Chimica Bioorganica (BOC), sua importanza in medicina. Argomento di chimica bioorganica. classificazione, struttura, reattività dei composti organici James Dewey Watson Gerard, Gerhardt Charles Frederic. A seconda della natura elettronica dei reagenti

Chimica bioorganica è una scienza fondamentale che studia la struttura e le funzioni biologiche dei componenti più importanti della materia vivente, principalmente biopolimeri e bioregolatori a basso peso molecolare, concentrandosi sulla delucidazione dei modelli della relazione tra la struttura dei composti e i loro effetti biologici.

La chimica bioorganica è una scienza all'intersezione tra chimica e biologia; aiuta a rivelare i principi di funzionamento dei sistemi viventi. La chimica bioorganica ha un pronunciato orientamento pratico, essendo la base teorica per ottenere nuovi composti preziosi per l'industria medica, agricola, chimica, alimentare e microbiologica. La gamma di interessi della chimica bioorganica è insolitamente ampia: comprende il mondo delle sostanze isolate dalla natura vivente e che svolgono un ruolo importante nella vita, e il mondo dei composti organici prodotti artificialmente che hanno attività biologica. La chimica bioorganica copre la chimica di tutte le sostanze di una cellula vivente, decine e centinaia di migliaia di composti.

Oggetti di studio, metodi di ricerca e compiti principali della chimica bioorganica

Oggetti di studio la chimica bioorganica sono proteine ​​e peptidi, carboidrati, lipidi, biopolimeri misti - glicoproteine, nucleoproteine, lipoproteine, glicolipidi, ecc., alcaloidi, terpenoidi, vitamine, antibiotici, ormoni, prostaglandine, feromoni, tossine, nonché regolatori sintetici dei processi biologici: medicinali, pesticidi, ecc.

Il principale arsenale di metodi di ricerca la chimica bioorganica consiste di metodi; Per risolvere problemi strutturali vengono utilizzati metodi fisici, fisico-chimici, matematici e biologici.

Compiti principali chimica bioorganica sono:

• Isolamento in uno stato individuale e purificazione dei composti studiati mediante cristallizzazione, distillazione, vari tipi cromatografia, elettroforesi, ultrafiltrazione, ultracentrifugazione, ecc. In questo caso vengono spesso utilizzate funzioni biologiche specifiche della sostanza studiata (ad esempio, la purezza di un antibiotico è monitorata dalla sua attività antimicrobica, di un ormone dal suo effetto su un certo processo fisiologico, ecc.);
• Creazione della struttura, inclusa la struttura spaziale, basata su approcci di chimica organica (idrolisi, scissione ossidativa, scissione in frammenti specifici, ad esempio, sui residui di metionina quando si stabilisce la struttura di peptidi e proteine, scissione sui gruppi 1,2-dioli dei carboidrati, ecc.) e fisica-chimica mediante spettrometria di massa, vari tipi di spettroscopia ottica (IR, UV, laser, ecc.), analisi di diffrazione di raggi X, risonanza magnetica nucleare, risonanza paramagnetica elettronica, dispersione ottica rotazionale e dicroismo circolare, veloce metodi cinetici, ecc. in combinazione con calcoli computerizzati. Per risolvere rapidamente i problemi standard associati alla definizione della struttura di un numero di biopolimeri, sono stati creati e ampiamente utilizzati dispositivi automatici, il cui principio di funzionamento si basa su reazioni e proprietà standard di composti naturali e biologicamente attivi. Si tratta di analizzatori per determinare la composizione quantitativa aminoacidica dei peptidi, sequenziatori per confermare o stabilire la sequenza dei residui aminoacidici nei peptidi e la sequenza nucleotidica negli acidi nucleici, ecc. L'uso di enzimi che scindono specificamente i composti studiati lungo legami rigorosamente definiti è importante quando si studia la struttura di biopolimeri complessi. Tali enzimi vengono utilizzati nello studio della struttura delle proteine ​​(tripsina, proteinasi che scindono i legami peptidici sull'acido glutammico, prolina e altri residui di aminoacidi), acidi nucleici e polinucleotidi (nucleasi, enzimi di restrizione), polimeri contenenti carboidrati (glicosidasi, compresi specifici quelli - galattosidasi, glucuronidasi, ecc.). Per aumentare l'efficacia della ricerca, vengono analizzati non solo i composti naturali, ma anche i loro derivati ​​contenenti gruppi caratteristici, appositamente introdotti e atomi etichettati. Tali derivati ​​si ottengono, ad esempio, facendo crescere il produttore su un mezzo contenente amminoacidi marcati o altri precursori radioattivi, che includono trizio, carbonio radioattivo o fosforo. L'affidabilità dei dati ottenuti dallo studio delle proteine ​​complesse aumenta in modo significativo se questo studio viene condotto insieme allo studio della struttura dei geni corrispondenti.
• Sintesi chimica e modificazione chimica dei composti studiati, compresa sintesi totale, sintesi di analoghi e derivati. Per i composti a basso peso molecolare, la controsintesi è ancora un criterio importante per la correttezza della struttura stabilita. Lo sviluppo di metodi per la sintesi di composti naturali e biologicamente attivi è necessario per risolvere il prossimo importante problema della chimica bioorganica: chiarire la relazione tra la loro struttura e la funzione biologica.
• Chiarimento della relazione tra struttura e funzioni biologiche di biopolimeri e bioregolatori a basso peso molecolare; studio dei meccanismi chimici della loro azione biologica. Questo aspetto della chimica bioorganica sta diventando sempre più importante significato pratico. Miglioramento dell'arsenale di metodi per la sintesi chimica e chimico-enzimatica di biopolimeri complessi (peptidi biologicamente attivi, proteine, polinucleotidi, acidi nucleici, compresi geni funzionanti attivamente) in combinazione con tecniche sempre più migliorate per la sintesi di bioregolatori relativamente più semplici, nonché metodi per la scissione selettiva dei biopolimeri, consentono di comprendere più a fondo la dipendenza degli effetti biologici dalla struttura dei composti. L'uso di una tecnologia informatica altamente efficiente consente di confrontare oggettivamente numerosi dati di diversi ricercatori e di trovare modelli comuni. I modelli particolari e generali trovati, a loro volta, stimolano e facilitano la sintesi di nuovi composti, che in alcuni casi (ad esempio, quando si studiano i peptidi che influenzano l'attività cerebrale) consente di trovare composti sintetici praticamente importanti che sono superiori nell'attività biologica ai loro analoghi naturali. Lo studio dei meccanismi chimici dell'azione biologica apre la possibilità di creare composti biologicamente attivi con proprietà predeterminate.
• Ottenere farmaci praticamente preziosi.
• Test biologici dei composti ottenuti.

La formazione della chimica bioorganica. Riferimento storico

L'emergere della chimica bioorganica nel mondo ebbe luogo tra la fine degli anni '50 e l'inizio degli anni '60, quando i principali oggetti di ricerca in questo settore erano quattro classi di composti organici che svolgono un ruolo chiave nella vita delle cellule e degli organismi: proteine, polisaccaridi e lipidi. Risultati incredibili chimica tradizionale dei composti naturali, come la scoperta da parte di L. Pauling dell'α-elica come uno degli elementi principali struttura spaziale catena polipeptidica nelle proteine, l'istituzione da parte di A. Todd della struttura chimica dei nucleotidi e la prima sintesi di un dinucleotide, lo sviluppo di F. Sanger di un metodo per determinare la sequenza aminoacidica nelle proteine ​​e utilizzarlo per decifrare la struttura dell'insulina, R. La sintesi di Woodward di composti naturali complessi come la reserpina, la clorofilla e la vitamina Nel 12, la sintesi del primo ormone peptidico, l'ossitocina, segnò, in sostanza, la trasformazione della chimica dei composti naturali nella moderna chimica bioorganica.

Tuttavia, nel nostro paese, l'interesse per le proteine ​​e gli acidi nucleici è sorto molto prima. I primi studi sulla chimica delle proteine ​​e degli acidi nucleici iniziarono a metà degli anni '20. tra le mura dell'Università di Mosca, ed è stato qui il primo scuole scientifiche, lavorando con successo fino ad oggi in questi importanti settori delle scienze naturali. Quindi, negli anni '20. su iniziativa di N.D. Zelinsky iniziò una ricerca sistematica sulla chimica delle proteine, compito principale che era il chiarimento dei principi generali della struttura delle molecole proteiche. ND Zelinsky ha creato il primo laboratorio di chimica delle proteine ​​nel nostro paese, in cui è stato svolto un importante lavoro sulla sintesi e l'analisi strutturale di aminoacidi e peptidi. Un ruolo eccezionale nello sviluppo di questi lavori spetta a M.M. Botvinnik e i suoi studenti, che hanno ottenuto risultati impressionanti nello studio della struttura e del meccanismo d'azione delle pirofosfatasi inorganiche, enzimi chiave del metabolismo del fosforo nella cellula. Alla fine degli anni '40, quando cominciò ad emergere il ruolo guida degli acidi nucleici nei processi genetici, M.A. Prokofiev e Z.A. Shabarova iniziò a lavorare sulla sintesi dei componenti degli acidi nucleici e dei loro derivati, segnando così l'inizio della chimica degli acidi nucleici nel nostro paese. Furono effettuate le prime sintesi di nucleosidi, nucleotidi e oligonucleotidi e un grande contributo fu dato alla creazione di sintetizzatori domestici automatici di acidi nucleici.

Negli anni '60 Questa direzione nel nostro Paese si è sviluppata in modo coerente e rapido, spesso in anticipo rispetto a passi e tendenze simili all’estero. Le scoperte fondamentali di A.N. hanno avuto un ruolo enorme nello sviluppo della chimica bioorganica. Belozersky, che dimostrò l'esistenza del DNA nelle piante superiori e studiò sistematicamente la composizione chimica degli acidi nucleici, gli studi classici di V.A. Engelhardt e V.A. Belitser sul meccanismo ossidativo della fosforilazione, studi di fama mondiale di A.E. Arbuzov sulla chimica dei composti organofosforici fisiologicamente attivi, nonché i lavori fondamentali di I.N. Nazarov e N.A. Preobrazenskij sulla sintesi di varie sostanze naturali e dei loro analoghi e altri lavori. I più grandi risultati nella creazione e nello sviluppo della chimica bioorganica nell'URSS appartengono all'accademico M.M. Shemyakin. In particolare, ha iniziato a lavorare sullo studio dei peptidi atipici - depsipeptidi, che successivamente hanno ricevuto uno sviluppo diffuso in relazione alla loro funzione di ionofori. Il talento, l'intuizione e l'attività vigorosa di questo e di altri scienziati hanno contribuito alla rapida crescita dell'autorità internazionale della chimica bioorganica sovietica, al suo consolidamento nelle aree più rilevanti e al rafforzamento organizzativo nel nostro paese.

Tra la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70. Nella sintesi di composti biologicamente attivi di struttura complessa, gli enzimi iniziarono ad essere utilizzati come catalizzatori (la cosiddetta sintesi chimico-enzimatica combinata). Questo approccio è stato utilizzato da G. Korana per la prima sintesi genetica. L'uso di enzimi ha permesso di effettuare una trasformazione rigorosamente selettiva di un numero di composti naturali e di ottenere nuovi derivati ​​​​biologicamente attivi di peptidi, oligosaccaridi e acidi nucleici ad alto rendimento. Negli anni '70 Le aree più intensamente sviluppate della chimica bioorganica sono state la sintesi di oligonucleotidi e geni, lo studio delle membrane cellulari e dei polisaccaridi e l'analisi delle strutture primarie e spaziali delle proteine. Le strutture di importanti enzimi (transaminasi, β-galattosidasi, RNA polimerasi DNA-dipendente), proteine ​​protettive (γ-globuline, interferoni), proteine ​​di membrana(adenosina trifosfatasi, batteriorodopsina). Grande importanza lavoro acquisito sullo studio della struttura e del meccanismo d'azione dei regolatori peptidici attività nervosa(i cosiddetti neuropeptidi).

Chimica bioorganica domestica moderna

Attualmente, la chimica bioorganica domestica occupa posizioni di primo piano nel mondo in una serie di settori chiave. Sono stati compiuti importanti progressi nello studio della struttura e della funzione di peptidi biologicamente attivi e proteine ​​complesse, inclusi ormoni, antibiotici e neurotossine. Importanti risultati sono stati ottenuti nella chimica dei peptidi attivi di membrana. Sono state studiate le ragioni della selettività e dell'efficacia uniche dell'azione dei dispepside-ionofori ed è stato chiarito il meccanismo di funzionamento nei sistemi viventi. Sono stati ottenuti analoghi sintetici di ionofori con proprietà specifiche, che sono molte volte più efficaci dei campioni naturali (V.T. Ivanov, Yu.A. Ovchinnikov). Le proprietà uniche degli ionofori vengono utilizzate per creare sensori ionoselettivi basati su di essi, ampiamente utilizzati nella tecnologia. I successi ottenuti nello studio di un altro gruppo di regolatori: le neurotossine, che sono inibitori della trasmissione degli impulsi nervosi, hanno portato al loro uso diffuso come strumenti per studiare i recettori di membrana e altre strutture specifiche delle membrane cellulari (E.V. Grishin). Lo sviluppo del lavoro sulla sintesi e lo studio degli ormoni peptidici ha portato alla creazione di analoghi altamente efficaci degli ormoni ossitocina, angiotensina II e bradichinina, responsabili della contrazione della muscolatura liscia e della regolazione della pressione sanguigna. Un grande successo è stato il completo sintesi chimica preparazioni di insulina, compresa l'insulina umana (N.A. Yudaev, Yu.P. Shvachkin, ecc.). Sono stati scoperti e studiati numerosi antibiotici proteici, tra cui gramicidina S, polimixina M, actinoxantina (G.F. Gause, A.S. Khokhlov, ecc.). Si sta sviluppando attivamente il lavoro per studiare la struttura e la funzione delle proteine ​​di membrana che svolgono funzioni di recettore e trasporto. Sono state ottenute le proteine ​​fotorecettrici rodopsina e batteriorodopsina ed è stata studiata la base fisico-chimica del loro funzionamento come pompe ioniche dipendenti dalla luce (V.P. Skulachev, Yu.A. Ovchinnikov, M.A. Ostrovsky). La struttura e il meccanismo di funzionamento dei ribosomi, i principali sistemi per la biosintesi proteica nella cellula, sono ampiamente studiati (A.S. Spirin, A.A. Bogdanov). Grandi cicli di ricerca sono associati allo studio degli enzimi, alla determinazione della loro struttura primaria e struttura spaziale, allo studio delle funzioni catalitiche (aspartato aminotransferasi, pepsina, chimotripsina, ribonucleasi, enzimi del metabolismo del fosforo, glicosidasi, colinesterasi, ecc.). Sono stati sviluppati metodi per la sintesi e la modifica chimica degli acidi nucleici e dei loro componenti (D.G. Knorre, M.N. Kolosov, Z.A. Shabarova), sono in fase di sviluppo approcci per creare farmaci di nuova generazione basati su di essi per il trattamento di malattie virali, oncologiche e autoimmuni. Utilizzando proprietà uniche acidi nucleici e sulla loro base vengono creati farmaci diagnostici e biosensori, analizzatori di numerosi composti biologicamente attivi (V.A. Vlasov, Yu.M. Evdokimov, ecc.)

Sono stati compiuti progressi significativi nella chimica sintetica dei carboidrati (sintesi di antigeni batterici e creazione di vaccini artificiali, sintesi di inibitori specifici dell'assorbimento di virus sulla superficie cellulare, sintesi di inibitori specifici di tossine batteriche (N.K. Kochetkov, A. Ya. Khorlin)). Sono stati compiuti progressi significativi nello studio dei lipidi, dei lipoamminoacidi, dei lipopeptidi e delle lipoproteine ​​(L.D. Bergelson, N.M. Sisakyan). Sono stati sviluppati metodi per la sintesi di molti acidi grassi, lipidi e fosfolipidi biologicamente attivi. È stata studiata la distribuzione transmembrana dei lipidi in vari tipi di liposomi, nelle membrane batteriche e nei microsomi epatici.

Un'area importante della chimica bioorganica è lo studio di una varietà di sostanze naturali e sintetiche in grado di regolare vari processi che si verificano nelle cellule viventi. Si tratta di repellenti, antibiotici, feromoni, sostanze di segnalazione, enzimi, ormoni, vitamine e altri (i cosiddetti regolatori a basso peso molecolare). Sono stati sviluppati metodi per la sintesi e la produzione di quasi tutte le vitamine conosciute, una parte significativa degli ormoni steroidei e degli antibiotici. Sono stati sviluppati metodi industriali per la produzione di numerosi coenzimi utilizzati come preparazioni medicinali (coenzima Q, piridossal fosfato, tiamina pirofosfato, ecc.). Sono stati proposti nuovi potenti agenti anabolizzanti che hanno un'azione superiore ai noti farmaci stranieri (I.V. Torgov, S.N. Ananchenko). Sono stati studiati la biogenesi e i meccanismi d'azione degli steroidi naturali e trasformati. Sono stati compiuti progressi significativi nello studio degli alcaloidi, dei glicosidi steroidei e triterpenici e delle cumarine. La ricerca originale è stata condotta nel campo della chimica dei pesticidi, che ha portato al rilascio di numerosi farmaci preziosi (I.N. Kabachnik, N.N. Melnikov, ecc.). È in corso una ricerca attiva di nuovi farmaci necessari per il trattamento di varie malattie. Sono stati ottenuti farmaci che hanno dimostrato la loro efficacia nel trattamento di numerose malattie oncologiche (dopane, sarcolisina, ftorafur, ecc.).

Direzioni prioritarie e prospettive per lo sviluppo della chimica bioorganica

Direzioni prioritarie ricerca scientifica nel campo della chimica bioorganica sono:

• studio della dipendenza strutturale-funzionale di composti biologicamente attivi;
• progettazione e sintesi di nuovi farmaci biologicamente attivi, compresa la creazione di farmaci e prodotti fitosanitari;
• ricerca su processi biotecnologici ad alta efficienza;
• studio dei meccanismi molecolari dei processi che si verificano in un organismo vivente.

Orientata ricerca di base nel campo della chimica bioorganica sono finalizzati allo studio della struttura e della funzione dei più importanti biopolimeri e bioregolatori a basso peso molecolare, tra cui proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi, alcaloidi, prostaglandine e altri composti. La chimica bioorganica è strettamente correlata a problemi pratici medicina e agricoltura (produzione di vitamine, ormoni, antibiotici e altri medicinali, stimolanti della crescita delle piante e regolatori del comportamento di animali e insetti), industrie chimiche, alimentari e microbiologiche. I risultati della ricerca scientifica costituiscono la base per creare una base scientifica e tecnica per le tecnologie di produzione della moderna immunodiagnostica medica, reagenti per la ricerca genetica medica e reagenti per analisi biochimiche, tecnologie per la sintesi di sostanze farmaceutiche da utilizzare in oncologia, virologia, endocrinologia, gastroenterologia, nonché prodotti fitosanitari e tecnologie per la loro applicazione in agricoltura.

Risolvere i principali problemi della chimica bioorganica è importante per l'ulteriore progresso della biologia, della chimica e di numerose scienze tecniche. Senza chiarire la struttura e le proprietà dei più importanti biopolimeri e bioregolatori, è impossibile comprendere l'essenza dei processi vitali, tanto meno trovare modi per controllare fenomeni complessi come la riproduzione e la trasmissione di caratteristiche ereditarie, la crescita delle cellule normali e maligne, l'immunità, memoria, trasmissione degli impulsi nervosi e molto altro ancora. Allo stesso tempo, lo studio è altamente specializzato dal punto di vista biologico sostanze attive e i processi che si verificano con la loro partecipazione possono aprire opportunità fondamentalmente nuove per lo sviluppo della chimica, della tecnologia chimica e dell'ingegneria. I problemi la cui soluzione è associata alla ricerca nel campo della chimica bioorganica comprendono la creazione di catalizzatori altamente attivi strettamente specifici (basati sullo studio della struttura e del meccanismo d'azione degli enzimi), la conversione diretta dell'energia chimica in energia meccanica (basata su lo studio della contrazione muscolare) e l'uso dei principi di immagazzinamento chimico nella tecnologia e nel trasferimento di informazioni effettuato nei sistemi biologici, i principi di autoregolamentazione dei sistemi cellulari multicomponenti, principalmente la permeabilità selettiva delle membrane biologiche e molto altro ancora. problemi si trovano ben oltre i confini della chimica bioorganica stessa, tuttavia, crea i prerequisiti di base per lo sviluppo di questi problemi, fornendo i principali punti di supporto per lo sviluppo della ricerca biochimica già legata al campo biologia molecolare. L'ampiezza e l'importanza dei problemi da risolvere, la varietà dei metodi e la stretta connessione con altre discipline scientifiche assicurano il rapido sviluppo della chimica bioorganica Bollettino dell'Università di Mosca, serie 2, Chimica. 1999. T. 40. N. 5. P. 327-329.

Bender M., Bergeron R., Komiyama M. Chimica bioorganica della catalisi enzimatica. Per. dall'inglese M.: Mir, 1987. 352 S.

Yakovishin L.A. Capitoli selezionati di Chimica Bioorganica. Sebastopoli: Strizhak-press, 2006. 196 pp.

Nikolaev A.Ya. Chimica biologica. M.: Agenzia di informazione medica, 2001. 496 pp.

Argomento di chimica bioorganica.
Struttura e isomeria dell'organico
connessioni.
Legame chimico e interazione
atomi nei composti organici.
Tipi reazioni chimiche.
Poli- ed eterofunzionali
connessioni.
Libro di testo di base – Tyukavkina N.A., Baukov Yu.I.
Chimica bioorganica.
Testo delle lezioni frontali e del manuale “Chimica bioorganica in
domande e risposte" vedere sul sito web della TSU http://tgumed.ru
scheda “Assistenza studenti”, sezione “Lezioni frontali su
discipline curriculum" E, ovviamente, VK

La chimica bioorganica studia la struttura e le proprietà delle sostanze coinvolte nei processi vitali in connessione con la conoscenza della loro biologia

La chimica bioorganica studia la struttura e le proprietà delle sostanze
partecipazione ai processi vitali, in connessione con
conoscenza delle loro funzioni biologiche.
I principali oggetti di studio sono biologici
polimeri (biopolimeri) e bioregolatori.
Biopolimeri
–
alto peso molecolare
naturale
composti che costituiscono la base strutturale di tutti gli esseri viventi
organismi e svolgono un certo ruolo nei processi
attività di vita. I biopolimeri includono peptidi e
proteine, polisaccaridi (carboidrati), acidi nucleici. IN
Questo gruppo comprende anche i lipidi, che di per sé non lo sono
sono composti ad alto peso molecolare, ma in
il corpo sono solitamente associati ad altri biopolimeri.
I bioregolatori sono composti che chimicamente
regolare il metabolismo. Questi includono vitamine,
ormoni, molti dei quali sintetici biologicamente attivi
composti, compresi i farmaci.

L'insieme delle reazioni chimiche che si verificano nel corpo è chiamato metabolismo o metabolismo. Sostanze prodotte nelle cellule

L'insieme delle reazioni chimiche che avvengono nel corpo
chiamato metabolismo, o metabolismo. Sostanze
formati in cellule, tessuti e organi di piante e animali
durante il metabolismo sono chiamati metaboliti.
Il metabolismo comprende due direzioni: catabolismo e
anabolismo.
Il catabolismo si riferisce alle reazioni di degradazione delle sostanze che entrano
nel corpo con il cibo. Di norma, sono accompagnati dall'ossidazione dei composti organici e procedono con il rilascio
energia.
L'anabolismo è la sintesi di molecole complesse da
quelli più semplici, in conseguenza dei quali la formazione e il rinnovamento di elementi strutturali organismo vivente.
I processi metabolici si verificano con la partecipazione di enzimi,
quelli. proteine ​​specifiche che si trovano nelle cellule
organismo e svolgono il ruolo di catalizzatori biochimici
processi (biocatalizzatori).

Metabolismo

catabolismo
anabolismo
Decomposizione dei biopolimeri
con evidenziazione
energia
Sintesi di biopolimeri
con assorbimento
energia
Glicerina e
acido grasso

Principi di base della teoria della struttura dei composti organici A.M. Butlerov

1. Gli atomi in una molecola si trovano in un certo
sequenze in base alla loro valenza.
Valenza dell'atomo di carbonio nell'organico
connessioni è uguale a quattro.
2. Le proprietà delle sostanze dipendono non solo da cosa
atomi e in quali quantità sono inclusi nella composizione
molecole, ma anche dall'ordine in cui esse
collegati tra loro.
3. Atomi o gruppi di atomi che compongono
le molecole si influenzano reciprocamente, causando
dipendono dall’attività e dalla reazione chimica
capacità delle molecole.
4. Lo studio delle proprietà delle sostanze ci consente di determinarle
struttura chimica.

O m o l o g i c y r a y d

Omologo
riga
Un numero di composti strutturalmente simili che hanno
proprietà chimiche simili, in quale individuo
i membri di una serie differiscono tra loro solo per quantità
i gruppi -CH2- sono chiamati serie omologica e gruppo
CH2 – differenza omologa.
I membri di qualsiasi serie omologa hanno un travolgente
la maggior parte delle reazioni procede allo stesso modo (eccezione
costituiscono solo i primi membri della serie). Pertanto, sapere
reazioni chimiche di un solo membro della serie, è possibile con
con un alto grado di probabilità di affermare la stessa cosa
tipo di trasformazioni si verificano anche con i restanti membri
serie omologa.
Per qualsiasi serie omologa si può derivare
formula generale che riflette la relazione tra gli atomi
carbonio e idrogeno nei membri di questa serie; questa è la formula
chiamato formula generale serie omologa.

Classificazione dei composti organici in base alla struttura dello scheletro carbonioso

Classificazione dei composti organici in base alla presenza di gruppi funzionali

Gruppo funzionale
Classe
Esempio
atomi di alogeno (F, Cl, Br, I) derivati ​​degli alogeni CH3CH2Cl (cloroetano)
idrossile (–OH)
alcoli (fenoli)
CH3CH2OH (etanolo)
tiolo o mercapto- (– tioli (mercaptani) CH3CH2SH (etantiolo)
SН)
etereo (–O–)
eteri
CH3CH2–O–CH2CH3
(dietile
etere)
estere
carbossile –C ONU
esteri
CH3CH2COOCH3 (acetato di metile)
acidi carbossilici CH3COOH (acido acetico)
ammide –С ОНН2
ammidi
carbonile (–C=O)
solfo- (–SO3H)
ammino- (–NH2)
aldeidi e
chetoni
acidi solfonici
ammine
nitro- (–NO2)
composti nitro
acidi
CH3CONH2 (acetammide)
CH3CHO (etanale)
CH3COCH3 (propanone)
СН3SO3Н (acido metansolfonico)
CH3CH2NH2
(etilammina,
ammina primaria)
CH3NHCH3
(dimetilammina,
ammina secondaria)
CH3CH2NO2 (nitroetano)

Nomenclatura dei composti organici

Isomeria dei composti organici

Se due o più sostanze individuali hanno
la stessa composizione quantitativa (formula molecolare),
ma differiscono tra loro nella sequenza di legame
atomi e (o) la loro posizione nello spazio, quindi in generale
In questo caso si chiamano isomeri.
Poiché la struttura di questi composti è diversa, allora
proprietà chimiche o fisiche degli isomeri
sono diversi.
Tipi di isomerismo: strutturale (isomeri di struttura) e
stereoisomeria (spaziale).
L’isomeria strutturale può essere di tre tipi:
- isomerismo dello scheletro di carbonio (isomeri di catena),
- isomeri di posizione (legami multipli o funzionali
gruppi),
- isomeri del gruppo funzionale (interclasse).
Lo stereoisomerismo è suddiviso
configurazione
SU
conformazionale
E

Questo è l'isomeria geometrica

Luce polarizzata piana

Segni di attività ottica:
- presenza di un atomo di carbonio asimmetrico;
- assenza di elementi di simmetria molecolare

Enantiomeri dell'adrenalina
proteina
Anionico
Piatto
centro
superficie
non occupato
Piatto
Anionico
superficie
centro
Occupato
(+) - adrenalina
(-)- adrenalina
incompleto
corrispondenza
Basso
attività
completare
corrispondenza
alto
attività

Attività biologica degli enantiomeri

asparagina
DARVON
analgesico
NOVRADO
farmaco antitosse
specchio
L-asparagina
D-asparagina
(dagli asparagi)
(dai piselli)
sapore amaro
sapore dolce
enantiomeri
Vittime della talidomide

Acidità e basicità dei composti organici

Acidi Bronsted (acidi protici) -
molecole neutre o ioni che possono
donare un protone (donatori di protoni).
I tipici acidi di Brønsted sono acidi carbossilici
acidi. Hanno proprietà acide più deboli
gruppi idrossilici di fenoli e alcoli, nonché tio-,
gruppi amminici e imminici.
Le basi Bronsted sono molecole neutre o
ioni capaci di accettare un protone (accettori
protoni).
Le basi tipiche di Bronsted sono le ammine.
Anfoliti - composti, in molecole
che contengono sia acido che
gruppi principali.

Tipi di acidi e basi secondo Brønsted

I centri principali della molecola della novocaina

Utilizzo delle proprietà basiche per ottenere forme idrosolubili di farmaci

Di base
proprietà
medicinale
droghe
vengono utilizzati per ottenere le loro forme idrosolubili.
Quando si interagisce con acidi, composti con
legami ionici: sali altamente solubili in acqua.
Sì, novocaina iniettabile
utilizzato sotto forma di cloridrato.
il centro principale più forte,
cui si è unito il protone

Proprietà acido-base delle sostanze e loro ingresso nell'organismo

lipidi
membrana
pH dello stomaco 1
UNS
lipidi
membrana
plasma del sangue
pH 7,4
UNS
OSOSN3
pH dello stomaco 1
+
OSOSN3
NH3
SOOOOSCH3
COSÌ-
NH2
NH2
OSOSN3
pH intestinale 7-8
plasma del sangue
pH 7,4
pH intestinale 7-8
I farmaci acidi vengono assorbiti meglio dallo stomaco (pH 1-3),
e avviene solo l'assorbimento di farmaci o basi xenobiotiche
dopo passano dallo stomaco all'intestino (pH 7-8). Durante
In un'ora, quasi il 60% dell'acido acetilsalicilico viene assorbito dallo stomaco dei ratti.
acido e solo il 6% di anilina della dose somministrata. Nell'intestino dei ratti
Il 56% della dose di anilina somministrata è già assorbita. Una base così debole
come la caffeina (рKВH + 0,8), assorbita nello stesso tempo in modo molto maggiore
grado (36%), poiché anche nell'ambiente altamente acido dello stomaco, la caffeina
è prevalentemente in uno stato non ionizzato.

Tipi di reazioni in chimica organica

Le reazioni organiche sono classificate in base a
seguenti segnali:
1. In base alla natura elettronica dei reagenti.
2. Dalla variazione del numero di particelle durante la reazione.
3. In base a caratteristiche specifiche.
4. Secondo meccanismi elementari
fasi delle reazioni.

A seconda della natura elettronica dei reagenti, si distinguono le reazioni: nucleofila, elettrofila e radicale libero

I radicali liberi sono particelle elettricamente neutre
avente un elettrone spaiato, ad esempio: Cl, NO2.
Le reazioni dei radicali liberi sono caratteristiche degli alcani.
I reagenti elettrofili sono cationi o molecole
che da soli o in presenza di un catalizzatore
avere una maggiore affinità per una coppia di elettroni o
centri di molecole caricati negativamente. Questi includono
cationi H+, Cl+, +NO2, +SO3H, R+ e molecole con libero
orbitali AlCl3, ZnCl2, ecc.
Le reazioni elettrofile sono caratteristiche degli alcheni, degli alchini,
composti aromatici (addizione a un doppio legame,
sostituzione protonica).
I reagenti nucleofili sono anioni o molecole che
avere centri con maggiore densità elettronica. A loro
includere anioni e molecole come
HO-, RO-, Cl-, Br-, RCOO-, CN-, R-, NH3, C2H5OH, ecc.

Per cambiamento
numero di particelle durante
si distinguono le reazioni
reazioni di sostituzione,
adesioni,
scissione
(eliminazione),
decomposizione

Classificazione delle reazioni in base a particolari caratteristiche

La reattività è sempre considerata
solo in relazione al partner reazionario.
Durante una trasformazione chimica, di solito lo è
non viene colpita l'intera molecola, ma solo una parte -
centro di reazione.
Un composto organico può contenere
diversi centri di reazione disuguali.
Le reazioni possono portare a prodotti isomerici.
Selettività della reazione – qualitativa
caratteristico, significato predominante
la reazione procede in una direzione da
diversi possibili.
Esistono regioselettività,
chemoselettività, stereoselettività della reazione.

Selettività delle reazioni in chimica organica

Regioselettività - reazione preferenziale secondo
uno dei numerosi centri di reazione di una molecola.
CH3-CH2-CH3 + Br2
СН3-СНВr-СН3 + НВr
Il secondo isomero, 1-bromopropano, praticamente non si forma.
Chemoselettività - reazione preferenziale secondo
uno dei gruppi funzionali correlati.
Stereoselettività: formazione preferenziale in una reazione
uno dei tanti possibili stereoisomeri.

I composti multifunzionali contengono
più gruppi funzionali identici.
I composti eterofunzionali contengono
diversi gruppi funzionali.
Eteropolifunzionale
i composti contengono entrambi
diversi e uguali
gruppi funzionali.

Proprietà dei composti poli- ed eterofunzionali

Ciascun gruppo è poli- ed eterofunzionale
i composti possono subire le stesse reazioni di
gruppo corrispondente in monofunzionale
connessioni

Proprietà specifiche di poli- e
composti eterofunzionali
Reazioni di ciclizzazione
Formazione di complessi chelati

Composti polifunzionali come antidoti
L'effetto tossico dei metalli pesanti è
legame dei gruppi tiolici delle proteine. Di conseguenza, sono inibiti
enzimi vitali del corpo.
Il principio d'azione degli antidoti è la formazione di forti
complessi con ioni di metalli pesanti.

LEZIONE 1

Chimica Bioorganica (BOC), sua importanza in medicina

HOC è una scienza che studia la funzione biologica delle sostanze organiche nel corpo.

BOH è nato nella seconda metà del XX secolo. Gli oggetti del suo studio sono biopolimeri, bioregolatori e singoli metaboliti.

I biopolimeri sono composti naturali ad alto peso molecolare che sono la base di tutti gli organismi. Questi sono peptidi, proteine, polisaccaridi, acidi nucleici (NA), lipidi, ecc.

I bioregolatori sono composti che regolano chimicamente il metabolismo. Queste sono vitamine, ormoni, antibiotici, alcaloidi, farmaci, ecc.

La conoscenza della struttura e delle proprietà dei biopolimeri e dei bioregolatori ci consente di comprendere l'essenza dei processi biologici. Pertanto, la definizione della struttura delle proteine ​​e delle NA ha reso possibile lo sviluppo di idee sulla biosintesi delle proteine ​​della matrice e sul ruolo delle NA nella conservazione e trasmissione dell'informazione genetica.

BOX svolge un ruolo importante nello stabilire il meccanismo d'azione di enzimi, farmaci, processi visivi, respirazione, memoria, conduzione nervosa, contrazione muscolare, ecc.

Il problema principale dell'HOC è chiarire la relazione tra la struttura e il meccanismo d'azione dei composti.

BOX si basa su materiale di chimica organica.

CHIMICA ORGANICA

Questa è la scienza che studia i composti del carbonio. Attualmente ci sono circa 16 milioni di sostanze organiche.

Ragioni della diversità delle sostanze organiche.

1. Composti di atomi di C tra loro e con altri elementi tavola periodica D. Mendeleev. In questo caso si formano catene e cicli:

Catena diritta Catena ramificata

Configurazione planare tetraedrica

Configurazione dell'atomo di C dell'atomo di C

2. L'omologia è l'esistenza di sostanze con proprietà simili, dove ciascun membro della serie omologa differisce dal precedente per un gruppo
–Canale 2 –. Ad esempio, la serie omologa degli idrocarburi saturi:

3. L'isomeria è l'esistenza di sostanze che hanno la stessa composizione qualitativa e quantitativa, ma una struttura diversa.

SONO. Butlerov (1861) creò una teoria della struttura dei composti organici, che è ancora valida base scientifica chimica organica.

Principi di base della teoria della struttura dei composti organici:

1) gli atomi nelle molecole sono collegati tra loro da legami chimici secondo la loro valenza;

2) gli atomi nelle molecole di composti organici sono collegati tra loro in una determinata sequenza, che determina la struttura chimica 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 c'è un'influenza reciproca degli atomi, sia collegati che non direttamente collegati tra loro;

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.

Consideriamo alcune disposizioni della teoria della struttura dei composti organici.

Isomeria strutturale

Lei condivide:

1) Isomeria delle catene

2) Isomeria della posizione di legami multipli e gruppi funzionali

3) Isomeria dei gruppi funzionali (isomerismo interclasse)

Le formule di Newman

Cicloesano

La forma a “sedia” è energeticamente più vantaggiosa rispetto a quella a “vasca da bagno”.

Isomeri di configurazione

Si tratta di stereoisomeri, le cui molecole hanno diverse disposizioni di atomi nello spazio senza tener conto delle conformazioni.

In base al tipo di simmetria, tutti gli stereoisomeri si dividono in enantiomeri e diastereomeri.

Gli enantiomeri (isomeri ottici, isomeri specchio, antipodi) sono stereoisomeri le cui molecole sono correlate tra loro come un oggetto e un'immagine speculare incompatibile. Questo fenomeno è chiamato enantiomerismo. Tutte le proprietà chimiche e fisiche degli enantiomeri sono le stesse, tranne due: rotazione del piano della luce polarizzata (in un dispositivo polarimetro) e attività biologica. Condizioni per l'enantiomerismo: 1) l'atomo di C è in uno stato di ibridazione sp 3; 2) assenza di qualsiasi simmetria; 3) la presenza di un atomo di C asimmetrico (chirale), cioè atomo avendo quattro sostituenti diversi.

Molti idrossi e amminoacidi hanno la capacità di ruotare il piano di polarizzazione di un raggio luminoso verso sinistra o verso destra. Questo fenomeno è chiamato attività ottica e le molecole stesse sono otticamente attive. La deviazione del fascio luminoso a destra è contrassegnata con un segno “+”, a sinistra – “-” e l'angolo di rotazione è indicato in gradi.

La configurazione assoluta delle molecole è determinata da complessi metodi fisico-chimici.

La configurazione relativa dei composti otticamente attivi viene determinata mediante confronto con uno standard di gliceraldeide. Le sostanze otticamente attive aventi la configurazione di gliceraldeide destrogira o levogira (M. Rozanov, 1906) sono chiamate sostanze delle serie D e L. Una miscela uguale di isomeri destrimani e levogiri di un composto è chiamata racemato ed è otticamente inattiva.

La ricerca ha dimostrato che il segno della rotazione della luce non può essere associato all'appartenenza di una sostanza alle serie D e L, ma è determinato solo sperimentalmente negli strumenti: polarimetri. Ad esempio, l'acido L-lattico ha un angolo di rotazione di +3,8 o, l'acido D-lattico - -3,8 o.

Gli enantiomeri sono rappresentati utilizzando le formule di Fischer.

Fila L Fila D

Tra gli enantiomeri possono esserci molecole simmetriche che non hanno attività ottica e sono chiamate mesoisomeri.

Ad esempio: Enoteca

D – (+) – riga L – (–) – riga

Mezovinnaya k-ta

Racemato – succo d'uva

Gli isomeri ottici che non sono isomeri specchio, che differiscono nella configurazione di diversi, ma non tutti gli atomi di C asimmetrici, aventi proprietà fisiche e chimiche diverse, sono chiamati s- di-UN-stereoisomeri.

I p-diastereomeri (isomeri geometrici) sono stereomeri che hanno un legame p nella molecola. Si trovano negli alcheni, negli acidi carbonici superiori insaturi, negli acidi dicarbonici insaturi

L'attività biologica delle sostanze organiche è legata alla loro struttura.

Per esempio:

Acido cis-butenediico, acido trans-butenediico,

acido maleico - acido fumarico - non tossico,

molto tossico trovato nel corpo

Tutti i composti naturali insaturi ad alto contenuto di carbonio sono isomeri cis.

LEZIONE 2

Sistemi coniugati

Nel caso più semplice, i sistemi coniugati sono sistemi con legami doppi e singoli alternati. Possono essere aperti o chiusi. Un sistema aperto si trova negli idrocarburi dienici (HC).

Esempi:

Canale 2 = Canale – Canale = Canale 2

Butadiene-1, 3

Cloretene

CH2 = CH – Cl

Qui avviene la coniugazione degli elettroni p con gli elettroni p. Questo tipo di coniugazione è chiamata p, p-coniugazione.

Un sistema chiuso si trova negli idrocarburi aromatici.

C6H6

Benzene

Aromaticità

Questo è un concetto che comprende varie proprietà dei composti aromatici. Condizioni per l'aromaticità: 1) anello piatto chiuso, 2) tutti gli atomi di carbonio sono in ibridazione sp 2, 3) si forma un singolo sistema coniugato di tutti gli atomi dell'anello, 4) la regola di Hückel è soddisfatta: “4n+2 elettroni p partecipano coniugazione, dove n = 1, 2, 3...”

Il rappresentante più semplice degli idrocarburi aromatici è il benzene. Soddisfa tutte e quattro le condizioni di aromaticità.

Regola di Hückel: 4n+2 = 6, n = 1.

Influenza reciproca degli atomi in una molecola

Nel 1861, lo scienziato russo A.M. Butlerov ha espresso la posizione: "Gli atomi nelle molecole si influenzano reciprocamente". Attualmente, questa influenza si trasmette in due modi: effetti induttivi e mesomerici.

Effetto induttivo

Questo è il trasferimento dell'influenza elettronica attraverso la catena dei legami s. È noto che il legame tra atomi con diversa elettronegatività (EO) è polarizzato, cioè spostato verso un atomo più EO. Ciò porta alla comparsa di cariche effettive (reali) (d) sugli atomi. Questo spostamento elettronico si chiama induttivo ed è indicato dalla lettera I e dalla freccia ®.

, X = Hal -, HO -, HS -, NH 2 - ecc.

L'effetto induttivo può essere positivo o negativo. Se il sostituente X attrae gli elettroni legame chimico più forte dell'atomo H, allora mostra – I. I(H) = O. Nel nostro esempio, X mostra – I.

Se il sostituente X attrae gli elettroni di legame più deboli dell'atomo H, allora mostra +I. Tutti gli alchili (R = CH 3 -, C 2 H 5 -, ecc.), Me n + mostrano +I.

Effetto mesomerico

L'effetto mesomerico (effetto di coniugazione) è l'influenza di un sostituente trasmesso attraverso un sistema coniugato di legami p. Indicato dalla lettera M e da una freccia curva. L'effetto mesomerico può essere “+” o “–”.

Si è detto sopra che esistono due tipi di coniugazione p, p e p, p.

Un sostituente che attrae gli elettroni da un sistema coniugato presenta –M ed è chiamato accettore di elettroni (EA). Questi sono sostituenti che hanno il doppio

comunicazione, ecc.

Un sostituente che dona elettroni a un sistema coniugato mostra +M ed è chiamato donatore di elettroni (ED). Questi sono sostituenti con legami singoli che hanno una coppia di elettroni solitari (ecc.).

Tabella 1 Effetti elettronici dei sostituenti

Deputati	Orientanti in C 6 H 5 -R	IO	M
Alk (R-): CH 3 -, C 2 H 5 -...	Orientanti del primo tipo: sostituenti ED diretti in posizioni orto e para	+
–H2, –NНR, –NR2	–	+
–N, –N, –R	–	+
–H L	–	+
LEZIONE 3 Acidità e basicità Per caratterizzare l'acidità e la basicità dei composti organici viene utilizzata la teoria di Brønsted. Le principali disposizioni di questa teoria: 1) Un acido è una particella che dona un protone (donatore di H+); La base è la particella che accetta il protone (accettore H+). 2) L'acidità è sempre caratterizzata dalla presenza di basi e viceversa. A – H + : B Û A – + B – H + base CH 3 COOH + NOH Û CH 3 COO – + H 3 O + Attività Coniugato di base Coniugato base HNO 3 + CH 3 COOH Û CH 3 COOH 2 + + NO 3 - Attività Coniugato principale Coniugato base Acidi Bronsted 3) Gli acidi di Bronsted si dividono in 4 tipologie a seconda del centro acido: Composti SН (tioli), Composti OH (alcoli, fenoli, composti del carbonio), Composti NH (ammine, ammidi), SN a te (UV). In questa riga, dall'alto verso il basso, l'acidità diminuisce. 4) La forza del composto è determinata dalla stabilità dell'anione formato. Quanto più stabile è l'anione, tanto più forte è l'effetto. La stabilità dell'anione dipende dalla delocalizzazione (distribuzione) della carica “-” in tutta la particella (anione). Più la carica “-” è delocalizzata, più stabile è l’anione e più forte è la carica. La delocalizzazione delle tariffe dipende da: a) sull'elettronegatività (EO) dell'eteroatomo. Maggiore è l'EO di un eteroatomo, più forte è l'effetto corrispondente. Ad esempio: R – OH e R – NH 2 Gli alcoli sono più forti delle ammine, perché EO (O) > EO (N). b) sulla polarizzabilità dell'eteroatomo. Maggiore è la polarizzabilità dell'eteroatomo, maggiore è la tensione corrispondente. Ad esempio: R – SH e R – OH I tioli sono più forti degli alcoli, perché L'atomo di S è più polarizzato dell'atomo di O. c) sulla natura del sostituente R (sua lunghezza, presenza di un sistema coniugato, delocalizzazione della densità elettronica). Ad esempio: CH 3 – OH, CH 3 – CH 2 – OH, CH 3 – CH 2 – CH 2 – OH Acidità<, т.к. увеличивается длина радикала Con lo stesso centro acido, la forza di alcoli, fenoli e carbonati non è la stessa. Per esempio, CH3 – OH, C6 H5 – OH, La tua forza aumenta I fenoli sono composti più forti degli alcoli a causa della coniugazione p, p (+M) del gruppo –OH. Il legame OH-H è più polarizzato nei fenoli. I fenoli possono anche interagire con i sali (FeC1 3) - una reazione qualitativa ai fenoli. Carbonio rispetto agli alcoli contenenti lo stesso R, sono più forti, perché il legame O–H è significativamente polarizzato a causa dell'effetto –M del gruppo > C = O: Inoltre, l'anione carbossilato è più stabile dell'anione alcol a causa della coniugazione p,p nel gruppo carbossilico. d) dall'introduzione di sostituenti nel radicale. I sostituenti EA aumentano l'acidità, i sostituenti ED riducono l'acidità. Per esempio: L'r-nitrofenolo è più forte dell'r-amminofenolo perché il gruppo –NO2 è EA. CH3-COOH CCl3-COOH pK 4,7 pK 0,65 L'acido tricloroacetico è molte volte più forte di CH 3 COOH a causa degli atomi – I Cl come EA. L'acido formico H–COOH è più forte di CH 3 COOH a causa del gruppo +I dell'acido CH 3 – acetico. e) sulla natura del solvente. Se il solvente è un buon accettore di protoni H+, allora la forza a-te aumenta e viceversa. Fondazioni Bronsted 5) Si dividono in: a) basi p (composti con legami multipli); b) n-basi (basi di ammonio contenenti un atomo, atomo contenente ossonio, atomo contenente solfonio) La forza della base è determinata dalla stabilità del catione risultante. Più il catione è stabile, più la base è forte. In altre parole, la forza della base è tanto maggiore quanto più debole è il legame con l'eteroatomo (O, S, N) avente una coppia di elettroni liberi attaccata da H+. La stabilità del catione dipende dagli stessi fattori della stabilità dell'anione, ma con effetto opposto. Tutti i fattori che aumentano l’acidità diminuiscono la basicità. Le basi più forti sono le ammine, perché l'atomo di azoto ha un EO inferiore rispetto a O. Allo stesso tempo, le ammine secondarie sono basi più forti di quelle primarie, le ammine terziarie sono più deboli di quelle secondarie a causa del fattore sterico, che impedisce l'accesso di un protone a N. Le ammine aromatiche sono basi più deboli di quelle alifatiche, il che è spiegato dal gruppo +M –NH2. La coppia di elettroni dell'azoto, partecipando alla coniugazione, diventa inattiva. La stabilità del sistema coniugato rende difficile l'aggiunta di H+. Nell'urea NН 2 –СО– NН 2 c'è un gruppo EA > C = O, che riduce significativamente le proprietà di base e l'urea forma sali con un solo equivalente della sostanza. Pertanto, quanto più forte è la sostanza, tanto più debole è il fondamento che forma e viceversa. Alcoli Sono derivati ​​idrocarburici in cui uno o più atomi di H sono sostituiti da un gruppo –OH. Classificazione: I. In base al numero di gruppi OH, si distinguono gli alcoli monovalenti, divalenti e polivalenti: CH3-CH2-OH Etanolo Glicole etilenico Glicerina II. A seconda della natura di R si distinguono: 1) limitante, 2) non limitante, 3) ciclico, 4) aromatico. 2) CH2 = CH-CH2-OH Alcool allilico 3) Gli alcoli ciclici insaturi includono: retinolo (vitamina A) e colesterolo Inositolo sostanza simile alla vitamina

III. Secondo la posizione del gr. –OH distingue tra alcoli primari, secondari e terziari.

IV. In base al numero di atomi di C si distinguono il basso peso molecolare e l'alto peso molecolare.

CH 3 –(CH 2) 14 –CH 2 –OH (C 16 H 33 OH) CH 3 –(CH 2) 29 –CH 2 OH (C 31 H 63 OH)

Alcool cetilico Alcool miricilico

Il cetil palmitato è la base degli spermaceti, il miricil palmitato si trova nella cera d'api.

Nomenclatura:

Banale, razionale, MN (radice + desinenza “ol” + numero arabo).

Isomeria:

catene, posizioni gr –OH, ottico.

La struttura della molecola di alcol

Centro CH acido Nu

Centro elettrofilo acido

centro del centro di basicità

Soluzioni di ossidazione

1) Gli alcoli sono acidi deboli.

2) Gli alcoli sono basi deboli. Aggiungono H+ solo da acidi forti, ma sono più forti di Nu.

3) –Effetto gr. –OH aumenta la mobilità di H nell’atomo di carbonio vicino. Il carbonio acquisisce d+ (centro elettrofilo, S E) e diventa il centro di attacco nucleofilo (Nu). Il legame C–O si rompe più facilmente del legame H–O, motivo per cui le reazioni SN sono caratteristiche degli alcoli. Di regola, vanno in un ambiente acido, perché... la protonazione dell'atomo di ossigeno aumenta il d+ dell'atomo di carbonio e facilita la rottura del legame. Questo tipo comprende soluzioni per la formazione di eteri e derivati ​​degli alogeni.

4) Lo spostamento della densità elettronica da H nel radicale porta alla comparsa di un centro acido CH. In questo caso si hanno processi di ossidazione ed eliminazione (E).

Proprietà fisiche

Gli alcoli inferiori (C 1 – C 12) sono liquidi, gli alcoli superiori sono solidi. Molte proprietà degli alcoli sono spiegate dalla formazione di legami H:

Proprietà chimiche

I. Acido-base

Gli alcoli sono composti anfoteri deboli.

2R–OH + 2Na® 2R–ONa + H 2

Alcolato

Gli alcolati sono facilmente idrolizzati, il che dimostra che gli alcoli sono acidi più deboli dell'acqua:

R–ОНа + НОН ® R–ОН + NaОН

Il centro principale negli alcoli è l'eteroatomo O:

CH 3 -CH 2 -OH + H + ® CH 3 -CH 2 - -H ® CH 3 -CH 2 + + H 2 O

Se la soluzione contiene alogenuri di idrogeno, lo ione alogenuro si unirà: CH 3 -CH 2 + + Cl - ® CH 3 -CH 2 Cl

HC1 ROH R-COOH NH 3 C 6 H 5 ONa

C1 - R-O - R-COO - NH 2 - C 6 H 5 O -

Gli anioni in tali soluzioni agiscono come nucleofili (Nu) a causa della carica “-” o della coppia di elettroni solitari. Gli anioni sono basi e reagenti nucleofili più forti degli alcoli stessi. Pertanto, in pratica, per ottenere eteri ed esteri vengono utilizzati gli alcolati e non gli alcoli stessi. Se il nucleofilo è un'altra molecola di alcol, allora si aggiunge al carbocatione:

Etere

CH 3 -CH 2 + + ® CH 3 -CH 2 + - - H CH 3 -CH 2 -O-R

Questa è una soluzione di alchilazione (introduzione di alchile R in una molecola).

Sostituto –OH gr. sull'alogeno è possibile sotto l'azione di PCl 3, PCl 5 e SOCl 2.

Gli alcoli terziari reagiscono più facilmente con questo meccanismo.

Il rapporto tra S E rispetto alla molecola di alcol è il rapporto tra la formazione di esteri con organico e composti minerali:

R – O N + H O – R – O – + H 2 O

Estere

Questa è la procedura di acilazione: l'introduzione di un acile nella molecola.

CH 3 -CH 2 -OH + H + CH 3 -CH 2 - -H CH 3 -CH 2 +

Con un eccesso di H 2 SO 4 e una temperatura più elevata rispetto al caso della formazione di eteri, il catalizzatore si rigenera e si forma un alchene:

CH 3 -CH 2 + + HSO 4 - ® CH 2 = CH 2 + H 2 SO 4

La soluzione E è più semplice per gli alcoli terziari, più difficile per gli alcoli secondari e primari, perché in questi ultimi casi si formano cationi meno stabili. In questi distretti viene seguita la regola di A. Zaitsev: “Durante la disidratazione degli alcoli, l’atomo di H viene separato dal vicino atomo di C con un contenuto inferiore di atomi di H”.

CH3-CH = CH-CH3

Butanolo-2

Nel corpo gr. –OH viene convertito in facile da lasciare formando esteri con H 3 PO 4:

CH 3 -CH 2 -OH + HO–PO 3 H 2 CH 3 -CH 2 -ORO 3 H 2

IV. Soluzioni di ossidazione

1) Gli alcoli primari e secondari vengono ossidati da CuO, soluzioni di KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 quando riscaldati per formare i corrispondenti composti contenenti carbonile:

3)

La nitroglicerina è un liquido oleoso incolore. Sotto forma di soluzioni alcoliche diluite (1%) viene utilizzato per l'angina pectoris, perché ha un effetto vasodilatatore. La nitroglicerina è un potente esplosivo che può esplodere all'impatto o se riscaldato. In questo caso, nel piccolo volume occupato dalla sostanza liquida, si forma istantaneamente un volume molto grande di gas, che provoca una forte onda d'urto. La nitroglicerina fa parte della dinamite e della polvere da sparo.

Rappresentanti del pentitolo e dell'esitolo sono lo xilitolo e il sorbitolo, che sono rispettivamente alcoli penta ed esaidrici a catena aperta. L'accumulo di gruppi –OH porta alla comparsa di un sapore dolce. Xilitolo e sorbitolo sono sostituti dello zucchero per i diabetici.

I glicerofosfati sono frammenti strutturali di fosfolipidi, utilizzati come tonico generale.

Alcool benzilico

Isomeri di posizione

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 zona separata conoscenza, che unisce i principi concettuali e metodologici 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 basandosi sullo sviluppo della 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 caratteristiche di classificazione: 1. Struttura dello scheletro di carbonio 2. 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) Nomenclatura chimica un insieme di nomi di singole sostanze chimiche, i loro gruppi e classi, nonché regole per la compilazione dei loro nomi. 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 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 certa serie omologa sono considerate derivate del rappresentante più semplice questa serie- il primo o talvolta il secondo. 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 la configurazione di un elettrone esterno guscio elettronico simili ai gas inerti. I seguenti tipi di legami chimici sono caratteristici dei composti organici: - legame ionico - legame covalente - legame donatore - accettore - legame idrogeno Esistono anche altri tipi di legami chimici (metallico, a un elettrone, a due elettroni a tre centri) , ma praticamente non si trovano 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 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 abbastanza interazione 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 Teoria moderna il legame chimico si basa sul modello quantomeccanico della 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 si formano 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 di 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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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. Prodotto da lei composti chimici, ovunque vengono utilizzate varie composizioni e materiali: nell'ingegneria meccanica, nella metallurgia, agricoltura, edilizia, industrie elettriche ed elettroniche, comunicazioni, trasporti, tecnologia spaziale, medicina, vita quotidiana, ecc. Le principali direzioni di sviluppo dell'industria chimica moderna sono: la produzione di nuovi composti e materiali e l'aumento dell'efficienza della produzione esistente.

IN scuola di Medicina gli studenti studiano generale, bioorganico, chimica biologica, così come la 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 e l'energia sono la base della vita degli organismi ed è uno dei più importanti segni specifici materia vivente, distinguendo il vivente dal non vivente. 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 escreti 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 che le sostanze chimiche che compongono l'organismo non subiscano alcuna trasformazione. Al contrario, si rinnovano costantemente e in modo piuttosto intenso, come si può giudicare dalla velocità con cui gli isotopi stabili e i radionuclidi introdotti nella cellula come parte di sostanze precursori più semplici vengono incorporati nelle sostanze complesse dell'organismo.

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 complesso. 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 di vari tipi di energia 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 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; singole sostanze pure. I sistemi eterogenei contengono al loro interno superfici naturali. Esempi di sistemi eterogenei sono sistemi costituiti da sostanze con diversi stati di aggregazione: metallo e acido, gas e solido, due liquidi insolubili l'uno nell'altro.
Fase- si tratta di una parte omogenea di un sistema eterogeneo, avente la stessa composizione, proprietà fisiche e chimiche, separata dalle altre parti del sistema da una superficie, al 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 comprende l'energia dei movimenti traslazionali, rotazionali e vibrazionali, 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 il sistema scambia energia termica Q e energia meccanica(lavoro) A, 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 lavoro A è pari all'energia totale del sistema durante la transizione da uno stato all'altro e viene registrato.