti sono ampiamente utilizzati nella chimica dei composti naturali ed eterociclici (citrale, geraniolo, tiofene, pirrolo, chinolina, ecc.) La nomenclatura banale (storica) è associata al processo di ottenimento delle sostanze (il pirogallolo è un prodotto della pirolisi di acido gallico), la fonte di origine da cui è stato ottenuto (acido formico), ecc. I nomi banali dei composti sono ampiamente utilizzati nella chimica dei composti naturali ed eterociclici (citrale, geraniolo, tiofene, pirrolo, chinolina, ecc.). La nomenclatura razionale si basa sul principio di dividere i composti organici in serie omologhe. Tutte le sostanze di una determinata serie omologa sono considerate derivate del rappresentante più semplice di questa serie: la prima o talvolta la seconda. In particolare, per gli alcani - metano, per gli alcheni - etilene, ecc. La nomenclatura razionale si basa sul principio di dividere i composti organici in serie omologhe. Tutte le sostanze di una determinata serie omologa sono considerate derivate del rappresentante più semplice di questa serie: la prima o talvolta la seconda. In particolare, per gli alcani - metano, per gli alcheni - etilene, ecc. 18

Nomenclatura internazionale (IUPAC). Le regole della nomenclatura moderna furono sviluppate nel 1957 al 19° Congresso dell'Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata (IUPAC). Nomenclatura funzionale radicale. Questi nomi si basano sul nome della classe funzionale (alcol, etere, chetone, ecc.), che è preceduto dai nomi dei radicali idrocarburici, ad esempio: cloruro di alile, etere etilico, dimetilchetone, alcol propilico, ecc. Nomenclatura sostitutiva. Regole di nomenclatura. La struttura madre è il frammento strutturale della molecola (scheletro molecolare) alla base del nome del composto, la principale catena di atomi di carbonio per i composti aliciclici e il ciclo per i composti carbociclici. 19

Legame chimico nelle molecole organiche Il legame chimico è il fenomeno dell'interazione tra i gusci elettronici esterni (elettroni di valenza degli atomi) e i nuclei atomici, che determina l'esistenza di una molecola o di un cristallo nel suo insieme. Di norma, un atomo, accettando o donando un elettrone o formando una coppia elettronica comune, tende ad acquisire una configurazione del guscio elettronico esterno simile a quella dei gas nobili. I seguenti tipi di legami chimici sono caratteristici dei composti organici: - legame ionico - legame covalente - legame donatore - accettore - legame idrogeno Esistono anche altri tipi legame chimico(metallico, a un elettrone, a due elettroni a tre centri), tuttavia, non si trovano praticamente mai nei composti organici. 20

Tipi di legami nei composti organici Il più caratteristico dei composti organici è un legame covalente. Un legame covalente è l'interazione degli atomi, che si realizza attraverso la formazione di una coppia di elettroni comune. Questo tipo di legame si forma tra atomi che hanno valori di elettronegatività comparabili. L'elettronegatività è una proprietà di un atomo che mostra la capacità di attirare a sé gli elettroni di altri atomi. Un legame covalente può essere polare o non polare. Un legame covalente non polare si verifica tra atomi con lo stesso valore di elettronegatività

Tipi di legami nei composti organici Un legame covalente polare si forma tra atomi che hanno valori di elettronegatività diversi. In questo caso, gli atomi legati acquisiscono cariche parziali δ+δ+ δ-δ-. Un sottotipo speciale di legame covalente è il legame donatore-accettore. Come negli esempi precedenti, questo tipo di interazione è dovuta alla presenza di una coppia elettronica comune, ma quest’ultima è fornita da uno degli atomi che formano il legame (donatore) e accettata da un altro atomo (accettore) 24

Tipi di legami nei composti organici Un legame ionico si forma tra atomi che differiscono notevolmente nei valori di elettronegatività. In questo caso, l'elettrone dell'elemento meno elettronegativo (spesso un metallo) viene completamente trasferito all'elemento più elettronegativo. Questa transizione elettronica provoca la comparsa di una carica positiva sull'atomo meno elettronegativo e di una carica negativa su quello più elettronegativo. Pertanto, si formano due ioni con cariche opposte, tra i quali esiste un'interazione elettrovalente. 25

Tipi di legami nei composti organici Un legame idrogeno è un'interazione elettrostatica tra un atomo di idrogeno, che è legato in modo altamente polare, e coppie di elettroni di ossigeno, fluoro, azoto, zolfo e cloro. Questo tipo di interazione è un'interazione piuttosto debole. Il legame idrogeno può essere intermolecolare o intramolecolare. Legame idrogeno intermolecolare (interazione tra due molecole di alcol etilico) Legame idrogeno intramolecolare nell'aldeide salicilica 26

Legame chimico nelle molecole organiche La moderna teoria del legame chimico si basa sul modello quantomeccanico di una molecola come sistema costituito da elettroni e nuclei atomici. Il concetto fondamentale della teoria quantistica è l’orbitale atomico. Un orbitale atomico è una parte dello spazio in cui la probabilità di trovare elettroni è massima. Il legame può quindi essere visto come l’interazione (“sovrapposizione”) di orbitali che trasportano ciascuno un elettrone con spin opposti. 27

Ibridazione degli orbitali atomici Secondo la teoria quantomeccanica, il numero di legami covalenti formati da un atomo è determinato dal numero di orbitali atomici ad un elettrone (il numero di elettroni spaiati). L'atomo di carbonio nel suo stato fondamentale ha solo due elettroni spaiati, ma l'eventuale transizione di un elettrone da 2s a 2 pz rende possibile la formazione di quattro legami covalenti. Lo stato di un atomo di carbonio in cui ha quattro elettroni spaiati è chiamato “eccitato”. Nonostante il fatto che gli orbitali del carbonio siano disuguali, è noto che la formazione di quattro legami equivalenti è possibile a causa dell'ibridazione degli orbitali atomici. L'ibridazione è un fenomeno in cui lo stesso numero di orbitali della stessa forma e numero sono formati da diversi orbitali di forma diversa e simili in energia. 28

Stati ibridi dell'atomo di carbonio nelle molecole organiche PRIMO STATO IBRIDO L'atomo di C è in uno stato di ibridazione sp 3, forma quattro legami σ, forma quattro orbitali ibridi, che sono disposti a forma di tetraedro (angolo di legame) legame σ 31

Stati ibridi dell'atomo di carbonio nelle molecole organiche SECONDO STATO IBRIDO L'atomo di C è in uno stato di ibridazione sp 2, forma tre legami σ, forma tre orbitali ibridi, disposti a forma di triangolo piatto (angolo di legame 120) legami σ legame π 32

Stati ibridi dell'atomo di carbonio nelle molecole organiche TERZO STATO IBRIDO L'atomo di C è in uno stato di ibridazione sp, forma due legami σ, forma due orbitali ibridi, che sono disposti in linea (angolo di legame 180) legami σ π -obbligazioni 33

Caratteristiche dei legami chimici Scala POLING: F-4.0; O-3,5; CL – 3,0; N-3,0; Br – 2,8; S-2,5; C-2.5; H-2.1. differenza 1.7

Caratteristiche dei legami chimici La polarizzabilità del legame è uno spostamento della densità elettronica sotto l'influenza di fattori esterni. La polarizzabilità del legame è il grado di mobilità degli elettroni. All’aumentare del raggio atomico aumenta la polarizzabilità degli elettroni. Pertanto, la polarizzabilità del legame Carbonio - alogeno aumenta come segue: C-F

Effetti elettronici. Influenza reciproca degli atomi in una molecola 39 Secondo i moderni concetti teorici, la reattività delle molecole organiche è predeterminata dallo spostamento e dalla mobilità delle nuvole di elettroni che formano un legame covalente. In chimica organica si distinguono due tipi di spostamenti di elettroni: a) spostamenti elettronici che si verificano nel sistema di legame, b) spostamenti elettronici trasmessi dal sistema di legame. Nel primo caso si verifica il cosiddetto effetto induttivo, nel secondo l'effetto mesomerico. L'effetto induttivo è una ridistribuzione della densità elettronica (polarizzazione) risultante dalla differenza di elettronegatività tra gli atomi di una molecola in un sistema di legami. A causa della insignificante polarizzabilità dei legami, l'effetto induttivo svanisce rapidamente e dopo 3-4 legami quasi non si manifesta.

Effetti elettronici. Influenza reciproca degli atomi in una molecola 40 Il concetto di effetto induttivo è stato introdotto da K. Ingold e ha anche introdotto le seguenti designazioni: –effetto I nel caso di una diminuzione della densità elettronica da parte di un sostituente + effetto I in il caso di un aumento della densità elettronica da parte di un sostituente Un effetto induttivo positivo è mostrato dai radicali alchilici (CH 3, C 2 H 5 - ecc.). Tutti gli altri sostituenti legati all'atomo di carbonio mostrano un effetto induttivo negativo.

Effetti elettronici. Influenza reciproca degli atomi in una molecola 41 L'effetto mesomerico è la ridistribuzione della densità elettronica lungo un sistema coniugato. I sistemi coniugati includono molecole di composti organici in cui si alternano legami doppi e singoli o quando un atomo con una coppia solitaria di elettroni nell'orbitale p si trova accanto al doppio legame. Nel primo caso avviene la coniugazione -, nel secondo caso avviene la coniugazione p, -. I sistemi accoppiati sono disponibili in configurazioni a circuito aperto e chiuso. Esempi di tali composti sono 1,3-butadiene e benzina. Nelle molecole di questi composti, gli atomi di carbonio sono in uno stato di ibridazione sp 2 e, a causa degli orbitali p non ibridi, formano legami che si sovrappongono reciprocamente e formano un'unica nuvola di elettroni, cioè avviene la coniugazione.

Effetti elettronici. Influenza reciproca degli atomi in una molecola 42 Esistono due tipi di effetto mesomerico: effetto mesomerico positivo (+M) ed effetto mesomerico negativo (-M). Un effetto mesomerico positivo è esibito dai sostituenti che forniscono elettroni p al sistema coniugato. Questi includono: -O, -S -NH 2, -OH, -OR, Hal (alogeni) e altri sostituenti che hanno una carica negativa o una coppia solitaria di elettroni. L'effetto mesomerico negativo è caratteristico dei sostituenti che assorbono la densità elettronica dal sistema coniugato. Questi includono sostituenti che hanno legami multipli tra atomi con diversa elettronegatività: - N0 2 ; -SO3H; >C=O; -COON e altri. L'effetto mesomerico è rappresentato graficamente da una freccia piegata che mostra la direzione dello spostamento degli elettroni e, a differenza dell'effetto di induzione, l'effetto mesomerico non si spegne. Viene trasmesso completamente in tutto il sistema, indipendentemente dalla lunghezza della catena di interfacciamento. C=O; -COON e altri. L'effetto mesomerico è rappresentato graficamente da una freccia piegata che mostra la direzione dello spostamento degli elettroni e, a differenza dell'effetto di induzione, l'effetto mesomerico non si spegne. Viene trasmesso completamente in tutto il sistema, indipendentemente dalla lunghezza della catena di interfacciamento.">

Tipi di reazioni chimiche 43 Una reazione chimica può essere considerata come l'interazione tra un reagente e un substrato. A seconda del metodo di rottura e formazione di un legame chimico nelle molecole, reazioni organiche si dividono in: a) omolitiche b) eterolitiche c) molecolari Le reazioni omolitiche o radicaliche sono causate dalla scissione omolitica del legame, quando ad ogni atomo rimane un elettrone, cioè si formano radicali. La scissione omolitica avviene ad alte temperature, mediante l'azione di un quanto di luce o catalisi.

Le reazioni eterolitiche o ioniche procedono in modo tale che una coppia di elettroni di legame rimanga vicino a uno degli atomi e si formino ioni. Una particella con una coppia di elettroni è detta nucleofila e ha una carica negativa (-). Una particella senza una coppia di elettroni è detta elettrofila e ha una carica positiva (+). 44 Tipi di reazioni chimiche

Meccanismo di una reazione chimica 45 Il meccanismo di una reazione è l'insieme degli stadi elementari (semplici) che compongono una data reazione. Il meccanismo di reazione comprende molto spesso le seguenti fasi: attivazione del reagente con la formazione di un elettrofilo, nucleofilo o radicale libero. Per attivare un reagente, solitamente è necessario un catalizzatore. Nella seconda fase, il reagente attivato interagisce con il substrato. In questo caso si formano particelle intermedie (intermedi). Questi ultimi includono complessi, complessi (carbocationi), carbanioni e nuovi radicali liberi. Nella fase finale, l'aggiunta o l'eliminazione di una particella al (da) l'intermedio formato nella seconda fase avviene con la formazione del prodotto finale della reazione. Se un reagente genera un nucleofilo dopo l'attivazione, si tratta di reazioni nucleofile. Sono contrassegnati con la lettera N - (nell'indice). Nel caso in cui il reagente generi un elettrofilo, le reazioni sono classificate come elettrofile (E). Lo stesso si può dire delle reazioni dei radicali liberi (R).

I nucleofili sono reagenti che hanno una carica negativa o un atomo arricchito in densità elettronica: 1) anioni: OH -, CN -, RO -, RS -, Hal - e altri anioni; 2) molecole neutre con coppie solitarie di elettroni: NH 3, NH 2 R, H 2 O, ROH e altre; 3) molecole con densità elettronica in eccesso (aventi - legami). Gli elettrofili sono reagenti che hanno una carica positiva o un atomo impoverito nella densità elettronica: 1) cationi: H + (protone), HSO 3 + (ione idrogeno solfonio), NO 2 + (ione nitronio), NO (ione nitrosonio) e altri cationi; 2) molecole neutre con un orbitale vacante: AlCl 3, FeBr 3, SnCl 4, BF 4 (acidi di Lewis), SO 3; 3) molecole con densità elettronica ridotta sull'atomo. 46

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