Bioorganisk kjemi (BOC), dens betydning i medisin. Bioorganisk kjemi for medisinstudenter Hensikt og mål for den akademiske disiplinen
Kjemi- vitenskapen om strukturen, egenskapene til stoffer, deres transformasjoner og medfølgende fenomener.
Oppgaver:
1. Studie av materiens struktur, utvikling av teori om struktur og egenskaper til molekyler og materialer. Det er viktig å etablere en sammenheng mellom struktur og ulike egenskaper til stoffer og på denne bakgrunn konstruere teorier om et stoffs reaktivitet, kinetikk og mekanisme for kjemiske reaksjoner og katalytiske fenomener.
2. Gjennomføring av målrettet syntese av nye stoffer med spesifiserte egenskaper. Her er det også viktig å finne nye reaksjoner og katalysatorer for mer effektiv syntese av allerede kjente og industrielt viktige forbindelser.
3. Kjemiens tradisjonelle oppgave har fått spesiell betydning. Det er assosiert både med en økning i antall kjemiske objekter og egenskaper som studeres, og med behovet for å bestemme og redusere konsekvensene av menneskelig påvirkning på naturen.
Kjemi er en generell teoretisk disiplin. Den er designet for å gi studentene en moderne vitenskapelig forståelse av materie som en av typene bevegelig materie, om måter, mekanismer og metoder for å omdanne noen stoffer til andre. Kunnskap om grunnleggende kjemiske lover, beherskelse av kjemiske beregningsteknikker, forståelse av mulighetene som kjemi gir ved hjelp av andre spesialister som arbeider i dets individuelle og smale felt, gjør det betydelig raskere å oppnå ønsket resultat innen ulike felt av ingeniør- og vitenskapelig virksomhet.
Kjemisk industri er en av de viktigste næringene i vårt land. De kjemiske forbindelsene, ulike sammensetningene og materialene den produserer brukes overalt: innen maskinteknikk, metallurgi, landbruk, konstruksjon, elektrisk og elektronisk industri, kommunikasjon, transport, romteknologi, medisin, hverdagsliv, etc. De viktigste utviklingsretningene for moderne kjemisk industri er: produksjon av nye forbindelser og materialer og øke effektiviteten til eksisterende industri.
I Medisinskole studentene studerer generell, bioorganisk, biologisk kjemi, samt klinisk biokjemi. Studentenes kunnskap om komplekset av kjemiske vitenskaper i deres kontinuitet og sammenkobling gir større mulighet, større rom for forskning og praktisk bruk av ulike fenomener, egenskaper og mønstre, og bidrar til personlig utvikling.
Spesifikke funksjoner studere kjemiske disipliner ved et medisinsk universitet er:
· gjensidig avhengighet mellom målene for kjemiske og medisinsk utdanning;
· universalitet og fundamentalitet av disse kursene;
· det særegne ved å konstruere innholdet deres avhengig av arten og de generelle målene for legens opplæring og hans spesialisering;
· enheten i studiet av kjemiske objekter på mikro- og makronivå med avsløring av forskjellige former for deres kjemiske organisasjon som et enkelt system og de forskjellige funksjonene det viser (kjemiske, biologiske, biokjemiske, fysiologiske, etc.) avhengig av deres natur, miljø og forhold;
· avhengighet av koblingen av kjemisk kunnskap og ferdigheter med virkelighet og praksis, inkludert medisinsk praksis, i systemet "samfunn - natur - produksjon - menneske", på grunn av kjemiens ubegrensede muligheter for å lage syntetiske materialer og deres betydning i medisin , utviklingen av nanokjemi, så vel som i å løse miljømessige og mange andre globale problemer menneskeheten.
1. Forholdet mellom metabolske prosesser og energi i kroppen
Livsprosesser på jorden bestemmes i stor grad av akkumulering av solenergi i næringsstoffer - proteiner, fett, karbohydrater og de påfølgende transformasjonene av disse stoffene i levende organismer med frigjøring av energi. Forståelsen av forholdet mellom kjemiske transformasjoner og energiprosesser i kroppen ble realisert spesielt tydelig etter verk av A. Lavoisier (1743-1794) og P. Laplace (1749-1827). De viste ved direkte kalorimetriske målinger at energien som frigjøres i livets prosess bestemmes av oksidasjon av mat ved luftoksygen inhalert av dyr.
Metabolisme og energi - et sett med prosesser for transformasjon av stoffer og energi som forekommer i levende organismer, og utveksling av stoffer og energi mellom kroppen og miljø. Metabolisme av stoffer og energi er grunnlaget for organismenes liv og er en av de viktigste spesifikke egenskapene til levende materie, som skiller levende fra ikke-levende. I metabolisme, eller metabolisme, sikret av den mest komplekse reguleringen på ulike nivåer, mange enzymsystemer er involvert. Under stoffskifteprosessen omdannes stoffer som kommer inn i kroppen til vevets egne stoffer og til sluttprodukter som skilles ut fra kroppen. Under disse transformasjonene frigjøres og absorberes energi.
Med utviklingen i XIX-XX århundrer. termodynamikk - vitenskapen om interkonvertering av varme og energi - ble det mulig å kvantitativt beregne transformasjonen av energi i biokjemiske reaksjoner og forutsi deres retning.
Energiutveksling kan utføres ved å overføre varme eller utføre arbeid. Levende organismer er imidlertid ikke i likevekt med miljøet og kan derfor kalles åpne systemer uten likevekt. Men når det observeres over en viss tidsperiode, er det ingen synlige endringer i den kjemiske sammensetningen av kroppen. Men det betyr ikke det kjemiske substanser, som utgjør kroppen, ikke gjennomgå noen transformasjoner. Tvert imot, de fornyes stadig og ganske intensivt, som kan bedømmes av hastigheten på inkorporering av stabile isotoper og radionuklider i kroppens komplekse stoffer, introdusert i cellen i sammensetningen av mer enkle stoffer-forgjengere.
Det er én ting mellom metabolisme og energimetabolisme grunnleggende forskjell. Jorden mister eller vinner ikke noen nevneverdig mengde materie. Materie i biosfæren utveksles i en lukket syklus osv. brukt gjentatte ganger. Energiutveksling utføres annerledes. Det sirkulerer ikke i en lukket syklus, men er delvis spredt ut i det ytre rom. Derfor, for å opprettholde livet på jorden, er en konstant strøm av energi fra solen nødvendig. I 1 år i ferd med fotosyntese på kloden absorbert rundt 10 21 avføring solenergi. Selv om det bare representerer 0,02 % av den totale energien til Solen, er det umåtelig mer enn energien som brukes av alle menneskeskapte maskiner. Mengden stoff som deltar i sirkulasjonen er like stor.
2. Kjemisk termodynamikk som teoretisk grunnlag bioenergi. Emne og metoder for kjemisk termodynamikk
Kjemisk termodynamikk studerer overganger av kjemisk energi til andre former - termisk, elektrisk, etc., etablerer de kvantitative lovene for disse overgangene, samt retningen og grensene for den spontane forekomsten av kjemiske reaksjoner under gitte forhold.
Den termodynamiske metoden er basert på en rekke strenge konsepter: "system", "systemets tilstand", "systemets indre energi", "systemets tilstandsfunksjon".
Gjenstandå studere termodynamikk er et system
Det samme systemet kan være i forskjellige tilstander. Hver tilstand av systemet er preget av et visst sett med verdier av termodynamiske parametere. Termodynamiske parametere inkluderer temperatur, trykk, tetthet, konsentrasjon osv. En endring i minst én termodynamisk parameter fører til en endring i tilstanden til systemet som helhet. Den termodynamiske tilstanden til et system kalles likevekt hvis den er preget av konstanthet av termodynamiske parametere på alle punkter i systemet og ikke endres spontant (uten arbeid).
Kjemisk termodynamikk studerer et system i to likevektstilstander (endelig og initial) og bestemmer på dette grunnlag muligheten (eller umuligheten) for en spontan prosess under gitte forhold i en spesifisert retning.
Termodynamikk studier gjensidige transformasjoner forskjellige typer energier knyttet til overføring av energi mellom kropper i form av varme og arbeid. Termodynamikk er basert på to grunnleggende lover, kalt termodynamikkens første og andre lov. Studieemne i termodynamikk er energi og lovene for gjensidige transformasjoner av energiformer under kjemiske reaksjoner, prosesser for oppløsning, fordampning, krystallisering.
Kjemisk termodynamikk - seksjon fysisk kjemi, studere prosessene for interaksjon av stoffer ved hjelp av termodynamiske metoder.
Hovedretningene for kjemisk termodynamikk er:
Klassisk kjemisk termodynamikk, som studerer termodynamisk likevekt generelt.
Termokjemi, som studerer de termiske effektene som følger med kjemiske reaksjoner.
Løsningsteorien, som modellerer de termodynamiske egenskapene til et stoff basert på ideer om molekylstrukturen og data om intermolekylære interaksjoner.
Kjemisk termodynamikk er nært knyttet til slike grener av kjemi som analytisk kjemi; elektrokjemi; kolloid kjemi; adsorpsjon og kromatografi.
Utviklingen av kjemisk termodynamikk foregikk samtidig på to måter: termokjemisk og termodynamisk.
Fremveksten av termokjemi som en uavhengig vitenskap bør betraktes som oppdagelsen av Herman Ivanovich Hess, professor ved St. Petersburg University, av forholdet mellom de termiske effektene av kjemiske reaksjoner - Hess' lover.
3. Termodynamiske systemer: isolerte, lukkede, åpne, homogene, heterogene. Fasebegrepet.
System- dette er en samling av interagerende stoffer, mentalt eller faktisk isolert fra miljøet (reagensrør, autoklav).
Kjemisk termodynamikk vurderer overganger fra en tilstand til en annen, mens noen kan endre seg eller forbli konstante. alternativer:
· isobarisk- ved konstant trykk;
· isokorisk– ved konstant volum;
· isotermisk- ved konstant temperatur;
· isobarisk - isotermisk– ved konstant trykk og temperatur osv.
De termodynamiske egenskapene til et system kan uttrykkes ved hjelp av flere systemtilstandsfunksjoner, kalt karakteristiske funksjoner: indre energiU , entalpi H , entropi S , Gibbs energi G , Helmholtz energi F . Karakteristiske funksjoner har én funksjon: de er ikke avhengige av metoden (veien) for å oppnå en gitt tilstand i systemet. Verdien deres bestemmes av parametrene til systemet (trykk, temperatur, etc.) og avhenger av mengden eller massen av stoffet, så det er vanlig å henvise dem til en mol av stoffet.
I henhold til metoden for å overføre energi, materie og informasjon mellom det aktuelle systemet og miljøet klassifiseres termodynamiske systemer:
1. Lukket (isolert) system- dette er et system der det ikke er utveksling av energi, materie (inkludert stråling) eller informasjon med eksterne kropper.
2. Lukket system- et system der det kun er utveksling med energi.
3. Adiabatisk isolert system - Dette er et system der det er en utveksling av energi kun i form av varme.
4. Åpent system er et system som utveksler energi, materie og informasjon.
Systemklassifisering:
1) hvis varme- og masseoverføring er mulig: isolert, lukket, åpen. Et isolert system utveksler verken materie eller energi med miljøet. Et lukket system utveksler energi med omgivelsene, men utveksler ikke materie. Et åpent system utveksler både materie og energi med omgivelsene. Konsept isolert system brukt i fysisk kjemi som teoretisk.
2) etter indre struktur og egenskaper: homogen og heterogen. Et system kalles homogent, inne i hvilket det ikke er noen overflater som deler systemet i deler som er forskjellige i egenskaper eller kjemisk oppbygning. Eksempler på homogene systemer er vandige løsninger av syrer, baser og salter; gassblandinger; individuell rene stoffer. Heterogene systemer inneholder naturlige overflater i dem. Eksempler på heterogene systemer er systemer som består av stoffer som er forskjellige i deres aggregeringstilstand: et metall og en syre, en gass og et fast stoff, to væsker som er uløselige i hverandre.
Fase er en homogen del av et heterogent system, med samme sammensetning, fysisk og Kjemiske egenskaper, atskilt fra andre deler av systemet av en overflate, når den passerer gjennom hvilken egenskapene til systemet endres brått. Fasene er faste, flytende og gassformige. Et homogent system består alltid av en fase, en heterogen - av flere. Basert på antall faser klassifiseres systemer i enfase, tofase, trefase osv.
5. Termodynamikkens første lov. Indre energi. Isobariske og isokoriske termiske effekter .
Termodynamikkens første lov- en av termodynamikkens tre grunnleggende lover, representerer loven om bevaring av energi for termodynamiske systemer.
Termodynamikkens første lov ble formulert på midten av 1800-tallet som et resultat av arbeidet til den tyske vitenskapsmannen J. R. Mayer, den engelske fysikeren J. P. Joule og den tyske fysikeren G. Helmholtz.
I henhold til termodynamikkens første lov, termodynamisk system kan forplikte seg fungerer kun på grunn av dens indre energi eller eksterne energikilder .
Termodynamikkens første lov er ofte formulert som umuligheten av eksistensen av en evighetsmaskin av den første typen, som ville gjøre arbeid uten å trekke energi fra noen kilde. En prosess som skjer ved en konstant temperatur kalles isotermisk, ved konstant trykk - isobarisk, ved konstant volum – isokorisk. Hvis systemet under en prosess er isolert fra det ytre miljøet på en slik måte at varmeveksling med omgivelsene er utelukket, kalles prosessen adiabatisk.
Systemets indre energi. Når et system går over fra en tilstand til en annen, endres noen av dets egenskaper, spesielt intern energi U.
Den indre energien til et system er dets totale energi, som består av kinetiske og potensielle energier til molekyler, atomer, atomkjerner og elektroner. Intern energi inkluderer energien til translasjons-, rotasjons- og oscillerende bevegelser, samt potensiell energi på grunn av tiltreknings- og frastøtningskreftene som virker mellom molekyler, atomer og intraatomære partikler. Den inkluderer ikke den potensielle energien til systemets posisjon i rommet og den kinetiske energien til systemets bevegelse som helhet.
Intern energi er en termodynamisk funksjon av systemets tilstand. Dette betyr at når systemet befinner seg i en gitt tilstand, får dets indre energi en viss verdi som ligger i denne tilstanden.
∆U = U 2 - U 1
hvor U 1 og U 2 er den indre energien til systemet V henholdsvis slutt- og starttilstand.
Termodynamikkens første lov. Hvis et system utveksler termisk energi Q og mekanisk energi (arbeid) A med det ytre miljøet, og samtidig går over fra tilstand 1 til tilstand 2, er mengden energi som frigjøres eller absorberes av systemet av varmeformer Q eller arbeid A er lik total energi systemet under overgangen fra en tilstand til en annen og registreres.
BIOORGANISK KJEMI studerer forholdet mellom strukturen til organiske stoffer og deres biologiske funksjoner, ved å bruke hovedsakelig metoder for organisk og fysisk kjemi, samt fysikk og matematikk. Bioorganisk kjemi dekker fullstendig kjemien til naturlige forbindelser og delvis overlapper med biokjemi og molekylbiologi. Formålet med studien er biologisk viktige naturlige forbindelser - hovedsakelig biopolymerer (proteiner, nukleinsyrer, polysakkarider og blandede biopolymerer) og lavmolekylære biologisk aktive stoffer - vitaminer, hormoner, antibiotika, toksiner, etc., samt syntetiske analoger av naturlige forbindelser, legemidler, plantevernmidler, etc.
Bioorganisk kjemi dukket opp som et selvstendig felt i 2. halvdel av 1900-tallet i skjæringspunktet mellom biokjemi og organisk kjemi basert på den tradisjonelle kjemien til naturlige forbindelser. Dens dannelse er assosiert med navnene til L. Pauling (oppdagelse av α-helixen og β-strukturen som hovedelementene i den romlige strukturen til polypeptidkjeden i proteiner), A. Todd (avklaring) kjemisk struktur nukleotider og den første syntesen av et dinukleotid), F. Sanger (utvikling av en metode for å bestemme aminosyresekvensen i proteiner og bruke den til å dechiffrere den primære strukturen til insulin), V. Du Vigneault (isolering, etablering av strukturen og kjemisk syntese av peptidhormoner - oksytocin og vasopressin), D. Barton og V. Prelog (konformasjonsanalyse), R. Woodward (fullstendig kjemisk syntese av mange komplekse naturlige forbindelser, inkludert reserpin, klorofyll, vitamin B 12), etc.; i USSR spilte verkene til N.D. Zelinsky, A.N. Belozersky, I.N. Nazarov, N.A. Preobrazhensky og andre en stor rolle. Initiativtakeren til forskning innen bioorganisk kjemi i USSR på begynnelsen av 1960-tallet var M.M. Shemyakin. Spesielt begynte han arbeidet (senere bredt utviklet) med studiet av sykliske depsipeptider som utfører funksjonen til ionoforer. Lederen for innenlandsk bioorganisk kjemi på 1970-80-tallet var Yu.A. Ovchinnikov, under hvis ledelse strukturen til dusinvis av proteiner ble etablert, inkludert membranproteiner (for første gang) - bacteriorhodopsin og bovin visuell rhodopsin.
Hovedområdene for bioorganisk kjemi inkluderer:
1. Utvikling av metoder for isolering og rensing av naturlige forbindelser. Samtidig, for å kontrollere graden av rensing, brukes ofte den spesifikke biologiske funksjonen til stoffet som studeres (for eksempel styres renheten til et antibiotikum av dets antimikrobielle aktivitet, av et hormon av dets effekt på en viss biologisk prosess og så videre). Ved separering av komplekse naturlige blandinger brukes ofte metoder for høyytelses væskekromatografi og elektroforese. Siden slutten av 1900-tallet, i stedet for å søke etter og isolere individuelle komponenter, har total screening av biologiske prøver blitt utført for maksimalt mulig antall komponenter av en bestemt klasse av forbindelser (se Proteomics).
2. Bestemmelse av strukturen til stoffene som studeres. Struktur forstås ikke bare som etableringen av arten og rekkefølgen av forbindelser av atomer i et molekyl, men også deres romlige arrangement. Til dette brukes ulike metoder, først og fremst kjemiske (hydrolyse, oksidativ spaltning, behandling med spesifikke reagenser), som gjør det mulig å oppnå enklere stoffer med kjent struktur, hvorfra strukturen til det opprinnelige stoffet er rekonstruert. Automatiske enheter er mye brukt for å raskt løse standardproblemer, spesielt i kjemien til proteiner og nukleinsyrer: analysatorer for kvantitativ bestemmelse av aminosyre- og nukleotidsammensetning og sekvensere for å bestemme sekvensen av aminosyrerester i proteiner og nukleotider i nukleinsyrer. En viktig rolle i å studere strukturen til biopolymerer spilles av enzymer, spesielt de som spesifikt spalter dem ved strengt definerte bindinger (for eksempel proteinaser som katalyserer reaksjonene ved spaltning av peptidbindinger ved glutaminsyre, prolin, arginin og lysinrester, eller restriksjonsenzymer som spesifikt spalter fosfodiesterbindinger i polynukleotider). Informasjon om strukturen til naturlige forbindelser oppnås også ved hjelp av fysiske forskningsmetoder - hovedsakelig massespektrometri, kjernemagnetisk resonans og optisk spektroskopi. Å øke effektiviteten til kjemiske og fysiske metoder oppnås gjennom samtidig analyse av ikke bare naturlige forbindelser, men også deres derivater som inneholder karakteristiske, spesielt introduserte grupper og merkede atomer (for eksempel ved å dyrke bakterier - produsenter av en bestemt forbindelse på et medium som inneholder forløpere for denne forbindelsen, anrikede stabile eller radioaktive isotoper). Påliteligheten til dataene oppnådd fra studiet av komplekse proteiner øker betydelig med den samtidige studien av strukturen til de tilsvarende genene. Romlig struktur molekyler og deres analoger i krystallinsk tilstand studeres ved røntgendiffraksjonsanalyse. Oppløsningen når i noen tilfeller verdier på mindre enn 0,1 nm. For løsninger er den mest informative metoden NMR i kombinasjon med teoretisk konformasjonsanalyse. Ytterligere informasjon er gitt av optiske spektralanalysemetoder (elektroniske og fluorescerende spektre, sirkulære dikroismespektre, etc.).
3. Syntese av både naturlige forbindelser selv og deres analoger. I mange tilfeller er kjemisk eller kjemisk-enzymatisk syntese den eneste måten å oppnå ønsket stoff i store (preparative) mengder. For relativt enkle lavmolekylære forbindelser tjener motsyntese som et viktig kriterium for riktigheten av den tidligere bestemte strukturen. Det er laget automatiske synthesizers av proteiner og polynukleotider som kan redusere syntesetiden betydelig; med deres hjelp har en rekke proteiner og polynukleotider som inneholder flere hundre monomerenheter blitt syntetisert. Kjemisk syntese- hovedmetoden for å skaffe medisiner av ikke-naturlig opprinnelse. Når det gjelder naturlige stoffer, utfyller eller konkurrerer det ofte med biosyntese.
4. Etablering av det cellulære og molekylære målet som handlingen er rettet biologisk mot virkestoff, belysning av den kjemiske mekanismen for dens interaksjon med en levende celle og dens komponenter. Å forstå den molekylære virkningsmekanismen er nødvendig for produktiv bruk av biomolekyler, med deres ofte ekstremt høye aktivitet (for eksempel giftstoffer), som verktøy for å studere biologiske systemer; den tjener som grunnlag for målrettet syntese av nye, praktisk talt viktige stoffer med forhåndsbestemte egenskaper. I en rekke tilfeller (for eksempel når man studerer peptider som påvirker aktiviteten nervesystemet) stoffene oppnådd på denne måten har betydelig forbedret aktivitet, sammenlignet med den opprinnelige naturlige prototypen, endret i ønsket retning.
Bioorganisk kjemi er nært knyttet til løsningen praktiske problemer medisin og Jordbruk(innhenting av vitaminer, hormoner, antibiotika og andre medisiner, plantevekststimulerende midler, dyreadferdsregulatorer, inkludert insekter), kjemiske, matvare- og mikrobiologiske industrier. Som et resultat av kombinasjonen av metoder for bioorganisk kjemi og genteknologi har det blitt mulig å praktisk talt løse problemet med industriell produksjon av komplekse, biologisk viktige stoffer av protein-peptid-natur, inkludert slike høymolekylære stoffer som humant insulin, α -, β- og γ-interferoner, og humant veksthormon.
Lit.: Dugas G., Penny K. Bioorganisk kjemi. M., 1983; Ovchinnikov Yu. A. Bioorganisk kjemi. M., 1996.
“ … Det var så mange fantastiske hendelser,
At ingenting virket mulig for henne nå ”
L. Carroll "Alice i Eventyrland"
Bioorganisk kjemi utviklet seg på grensen mellom to vitenskaper: kjemi og biologi. For tiden har medisin og farmakologi sluttet seg til dem. Alle disse fire vitenskapene bruker moderne metoder fysisk forskning, matematisk analyse og datamodellering.
I 1807 J.Ya. Berzelius foreslått at stoffer som olivenolje eller sukker, som er vanlige i levende natur, skal kalles organisk.
På dette tidspunktet var mange naturlige forbindelser allerede kjent, som senere begynte å bli definert som karbohydrater, proteiner, lipider og alkaloider.
I 1812, en russisk kjemiker K.S. Kirchhoff omdannet stivelse ved å varme den opp med syre til sukker, senere kalt glukose.
I 1820, en fransk kjemiker A. Braconno, ved å behandle protein med gelatin, fikk han stoffet glycin, som tilhører en klasse av forbindelser som senere Berzelius navngitt aminosyrer.
Fødselsdatoen til organisk kjemi kan betraktes som verket publisert i 1828 F. Velera, som var den første til å syntetisere et stoff av naturlig opprinnelse – urea- fra den uorganiske forbindelsen ammoniumcyanat.
I 1825, fysikeren Faraday isolert benzen fra en gass som ble brukt til å lyse opp London. Tilstedeværelsen av benzen kan forklare de røykfylte flammene til London-lamper.
I 1842 N.N. Zinin utført syntese z anilin,
I 1845 ble A.V. Kolbe, en student av F. Wöhler, syntetiserte eddiksyre - utvilsomt en naturlig organisk forbindelse - fra startelementer (karbon, hydrogen, oksygen)
I 1854 P. M. Bertlot oppvarmet glyserin med stearinsyre og oppnådd tristearin, som viste seg å være identisk med den naturlige forbindelsen isolert fra fett. Lengre P.M. Berthelot tok andre syrer som ikke var isolert fra naturlig fett og oppnådde forbindelser som ligner veldig på naturlig fett. Med dette beviste den franske kjemikeren at det er mulig å oppnå ikke bare analoger av naturlige forbindelser, men også skape nye, like og samtidig forskjellige fra naturlige.
Mange store prestasjoner innen organisk kjemi i andre halvdel av 1800-tallet er knyttet til syntese og studier av naturlige stoffer.
I 1861 publiserte den tyske kjemikeren Friedrich August Kekule von Stradonitz (alltid kalt bare Kekule i vitenskapelig litteratur) en lærebok der han definerte organisk kjemi som karbonkjemi.
I perioden 1861-1864. Den russiske kjemikeren A.M. Butlerov opprettet en enhetlig teori om strukturen til organiske forbindelser, som gjorde det mulig å overføre alle eksisterende prestasjoner til en enkelt vitenskapelig grunnlag og åpnet veien for utviklingen av vitenskapen om organisk kjemi.
I samme periode, D.I. Mendeleev. kjent over hele verden som vitenskapsmannen som oppdaget og formulerte periodisk lov endringer i elementenes egenskaper, publiserte læreboken "Organic Chemistry". Vi har til vår disposisjon dens 2. utgave (korrigert og utvidet, Publication of the Partnership “Public Benefit”, St. Petersburg, 1863. 535 s.)
I sin bok definerte den store vitenskapsmannen tydelig sammenhengen mellom organiske forbindelser og vitale prosesser: «Vi kan reprodusere mange av prosessene og stoffene som produseres av organismer, kunstig utenfor kroppen. Således blir proteinstoffer, som blir ødelagt i dyr under påvirkning av oksygen absorbert av blodet, omdannet til ammoniumsalter, urea, slimsukker, benzosyre og andre stoffer som vanligvis skilles ut i urinen... Tatt separat, er ikke hvert viktig fenomen. resultatet av en eller annen spesialstyrke , men er gjort av generelle lover natur" På den tiden hadde bioorganisk kjemi og biokjemi ennå ikke dukket opp som
uavhengige retninger, først var de forent fysiologisk kjemi, men gradvis vokste de på grunnlag av alle prestasjoner til to uavhengige vitenskaper.
Vitenskapen om bioorganisk kjemistudier sammenheng mellom strukturen til organiske stoffer og deres biologiske funksjoner, hovedsakelig ved bruk av metoder for organisk, analytisk, fysisk kjemi, samt matematikk og fysikk
Det viktigste kjennetegnet ved dette emnet er studiet av den biologiske aktiviteten til stoffer i forbindelse med analysen av deres kjemiske struktur
Studieobjekter av bioorganisk kjemi: biologisk viktige naturlige biopolymerer - proteiner, nukleinsyrer, lipider, lavmolekylære stoffer - vitaminer, hormoner, signalmolekyler, metabolitter - stoffer involvert i energi- og plastmetabolisme, syntetiske stoffer.
Hovedoppgavene til bioorganisk kjemi inkluderer:
1. Utvikling av metoder for isolering og rensing av naturlige forbindelser, ved bruk av medisinske metoder for å vurdere kvaliteten på et stoff (for eksempel et hormon basert på graden av dets aktivitet);
2. Bestemmelse av strukturen til en naturlig forbindelse. Alle metoder for kjemi brukes: bestemmelse av molekylvekt, hydrolyse, analyse av funksjonelle grupper, optiske forskningsmetoder;
3. Utvikling av metoder for syntese av naturlige forbindelser;
4. Studie av biologisk handlings avhengighet av struktur;
5. Avklaring av naturen til biologisk aktivitet, molekylære mekanismer for interaksjon med ulike cellestrukturer eller med dens komponenter.
Utviklingen av bioorganisk kjemi gjennom tiårene er assosiert med navnene på russiske forskere: D.I.Mendeleeva, A.M. Butlerov, N.N. Zinin, N.D. Zelinsky A.N. Belozersky N.A. Preobrazhensky M.M. Shemyakin, Yu.A. Ovchinnikova.
Grunnleggerne av bioorganisk kjemi i utlandet er forskere som har gjort mange store funn: strukturen til den sekundære strukturen til proteiner (L. Pauling), den fullstendige syntesen av klorofyll, vitamin B 12 (R. Woodward), bruken av enzymer i syntese av komplekse organiske stoffer. inkludert gen (G. Koran) og andre
I Ural i Jekaterinburg innen bioorganisk kjemi fra 1928 til 1980. jobbet som leder for avdelingen for organisk kjemi ved UPI, akademiker I.Ya. Postovsky, kjent som en av grunnleggerne i vårt land av den vitenskapelige retningen for søk og syntese av narkotika og forfatteren av en rekke medikamenter (sulfonamider, antitumor, anti-stråling, anti-tuberkulose). Forskningen hans videreføres av studenter som jobber under ledelse av akademikere O.N. Chupakhin, V.N. Charushin ved USTU-UPI og ved Institute of Organic Synthesis oppkalt etter. OG JEG. Postovsky Det russiske akademiet Sci.
Bioorganisk kjemi er nært knyttet til medisinens oppgaver og er nødvendig for studiet og forståelsen av biokjemi, farmakologi, patofysiologi og hygiene. Alle vitenskapelig språk bioorganisk kjemi, notasjonen som er tatt i bruk og metodene som brukes er ikke forskjellige fra den organiske kjemien du studerte på skolen
Bioorganisk kjemi er en vitenskap som studerer strukturen og egenskapene til stoffer som er involvert i livsprosesser i direkte sammenheng med kunnskapen om deres biologiske funksjoner.
Bioorganisk kjemi er vitenskapen som studerer strukturen og reaktiviteten til biologisk signifikante forbindelser. Emnet for bioorganisk kjemi er biopolymerer og bioregulatorer og deres strukturelle elementer.
Biopolymerer inkluderer proteiner, polysakkarider (karbohydrater) og nukleinsyrer. Denne gruppen inkluderer også lipider, som ikke er BMC, men vanligvis assosiert med andre biopolymerer i kroppen.
Bioregulatorer er forbindelser som kjemisk regulerer metabolismen. Disse inkluderer vitaminer, hormoner og mange syntetiske forbindelser, inkludert medisinske stoffer.
Bioorganisk kjemi er basert på ideer og metoder innen organisk kjemi.
Uten kunnskap generelle mønstre organisk kjemi, er det vanskelig å studere bioorganisk kjemi. Bioorganisk kjemi er nært knyttet til biologi, biologisk kjemi, medisinsk fysikk.
Settet av reaksjoner som skjer under forholdene til en organisme kalles metabolisme.
Stoffer som dannes under metabolisme kalles - metabolitter.
Metabolisme har to retninger:
Katabolisme er reaksjonen av nedbrytningen av komplekse molekyler til enklere.
Anabolisme er prosessen med å syntetisere komplekse molekyler fra enklere stoffer ved hjelp av energi.
Begrepet biosyntese brukes på kjemisk reaksjon IN VIVO (i kroppen), IN VITRO (utenfor kroppen)
Det er antimetabolitter - konkurrenter til metabolitter i biokjemiske reaksjoner.
Konjugering som en faktor for å øke stabiliteten til molekyler. Gjensidig påvirkning av atomer i molekyler av organiske forbindelser og metoder for overføring
Forelesningsoversikt:
Paring og dens typer:
p, p - sammenkobling,
r,p - konjugasjon.
Konjugasjonsenergi.
Åpne krets koblede systemer.
Vitamin A, karotener.
Konjugering i radikaler og ioner.
Sammenkoblede lukkede kretssystemer. Aromatitet, aromatisitetskriterier, heterosykliske aromatiske forbindelser.
Kovalent binding: ikke-polar og polar.
Induktive og mesomere effekter. EA og ED er erstatninger.
Hovedtypen kjemiske bindinger i organisk kjemi er kovalente bindinger. I organiske molekyler er atomer forbundet med s- og p-bindinger.
Atomer i molekyler av organiske forbindelser er forbundet med kovalente bindinger, som kalles s- og p-bindinger.
Enkel s - binding i SP 3 - hybridisert tilstand er karakterisert ved l - lengde (C-C 0,154 nm), E-energi (83 kcal/mol), polaritet og polariserbarhet. For eksempel:
En dobbeltbinding er karakteristisk for umettede forbindelser, hvor det i tillegg til den sentrale s-bindingen også er en overlapping vinkelrett på s-bindingen, som kalles en π-binding).
Dobbeltbindinger er lokaliserte, det vil si at elektrontettheten dekker bare 2 kjerner av de bundne atomene.
Oftest vil du og jeg forholde oss til konjugert systemer. Hvis dobbeltbindinger veksler med enkeltbindinger (og i det generelle tilfellet har et atom koblet til en dobbeltbinding en p-orbital, så kan p-orbitalene til naboatomer overlappe hverandre og danne et felles p-elektronsystem). Slike systemer kalles konjugert eller delokalisert . For eksempel: butadien-1,3
p, p - konjugerte systemer
Alle atomer i butadien er i SP 2 hybridisert tilstand og ligger i samme plan (Pz er ikke en hybrid orbital). Рz – orbitaler er parallelle med hverandre. Dette skaper forutsetninger for deres gjensidige overlapping. Overlappingen av Pz-orbitalen skjer mellom C-1 og C-2 og C-3 og C-4, så vel som mellom C-2 og C-3, det vil si at den forekommer delokalisert kovalent binding. Dette gjenspeiles i endringer i bindingslengder i molekylet. Lengden på bindingen mellom C-1 og C-2 økes, og mellom C-2 og C-3 forkortes sammenlignet med en enkeltbinding.
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 - sammenkobling
Et eksempel på et p, π-konjugert system er en peptidbinding.
r, p - konjugerte systemer
C=0-dobbeltbindingen utvides til 0,124 nm sammenlignet med den vanlige lengden på 0,121, og C–N-bindingen blir kortere og blir 0,132 nm sammenlignet med 0,147 nm i normalfallet. Det vil si at prosessen med elektrondelokalisering fører til utjevning av bindingslengder og en reduksjon i den indre energien til molekylet. Imidlertid forekommer ρ,p - konjugering i asykliske forbindelser, ikke bare når alternerende = bindinger med enkelt C-C bindinger, men også når det veksles med et heteroatom:
Et X-atom med en fri p-orbital kan være lokalisert nær dobbeltbindingen. Oftest er dette O, N, S heteroatomer og deres p-orbitaler som interagerer med p-bindinger og danner p, p-konjugering.
For eksempel:
CH 2 = CH – O – CH = CH 2
Konjugering kan forekomme ikke bare i nøytrale molekyler, men også i radikaler og ioner:
Basert på det ovennevnte, i åpne systemer, skjer paring under følgende forhold:
Alle atomer som deltar i det konjugerte systemet er i SP 2 - hybridisert tilstand.
Pz - orbitalene til alle atomer er vinkelrett på s-skjelettplanet, det vil si parallelle med hverandre.
Når et konjugert multisentersystem dannes, utjevnes bindingslengdene. Det er ingen "rene" enkelt- og dobbeltbindinger her.
Delokalisering av p-elektroner i et konjugert system er ledsaget av frigjøring av energi. Systemet beveger seg til et lavere energinivå, blir mer stabilt, mer stabilt. Dermed fører dannelsen av et konjugert system i tilfelle av butadien - 1,3 til frigjøring av energi i mengden 15 kJ/mol. Det er på grunn av konjugering at stabiliteten til ioneradikaler av allyltype og deres utbredelse i naturen øker.
Jo lengre konjugasjonskjeden er, jo større frigjøring av energi fra dannelsen.
Dette fenomenet er ganske utbredt i biologisk viktige forbindelser. For eksempel:
Vi vil stadig møte problemer med termodynamisk stabilitet av molekyler, ioner og radikaler i løpet av bioorganisk kjemi, som inkluderer en rekke ioner og molekyler som er utbredt i naturen. For eksempel: 
Koblede systemer med lukket sløyfe
Aromatikk. I sykliske molekyler kan det under visse forhold oppstå et konjugert system. Et eksempel på et p, p - konjugert system er benzen, hvor p - elektronskyen dekker karbonatomer, et slikt system kalles - aromatisk.
Energigevinsten på grunn av konjugering i benzen er 150,6 kJ/mol. Derfor er benzen termisk stabil opp til en temperatur på 900 o C.
Tilstedeværelsen av en lukket elektronring ble påvist ved bruk av NMR. Hvis et benzenmolekyl plasseres i et eksternt magnetfelt, oppstår en induktiv ringstrøm.
Dermed er kriteriet for aromatisitet formulert av Hückel:
molekylet har en syklisk struktur;
alle atomer er i SP 2 - hybridisert tilstand;
det er en delokalisert p - elektronisk system, som inneholder 4n + 2 elektroner, hvor n er antall sykluser.
For eksempel: 
En spesiell plass i bioorganisk kjemi er okkupert av spørsmålet aromatisiteten til heterosykliske forbindelser.
I sykliske molekyler som inneholder heteroatomer (nitrogen, svovel, oksygen) dannes en enkelt p-elektronsky med deltakelse av p-orbitaler av karbonatomer og et heteroatom.
Femleddede heterosykliske forbindelser
Det aromatiske systemet dannes ved interaksjon av 4 p-orbitaler C og en orbital av et heteroatom, som har 2 elektroner. Seks p-elektroner danner det aromatiske skjelettet. Et slikt konjugert system er elektronisk overflødig. I pyrrol er N-atomet i SP 2-hybridisert tilstand.
Pyrrol er en del av mange biologisk viktige stoffer. Fire pyrrolringer danner porfin, et aromatisk system med 26 p - elektroner og høy konjugasjonsenergi (840 kJ/mol)
Porfinstrukturen er en del av hemoglobin og klorofyll 
Seksleddede heterosykliske forbindelser
Det aromatiske systemet i molekylene til disse forbindelsene dannes ved interaksjon av fem p-orbitaler av karbonatomer og en p-orbital av et nitrogenatom. To elektroner i to SP 2 orbitaler er involvert i dannelsen av s - bindinger med karbonatomene i ringen. P-orbitalen med ett elektron er inkludert i det aromatiske skjelettet. SP 2 – en orbital med et ensomt elektronpar ligger i s-skjelettplanet.
Elektrontettheten i pyrimidin forskyves mot N, det vil si at systemet er utarmet for p - elektroner, det er elektronmangel.
Mange heterosykliske forbindelser kan inneholde ett eller flere heteroatomer 
Pyrrol-, pyrimidin- og purinkjerner er en del av mange biologisk aktive molekyler.
Gjensidig påvirkning av atomer i molekyler av organiske forbindelser og metoder for overføring
Som allerede nevnt, utføres bindinger i molekyler av organiske forbindelser på grunn av s- og p-bindinger; elektrontetthet er jevnt fordelt mellom bundne atomer bare når disse atomene er like eller nær elektronegativitet. Slike forbindelser kalles ikke-polar. 
CH 3 -CH 2 → CI polar binding
I organisk kjemi har vi oftere å gjøre med polare bindinger.
Hvis elektrontettheten forskyves mot et mer elektronegativt atom, kalles en slik binding polar. Basert på verdiene av bindingsenergi, foreslo den amerikanske kjemikeren L. Pauling en kvantitativ karakteristikk av atomers elektronegativitet. Nedenfor er Pauling-skalaen.
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
Karbonatomer i forskjellige hybridiseringstilstander er forskjellige i elektronegativitet. Derfor er s - bindingen mellom SP 3 og SP 2 hybridiserte atomer - polar 
Induktiv effekt
Overføringen av elektrontetthet gjennom mekanismen for elektrostatisk induksjon langs en kjede av s-bindinger kalles ved induksjon, kalles effekten induktiv og er betegnet med J. Effekten av J blir som regel dempet gjennom tre bindinger, men nærliggende atomer opplever en ganske sterk påvirkning av den nærliggende dipolen.
Substituenter som forskyver elektrontettheten langs s-bindingskjeden i deres retning, viser en -J - effekt, og omvendt +J effekt. 
En isolert p-binding, så vel som en enkelt p-elektronsky av et åpent eller lukket konjugert system, kan lett polariseres under påvirkning av EA- og ED-substituenter. I disse tilfellene overføres den induktive effekten til p-forbindelsen, derfor betegnet med Jp. 
Mesomerisk effekt (konjugasjonseffekt)
Omfordelingen av elektrontetthet i et konjugert system under påvirkning av en substituent som er medlem av dette konjugerte systemet kalles mesomerisk effekt(M-effekt). 
For at en substituent skal være en del av et konjugert system, må den ha enten en dobbeltbinding (p,p-konjugering) eller et heteroatom med et enkelt elektronpar (r,p-konjugering). M – effekten overføres gjennom det koblede systemet uten demping.
Substituenter som senker elektrontettheten i et konjugert system (fortrengt elektrontetthet i dets retning) viser en -M effekt, og substituenter som øker elektrontettheten i et konjugert system viser en +M effekt.
Elektroniske effekter av substituenter 
Reaktiviteten til organiske stoffer avhenger i stor grad av typen J- og M-effekter. Kunnskap om de teoretiske mulighetene til elektroniske effekter gjør at vi kan forutsi forløpet av visse kjemiske prosesser.
Syre-base egenskaper av organiske forbindelser Klassifisering av organiske reaksjoner.
Forelesningsoversikt
Konseptet med substrat, nukleofil, elektrofil.
Klassifisering av organiske reaksjoner.
reversibel og irreversibel
radikal, elektrofil, nukleofil, synkron.
mono- og bimolekylært
substitusjonsreaksjoner
tilleggsreaksjoner
eliminasjonsreaksjoner
oksidasjon og reduksjon
syre-base interaksjoner
Reaksjoner er regioselektive, kjemoselektive, stereoselektive.
Elektrofile addisjonsreaksjoner. Morkovnikovs styre, anti-Morkovnikovs tiltredelse.
Elektrofile substitusjonsreaksjoner: orientanter av 1. og 2. type.
Syre-base egenskaper til organiske forbindelser.
Bronsted syre og basicitet
Lewis surhet og basicitet
Teori om harde og myke syrer og baser.
Klassifisering av organiske reaksjoner
Systematisering av organiske reaksjoner gjør det mulig å redusere mangfoldet av disse reaksjonene til et relativt lite et stort antall typer. Organiske reaksjoner kan klassifiseres:
mot: reversibel og irreversibel
av arten av endringer i bindinger i substratet og reagenset.
Substrat– et molekyl som gir et karbonatom for å danne en ny binding
Reagens- en forbindelse som virker på underlaget.
Reaksjoner basert på arten av endringer i bindinger i substratet og reagenset kan deles inn i:
radikale R
elektrofil E
nukleofil N(Y)
synkron eller koordinert 
Mekanisme for SR-reaksjoner
Initiering
Kjedevekst
Åpen krets 
KLASSIFISERING ETTER ENDELIG RESULTAT
Korrespondanse til det endelige resultatet av reaksjonen er:
A) substitusjonsreaksjoner
B) addisjonsreaksjoner
B) eliminasjonsreaksjoner
D) omgrupperinger
D) oksidasjon og reduksjon
E) syre-base interaksjoner
Reaksjoner skjer også:
Regioselektiv– helst renner gjennom ett av flere reaksjonssentre.
Kjeselektiv– preferansereaksjon for en av de relaterte funksjonelle gruppene.
Stereoselektiv– foretrukket dannelse av en av flere stereoisomerer.
Reaktivitet av alkener, alkaner, alkadiener, arener og heterosykliske forbindelser
Grunnlaget for organiske forbindelser er hydrokarboner. Vi vil bare vurdere de reaksjonene som utføres under biologiske forhold og følgelig ikke med hydrokarboner selv, men med deltakelse av hydrokarbonradikaler.
Umettede hydrokarboner inkluderer alkener, alkadiener, alkyner, cykloalkener og aromatiske hydrokarboner. Det samlende prinsippet for dem er π – elektronskyen. Under dynamiske forhold har organiske forbindelser også en tendens til å bli angrepet av E+
Imidlertid fører interaksjonsreaksjoner for alkyner og arener med reagenser til forskjellige resultater, siden i disse forbindelsene er naturen til π - elektronskyen forskjellig: lokalisert og delokalisert.
Vi vil begynne vår vurdering av reaksjonsmekanismer med reaksjoner A E. Som vi vet interagerer alkener med 
Mekanisme for hydreringsreaksjon
I henhold til Markovnikovs regel - tilsetning til umettede hydrokarboner av en asymmetrisk struktur av forbindelser med den generelle formelen HX - tilsettes et hydrogenatom til det mest hydrogenerte karbonatomet, hvis substituenten er ED. I anti-Markovnikov-addisjon tilsettes et hydrogenatom til det minst hydrogenerte dersom substituenten er EA.
Elektrofile substitusjonsreaksjoner i aromatiske systemer har sine egne egenskaper. Den første egenskapen er at interaksjon med et termodynamisk stabilt aromatisk system krever sterke elektrofiler, som vanligvis genereres ved hjelp av katalysatorer.
Reaksjonsmekanisme S E 
ORIENTERENDE PÅVIRKNING
UNDERSTAND
Hvis det er noen substituent i den aromatiske ringen, så påvirker det nødvendigvis fordelingen av elektrontettheten til ringen. ED - substituenter (orientanter i 1. rad) CH 3, OH, OR, NH 2, NR 2 - letter substitusjon sammenlignet med usubstituert benzen og dirigerer den innkommende gruppen til orto- og para-posisjonen. Hvis ED-substituentene er sterke, er det ikke nødvendig med en katalysator; disse reaksjonene foregår i 3 trinn.
EA-substituenter (orientanter av den andre typen) hindrer elektrofile substitusjonsreaksjoner sammenlignet med usubstituert benzen. SE-reaksjonen skjer under strengere forhold; den innkommende gruppen går inn i en metaposisjon. Type II substituenter inkluderer:
COOH, SO 3 H, CHO, halogener, etc.
SE-reaksjoner er også typiske for heterosykliske hydrokarboner. Pyrrol, furan, tiofen og deres derivater tilhører π-overskuddssystemer og går ganske lett inn i SE-reaksjoner. De kan lett halogeneres, alkyleres, acyleres, sulfoneres og nitreres. Når du velger reagenser, er det nødvendig å ta hensyn til deres ustabilitet i et sterkt surt miljø, dvs. acidofobicitet.
Pyridin og andre heterosykliske systemer med et pyridin-nitrogenatom er π-utilstrekkelige systemer, de er mye vanskeligere å inngå i SE-reaksjoner, og den innkommende elektrofilen opptar β-posisjonen i forhold til nitrogenatomet. 
Sure og grunnleggende egenskaper til organiske forbindelser
De viktigste aspektene reaktivitet organiske forbindelser er syre-base-egenskapene til organiske forbindelser.
Surhet og basicitet Også viktige konsepter, som bestemmer mange funksjonelle fysisk-kjemiske og biologiske egenskaper til organiske forbindelser. Syre- og basekatalyse er en av de vanligste enzymatiske reaksjonene. Svake syrer og baser er vanlige komponenter i biologiske systemer som spiller en viktig rolle i metabolismen og dens regulering.
Det er flere begreper om syrer og baser i organisk kjemi. Brønsted-teorien om syrer og baser, generelt akseptert i uorganisk og organisk kjemi. Ifølge Brønsted er syrer stoffer som kan donere et proton, og baser er stoffer som kan ta imot et proton. 
Bronsted surhet
I prinsippet kan de fleste organiske forbindelser betraktes som syrer, siden H i organiske forbindelser er bundet til C, N O S
Organiske syrer deles følgelig inn i C – H, N – H, O – H, S-H – syrer. 
Surhet vurderes i form av Ka eller - log Ka = pKa, jo lavere pKa, jo sterkere syren.
Kvantitativ vurdering av surhetsgraden til organiske forbindelser er ikke fastsatt for alle organiske stoffer. Derfor er det viktig å utvikle evnen til å gjennomføre en kvalitativ vurdering av de sure egenskapene til ulike sure steder. For dette formålet brukes en generell metodisk tilnærming.
Styrken til syren bestemmes av stabiliteten til anion (konjugert base). Jo mer stabilt anion, jo sterkere syre.
Anionets stabilitet bestemmes av en kombinasjon av en rekke faktorer:
elektronegativitet og polariserbarhet av grunnstoffet i syresenteret.
graden av delokalisering av den negative ladningen i anionet.
arten av radikalet knyttet til syresenteret.
solvatiseringseffekter (påvirkning av løsemiddel)
La oss vurdere rollen til alle disse faktorene sekvensielt:
Effekt av elektronegativitet av elementer
Jo mer elektronegativt grunnstoffet er, jo mer delokalisert ladningen og jo mer stabilt anion, jo sterkere er syren.
C (2,5) N (3,0) O (3,5) S (2,5)
Derfor endres surhetsgraden i serien CH< NН < ОН For SH-syrer er det en annen faktor som dominerer - polariserbarhet. Svovelatomet er større i størrelse og har ledige d-orbitaler. derfor er den negative ladningen i stand til å delokaliseres over et stort volum, noe som resulterer i større stabilitet av anionet. Tioler, som sterkere syrer, reagerer med alkalier, samt med oksider og salter av tungmetaller, mens alkoholer (svake syrer) bare kan reagere med aktive metaller Den relativt høye surheten til toll brukes i medisin og i kjemien til legemidler. For eksempel: Brukes til forgiftning med As, Hg, Cr, Bi, hvis virkning skyldes binding av metaller og fjerning av dem fra kroppen. For eksempel: Når man vurderer surheten til forbindelser med samme atom i syresenteret, er den avgjørende faktoren delokaliseringen av den negative ladningen i anionet. Stabiliteten til anion øker betydelig med fremveksten av muligheten for delokalisering av den negative ladningen langs systemet med konjugerte bindinger. En betydelig økning i surhet i fenoler, sammenlignet med alkoholer, forklares med muligheten for delokalisering i ioner sammenlignet med molekylet. Den høye surheten til karboksylsyrer skyldes resonansstabiliteten til karboksylatanionet Ladningsdelokalisering forenkles av tilstedeværelsen av elektrontiltrekkende substituenter (EA), de stabiliserer anioner og øker dermed surheten. For eksempel å introdusere en substituent i et EA-molekyl Effekt av substituent og løsningsmiddel a - hydroksysyrer er sterkere syrer enn de tilsvarende karboksylsyrene. ED - substituenter, tvert imot, reduserer surheten. Løsemidler har større innflytelse på stabiliseringen av anionet, som regel løses små ioner med lav grad av ladningsdelokalisering bedre. Effekten av solvasjon kan spores for eksempel i serien: Hvis et atom i et syresenter har en positiv ladning, fører dette til økt surhet. Spørsmål til publikum: hvilken syre - eddiksyre eller palmitinsyre C 15 H 31 COOH - bør ha en lavere pKa-verdi? Hvis atomet i syresenteret har en positiv ladning, fører dette til økt surhet. Man kan merke seg den sterke CH - surheten til σ - komplekset som dannes i den elektrofile substitusjonsreaksjonen. Bronsted basicitet For å danne en binding med et proton, er et udelt elektronpar nødvendig på heteroatomet, eller være anioner. Det er p-baser og π baser, hvor senteret for basicitet er elektroner av en lokalisert π-binding eller π-elektroner av et konjugert system (π-komponenter) Styrken til basen avhenger av de samme faktorene som surhet, men deres innflytelse er motsatt. Jo større elektronegativitet et atom har, desto tettere holder det et ensomt elektronpar, og jo mindre tilgjengelig er det for binding med et proton. Så generelt endres styrken til n-baser med samme substituent i serien: De mest grunnleggende organiske forbindelsene er aminer og alkoholer: Salter av organiske forbindelser med mineralsyrer er svært løselige. Mange medisiner brukes i form av salter. Syre-base senter i ett molekyl (amfoterisk) Hydrogenbindinger som syre-base interaksjoner For alle α - aminosyrer er det en overvekt av kationiske former i sterkt sure og anioniske i sterkt alkaliske miljøer. Tilstedeværelsen av svake sure og basiske sentre fører til svake interaksjoner - hydrogenbindinger. For eksempel: imidazol, med lav molekylvekt, har et høyt kokepunkt på grunn av tilstedeværelsen av hydrogenbindinger. J. Lewis foreslo en mer generell teori om syrer og baser, basert på strukturen til elektroniske skall. En Lewis-syre kan være et atom, molekyl eller kation som har en ledig orbital som er i stand til å akseptere et par elektroner for å danne en binding. Representanter for Lewis-syrer er halogenidene av elementer fra gruppene II og III i det periodiske systemet D.I. Mendeleev. Lewis-baser er et atom, molekyl eller anion som er i stand til å donere et par elektroner. Lewis-baser inkluderer aminer, alkoholer, etere, tioler, tioetere og forbindelser som inneholder π-bindinger. For eksempel kan interaksjonen nedenfor representeres som en Lewis-syre-base-interaksjon En viktig konsekvens av Lewis sin teori er at ethvert organisk stoff kan representeres som et syre-base kompleks. I organiske forbindelser forekommer intramolekylære hydrogenbindinger mye sjeldnere enn intermolekylære, men de forekommer også i bioorganiske forbindelser og kan betraktes som syre-base-interaksjoner. Begrepene "hard" og "myk" er ikke identiske med sterke og svake syrer og baser. Dette er to uavhengige egenskaper. Essensen av LCMO er at harde syrer reagerer med harde baser og myke syrer reagerer med myke baser. I henhold til Pearsons prinsipp om harde og myke syrer og baser (HABP) deles Lewis-syrer inn i harde og myke. Harde syrer er akseptoratomer med liten størrelse, stor positiv ladning, høy elektronegativitet og lav polariserbarhet. Myke syrer er store akseptoratomer med liten positiv ladning, lav elektronegativitet og høy polariserbarhet. Essensen av LCMO er at harde syrer reagerer med harde baser og myke syrer reagerer med myke baser. For eksempel: Oksidasjon og reduksjon av organiske forbindelser Redoksreaksjoner er av største betydning for livsprosesser. Med deres hjelp tilfredsstiller kroppen sitt energibehov, siden oksidasjon av organiske stoffer frigjør energi. På den annen side tjener disse reaksjonene til å omdanne mat til cellekomponenter. Oksidasjonsreaksjoner fremmer avgiftning og fjerning av legemidler fra kroppen. Oksidasjon er prosessen med å fjerne hydrogen for å danne en multippelbinding eller nye mer polare bindinger. Reduksjon er den omvendte oksidasjonsprosessen. Oksydasjonen av organiske substrater går lettere, jo sterkere tendensen er til å gi fra seg elektroner. Oksidasjon og reduksjon må vurderes i forhold til spesifikke klasser av forbindelser. Oksidasjon av C–H-bindinger (alkaner og alkyler) Når alkaner brenner fullstendig, dannes CO 2 og H 2 O og varme frigjøres. Andre måter for deres oksidasjon og reduksjon kan representeres av følgende skjemaer: Oksydasjonen av mettede hydrokarboner skjer under tøffe forhold (kromblandingen er varm); mykere oksidasjonsmidler påvirker dem ikke. Mellomliggende oksidasjonsprodukter er alkoholer, aldehyder, ketoner og syrer. Hydroperoksider R – O – OH er de viktigste mellomproduktene for oksidasjon av C – H-bindinger under milde forhold, spesielt in vivo En viktig oksidasjonsreaksjon av CH-bindinger under kroppsforhold er enzymatisk hydroksylering. Et eksempel kan være produksjon av alkoholer gjennom oksidasjon av mat. På grunn av molekylært oksygen og dets aktive former. utført in vivo. Hydrogenperoksid kan tjene som et hydroksyleringsmiddel i kroppen. Overflødig peroksid må spaltes av katalase til vann og oksygen. Oksydasjonen og reduksjonen av alkener kan representeres ved følgende transformasjoner: Alkenreduksjon Oksidasjon og reduksjon av aromatiske hydrokarboner Benzen er ekstremt vanskelig å oksidere selv under tøffe forhold i henhold til følgende skjema: Oksydasjonsevnen øker markant fra benzen til naftalen og videre til antracen. ED-substituenter letter oksidasjonen av aromatiske forbindelser. EA – hindre oksidasjon. Benzen utvinning. C6H6 + 3H2 Enzymatisk hydroksylering av aromatiske forbindelser Oksidasjon av alkoholer Sammenlignet med hydrokarboner skjer oksidasjonen av alkoholer under mildere forhold Den viktigste reaksjonen til dioler under kroppsforhold er transformasjonen i kinon-hydrokinonsystemet Overføringen av elektroner fra underlaget til oksygen skjer i metakondrier. Oksidasjon og reduksjon av aldehyder og ketoner En av de lettest oksiderte klassene av organiske forbindelser 2H 2 C = O + H 2 O CH 3 OH + HCOOH flyter spesielt lett i lyset Oksidasjon av nitrogenholdige forbindelser Aminer oksiderer ganske lett; sluttproduktene av oksidasjon er nitroforbindelser Uttømmende reduksjon av nitrogenholdige stoffer fører til dannelse av aminer. Oksidasjon av aminer in vivo Oksidasjon og reduksjon av tioler Sammenlignende egenskaper av O-B-egenskaper til organiske forbindelser. Tioler og 2-atomære fenoler oksideres lettest. Aldehyder oksiderer ganske lett. Alkoholer er vanskeligere å oksidere, og primære er lettere enn sekundære og tertiære. Ketoner er motstandsdyktige mot oksidasjon eller oksiderer med spaltningen av molekylet. Alkyner oksiderer lett selv ved romtemperatur. De vanskeligste å oksidere er forbindelser som inneholder karbonatomer i Sp3-hybridisert tilstand, det vil si mettede fragmenter av molekyler. ED – substituenter letter oksidasjon EA – hindre oksidasjon. Spesifikke egenskaper til poly- og heterofunksjonelle forbindelser. Forelesningsoversikt Poly- og heterofunksjonalitet som en faktor som øker reaktiviteten til organiske forbindelser. Spesifikke egenskaper til poly- og heterofunksjonelle forbindelser: amfoterisitetsdannelse av intramolekylære salter. intramolekylær cyklisering av γ, δ, ε – heterofunksjonelle forbindelser. intermolekylær cyklisering (laktider og deketopypyrosiner) chelering. eliminasjonsreaksjoner av beta-heterofunksjonelle forbindelser. keto-enol tautomerisme. Fosfoenolpyruvat, som makroergisk forbindelse. dekarboksylering. stereoisomerisme Poly- og heterofunksjonalitet som årsak til fremkomsten av spesifikke egenskaper i hydroksy-, amino- og oksosyrer. Tilstedeværelsen av flere identiske eller forskjellige funksjonelle grupper i et molekyl er et karakteristisk trekk ved biologisk viktige organiske forbindelser. Et molekyl kan inneholde to eller flere hydroksylgrupper, aminogrupper eller karboksylgrupper. For eksempel: En viktig gruppe stoffer involvert i vital aktivitet er heterofunksjonelle forbindelser som har en parvis kombinasjon av ulike funksjonelle grupper. For eksempel: I alifatiske forbindelser viser alle de ovennevnte funksjonelle gruppene en EA-karakter. På grunn av deres innflytelse på hverandre, er deres reaktivitet gjensidig forbedret. For eksempel, i oksosyrer, forbedres elektrofilisiteten til hvert av de to karbonylkarbonatomene av -J til den andre funksjonelle gruppen, noe som fører til lettere angrep av nukleofile reagenser. Siden I-effekten blekner etter 3–4 bindinger, er en viktig omstendighet nærheten til plasseringen av funksjonelle grupper i hydrokarbonkjeden. Heterofunksjonelle grupper kan være lokalisert på det samme karbonatomet (α - arrangement), eller på forskjellige karbonatomer, både nærliggende (β-arrangement) og mer fjernt fra hverandre (γ, delta, epsilon). Hver heterofunksjonell gruppe beholder sin egen reaktivitet; mer presist går heterofunksjonelle forbindelser inn i et "dobbelt" antall kjemiske reaksjoner. Når det gjensidige arrangementet av heterofunksjonelle grupper er tilstrekkelig nært, økes reaktiviteten til hver av dem gjensidig. Med samtidig tilstedeværelse av sure og basiske grupper i molekylet, blir forbindelsen amfoter. For eksempel: aminosyrer. Interaksjon mellom heterofunksjonelle grupper Molekylet av gerofunksjonelle forbindelser kan inneholde grupper som er i stand til å samhandle med hverandre. For eksempel, i amfotere forbindelser, slik som a-aminosyrer, er dannelsen av indre salter mulig. Derfor forekommer alle α - aminosyrer i form av biopolare ioner og er svært løselige i vann. I tillegg til syre-base-interaksjoner blir andre typer kjemiske reaksjoner mulige. For eksempel er reaksjonen S N ved SP 2 en hybrid av et karbonatom i karbonylgruppen på grunn av interaksjon med alkoholgruppen, dannelse av estere, en karboksylgruppe med en aminogruppe (dannelse av amider). Avhengig av det relative arrangementet av funksjonelle grupper, kan disse reaksjonene forekomme både innenfor ett molekyl (intramolekylært) og mellom molekyler (intermolekylært). Siden reaksjonen resulterer i dannelse av sykliske amider og estere. da blir den avgjørende faktoren den termodynamiske stabiliteten til syklusene. I denne forbindelse inneholder sluttproduktet vanligvis seks- eller fem-leddede ringer. For at intramolekylær interaksjon skal danne en fem- eller seksleddet ester (amid) ring, må den heterofunksjonelle forbindelsen ha et gamma- eller sigma-arrangement i molekylet. Så i klassen Plan 1. Tema og betydning av bioorganisk kjemi 2. Klassifisering og nomenklatur av organiske forbindelser 3. Metoder for å avbilde organiske molekyler 4. Kjemisk binding i bioorganiske molekyler 5. Elektroniske effekter. Gjensidig påvirkning av atomer i et molekyl 6. Klassifisering av kjemiske reaksjoner og reagenser 7. Begrepet mekanismene for kjemiske reaksjoner 2
Emne for bioorganisk kjemi 3 Bioorganisk kjemi er en uavhengig gren av kjemisk vitenskap som studerer strukturen, egenskapene og biologiske funksjonene til kjemiske forbindelser av organisk opprinnelse som deltar i metabolismen til levende organismer.
Studieobjektene for bioorganisk kjemi er lavmolekylære biomolekyler og biopolymerer (proteiner, nukleinsyrer og polysakkarider), bioregulatorer (enzymer, hormoner, vitaminer og andre), naturlige og syntetiske fysiologisk aktive forbindelser, inkludert legemidler og stoffer med toksiske effekter. Biomolekyler er bioorganiske forbindelser som er en del av levende organismer og spesialisert for dannelse av cellulære strukturer og deltakelse i biokjemiske reaksjoner, danner grunnlaget for metabolisme (metabolisme) og de fysiologiske funksjonene til levende celler og flercellede organismer generelt. 4 Klassifisering av bioorganiske forbindelser
Metabolisme er et sett med kjemiske reaksjoner som oppstår i kroppen (in vivo). Metabolisme kalles også metabolisme. Metabolisme kan skje i to retninger - anabolisme og katabolisme. Anabolisme er syntesen i kroppen av komplekse stoffer fra relativt enkle. Det skjer med energiforbruk (endoterm prosess). Katabolisme, tvert imot, er nedbrytningen av komplekse organiske forbindelser til enklere. Det skjer med frigjøring av energi (eksoterm prosess). Metabolske prosesser foregår med deltagelse av enzymer. Enzymer spiller rollen som biokatalysatorer i kroppen. Uten enzymer ville biokjemiske prosesser enten ikke forekomme i det hele tatt, eller ville gå veldig sakte, og kroppen ville ikke være i stand til å opprettholde liv. 5
Bioelementer. Sammensetningen av bioorganiske forbindelser, i tillegg til karbonatomer (C), som danner grunnlaget for ethvert organisk molekyl, inkluderer også hydrogen (H), oksygen (O), nitrogen (N), fosfor (P) og svovel (S) . Disse bioelementene (organogener) er konsentrert i levende organismer i mengder som er over 200 ganger høyere enn innholdet i livløse gjenstander. De bemerkede elementene utgjør over 99% av grunnstoffsammensetningen til biomolekyler. 6
Bioorganisk kjemi oppsto fra dypet av organisk kjemi og er basert på dens ideer og metoder. I utviklingshistorien har organisk kjemi følgende stadier: empirisk, analytisk, strukturell og moderne. Perioden fra menneskets første bekjentskap med organiske stoffer til slutten av 1700-tallet regnes som empirisk. Hovedresultatet av denne perioden var at folk innså viktigheten av elementær analyse og etablering av atom- og molekylmasser. Teorien om vitalisme - livskraft (Berzelius). Den analytiske perioden fortsatte til 60-tallet av 1800-tallet. Det bar preg av at det fra slutten av første kvartal av 1800-tallet ble gjort en rekke lovende funn som ga den vitalistiske teorien et knusende slag. Den første i denne serien var Berzelius sin elev, den tyske kjemikeren Wöhler. Han gjorde en rekke funn i 1824 - syntesen av oksalsyre fra cyanogen: (CN) 2 HOOC - COOH r. – syntese av urea fra ammoniumcyanat: NH 4 CNO NH 2 – C – NH 2 O 8
I 1853 utviklet C. Gerard "teorien om typer" og brukte den til å klassifisere organiske forbindelser. I følge Gerard kan mer komplekse organiske forbindelser produseres fra følgende fire hovedtyper av stoffer: HHHH type HHHH O type VANN H Cl type HYDROGENKLORID HHHHN N type AMMONIKK Siden 1857, etter forslag fra F. A. Kekule, begynte hydrokarboner å bli klassifisert som metan type HHHNNHH C 9
Grunnleggende bestemmelser i teorien om strukturen til organiske forbindelser (1861) 1) atomer i molekyler er forbundet med hverandre ved kjemiske bindinger i samsvar med deres valens; 2) atomer i molekyler av organiske stoffer er koblet til hverandre i en viss sekvens, som bestemmer den kjemiske strukturen (strukturen) til molekylet; 3) egenskapene til organiske forbindelser avhenger ikke bare av antall og natur av deres bestanddeler, men også av den kjemiske strukturen til molekylene; 4) i organiske molekyler er det interaksjon mellom atomer, både bundet til hverandre og ubundet; 5) den kjemiske strukturen til et stoff kan bestemmes ved å studere dets kjemiske transformasjoner, og omvendt kan dets egenskaper karakteriseres av strukturen til et stoff. 10
Grunnleggende bestemmelser i teorien om strukturen til organiske forbindelser (1861) En strukturformel er et bilde av sekvensen av bindinger av atomer i et molekyl. Bruttoformel - CH 4 O eller CH 3 OH Strukturformel Forenklede strukturformler kalles noen ganger rasjonell molekylformel - formelen til en organisk forbindelse, som angir antall atomer til hvert grunnstoff i molekylet. For eksempel: C 5 H 12 - pentan, C 6 H 6 - bensin, etc. elleve
Utviklingsstadier av bioorganisk kjemi Som et eget kunnskapsfelt som kombinerer konseptuelle prinsipper og metodikk for organisk kjemi på den ene siden og molekylær biokjemi og molekylær farmakologi på den annen side, ble bioorganisk kjemi dannet på 1900-tallet basert på utviklingen i kjemi av naturlige stoffer og biopolymerer. Moderne bioorganisk kjemi har fått grunnleggende betydning takket være arbeidet til W. Stein, S. Moore, F. Sanger (analyse av aminosyresammensetning og bestemmelse av den primære strukturen til peptider og proteiner), L. Pauling og H. Astbury (avklaring) av strukturen til -helixen og -strukturen og deres betydning i implementeringen av de biologiske funksjonene til proteinmolekyler), E. Chargaff (dechiffrere egenskapene til nukleotidsammensetningen til nukleinsyrer), J. Watson, Fr. Crick, M. Wilkins, R. Franklin (etablerer mønstrene for den romlige strukturen til DNA-molekylet), G. Corani (kjemisk gensyntese), etc. 14
Klassifisering av organiske forbindelser i henhold til strukturen til karbonskjelettet og arten av den funksjonelle gruppen Det enorme antallet organiske forbindelser fikk kjemikere til å klassifisere dem. Klassifiseringen av organiske forbindelser er basert på to klassifiseringskriterier: 1. Karbonskjelettets struktur 2. De funksjonelle gruppenes beskaffenhet Klassifisering etter strukturmetoden til karbonskjelettet: 1. Asyklisk (alkaner, alkener, alkyner, alkadiener); 2. Syklisk 2.1. Karbosykliske (alicykliske og aromatiske) 2.2. Heterosykliske 15 Acykliske forbindelser kalles også alifatiske. Disse inkluderer stoffer med åpen karbonkjede. Asykliske forbindelser deles inn i mettet (eller mettet) C n H 2n+2 (alkaner, parafiner) og umettet (umettet). Sistnevnte inkluderer alkener CnH2n, alkyner CnH2n-2, alkadiener CnH2n-2.
16 Sykliske forbindelser inneholder ringer (sykluser) i molekylene sine. Hvis syklusene bare inneholder karbonatomer, kalles slike forbindelser karbosykliske. I sin tur er karbosykliske forbindelser delt inn i alicykliske og aromatiske. Alicykliske hydrokarboner (cykloalkaner) inkluderer cyklopropan og dets homologer - cyklobutan, cyklopentan, cykloheksan og så videre. Hvis det sykliske systemet, i tillegg til hydrokarbonet, også inkluderer andre elementer, er slike forbindelser klassifisert som heterosykliske.
Klassifisering etter arten av en funksjonell gruppe En funksjonell gruppe er et atom eller en gruppe atomer forbundet på en bestemt måte, hvis tilstedeværelse i et molekyl av et organisk stoff bestemmer de karakteristiske egenskapene og dets tilhørighet til en eller annen klasse av forbindelser . Basert på antall og homogenitet av funksjonelle grupper, er organiske forbindelser delt inn i mono-, poly- og heterofunksjonelle. Stoffer med en funksjonell gruppe kalles monofunksjonelle; stoffer med flere identiske funksjonelle grupper kalles polyfunksjonelle. Forbindelser som inneholder flere forskjellige funksjonelle grupper er heterofunksjonelle. Det er viktig at forbindelser av samme klasse kombineres til homologe serier. En homolog serie er en serie organiske forbindelser med samme funksjonelle grupper og samme struktur; hver representant for den homologe serien skiller seg fra den forrige med en konstant enhet (CH 2), som kalles den homologe forskjellen. Medlemmer av en homolog serie kalles homologer. 17
Nomenklatursystemer i organisk kjemi - trivielt, rasjonelt og internasjonalt (IUPAC) Kjemisk nomenklatur er et sett med navn på individuelle kjemiske stoffer, deres grupper og klasser, samt regler for sammenstilling av navn Kjemisk nomenklatur er et sett med navn på individuelle kjemiske stoffer. stoffer, deres grupper og klasser, samt regler som sammenstiller navnene deres. Den trivielle (historiske) nomenklaturen er assosiert med prosessen med å oppnå stoffer (pyrogallol - et produkt av pyrolyse av gallussyre), opprinnelseskilden den ble oppnådd fra (maursyre), etc. Trivielle navn på forbindelser er mye brukt i kjemien av naturlige og heterosykliske forbindelser (citral, geraniol, tiofen, pyrrol, kinolin, etc.) Triviell (historisk) nomenklatur er assosiert med prosessen med å oppnå stoffer (pyrogallol er et produkt av pyrolyse). av gallussyre), opprinnelseskilden, som ble oppnådd fra (maursyre), etc. Trivielle navn på forbindelser er mye brukt i kjemien til naturlige og heterosykliske forbindelser (citral, geraniol, tiofen, pyrrol, kinolin, etc.). Rasjonell nomenklatur er basert på prinsippet om å dele organiske forbindelser i homologe serier. Alle stoffer i en viss homolog serie betraktes som derivater av den enkleste representanten for denne serien - den første eller noen ganger den andre. Spesielt for alkaner - metan, for alkener - etylen, etc. Den rasjonelle nomenklaturen er basert på prinsippet om å dele organiske forbindelser i homologe serier. Alle stoffer i en viss homolog serie betraktes som derivater av den enkleste representanten for denne serien - den første eller noen ganger den andre. Spesielt for alkaner - metan, for alkener - etylen, etc. 18
Internasjonal nomenklatur (IUPAC). Reglene for moderne nomenklatur ble utviklet i 1957 på den 19. kongressen til International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Radikal funksjonell nomenklatur. Disse navnene er basert på navnet på funksjonsklassen (alkohol, eter, keton, etc.), som innledes med navnene på hydrokarbonradikaler, for eksempel: alylklorid, dietyleter, dimetylketon, propylalkohol, etc. Erstatningsnomenklatur. Nomenklaturregler. Foreldrestrukturen er det strukturelle fragmentet av molekylet (molekylskjelettet) som ligger til grunn for navnet på forbindelsen, hovedkarbonkjeden av atomer for alicykliske forbindelser, og syklusen for karbosykliske forbindelser. 19
Kjemisk binding i organiske molekyler Kjemisk binding er fenomenet med interaksjon mellom de ytre elektronskallene (valenselektroner til atomer) og atomkjerner, som bestemmer eksistensen av et molekyl eller en krystall som helhet. Som regel har et atom, som aksepterer eller donerer et elektron eller danner et felles elektronpar, en tendens til å få en konfigurasjon av det ytre elektronskallet som ligner på edelgasser. Følgende typer kjemiske bindinger er karakteristiske for organiske forbindelser: - ionebinding - kovalent binding - donor - akseptorbinding - hydrogenbinding Det finnes også noen andre typer kjemisk forbindelse(metallisk, en-elektron, to-elektron tre-senter), men de finnes praktisk talt aldri i organiske forbindelser. 20
Typer bindinger i organiske forbindelser Det mest karakteristiske for organiske forbindelser er en kovalent binding. En kovalent binding er samspillet mellom atomer, som realiseres gjennom dannelsen av et felles elektronpar. Denne typen bindinger dannes mellom atomer som har sammenlignbare elektronegativitetsverdier. Elektronegativitet er en egenskap ved et atom som viser evnen til å tiltrekke seg elektroner til seg selv fra andre atomer. En kovalent binding kan være polar eller ikke-polar. En ikke-polar kovalent binding oppstår mellom atomer med samme elektronegativitetsverdi
Typer bindinger i organiske forbindelser En polar kovalent binding dannes mellom atomer som har ulike elektronegativitetsverdier. I dette tilfellet får de bundne atomene partielle ladninger δ+δ+ δ-δ- En spesiell undertype av kovalent binding er donor-akseptorbindingen. Som i tidligere eksempler skyldes denne typen interaksjon tilstedeværelsen av et felles elektronpar, men sistnevnte er gitt av ett av atomene som danner bindingen (donor) og akseptert av et annet atom (akseptor) 24
Typer bindinger i organiske forbindelser En ionisk binding dannes mellom atomer som er svært forskjellige i elektronegativitetsverdier. I dette tilfellet overføres elektronet fra det mindre elektronegative elementet (ofte et metall) fullstendig til det mer elektronegative elementet. Denne elektronovergangen fører til at det vises en positiv ladning på det mindre elektronegative atomet og en negativ ladning på det mer elektronegative. Dermed dannes det to ioner med motsatte ladninger, mellom hvilke det er en elektrovalent interaksjon. 25
Typer bindinger i organiske forbindelser En hydrogenbinding er en elektrostatisk interaksjon mellom et hydrogenatom, som er bundet på en svært polar måte, og elektronpar av oksygen, fluor, nitrogen, svovel og klor. Denne typen interaksjon er en ganske svak interaksjon. Hydrogenbinding kan være intermolekylær eller intramolekylær. Intermolekylær hydrogenbinding (interaksjon mellom to molekyler etylalkohol) Intramolekylær hydrogenbinding i salisylaldehyd 26
Kjemisk binding i organiske molekyler Den moderne teorien om kjemisk binding er basert på den kvantemekaniske modellen av et molekyl som et system bestående av elektroner og atomkjerner. Hjørnesteinsbegrepet i kvantemekanisk teori er atomorbitalen. En atomorbital er en del av rommet der sannsynligheten for å finne elektroner er størst. Binding kan dermed sees på som interaksjonen ("overlapping") av orbitaler som hver bærer ett elektron med motsatte spinn. 27
Hybridisering av atomorbitaler I følge kvantemekanisk teori bestemmes antall kovalente bindinger som dannes av et atom av antall ett-elektron atomorbitaler (antall uparede elektroner). Karbonatomet i grunntilstanden har bare to uparrede elektroner, men den mulige overgangen til et elektron fra 2s til 2 pz gjør det mulig å danne fire kovalente bindinger. Tilstanden til et karbonatom der det har fire uparrede elektroner kalles "eksitert". Til tross for at karbonorbitaler er ulik, er det kjent at dannelsen av fire ekvivalente bindinger er mulig på grunn av hybridisering av atomorbitaler. Hybridisering er et fenomen der det samme antall orbitaler med samme form og antall dannes fra flere orbitaler med forskjellige former og lignende i energi. 28
Hybride tilstander av karbonatomet i organiske molekyler FØRSTE HYBRIDTILSTAND C-atomet er i en tilstand av sp 3 hybridisering, danner fire σ-bindinger, danner fire hybridorbitaler, som er ordnet i form av et tetraeder (bindingsvinkel) σ-binding 31
Hybride tilstander av karbonatomet i organiske molekyler ANDRE HYBRID TILSTAND C-atomet er i en tilstand av sp 2 hybridisering, danner tre σ-bindinger, danner tre hybridorbitaler, som er arrangert i form av en flat trekant (bindingsvinkel 120) σ-bindinger π-binding 32
Hybride tilstander av karbonatomet i organiske molekyler TREDJE HYBRID TILSTAND C-atomet er i en tilstand av sp-hybridisering, danner to σ-bindinger, danner to hybridorbitaler, som er ordnet i en linje (bindingsvinkel 180) σ-bindinger π -obligasjoner 33
Kjennetegn ved kjemiske bindinger POLING-skala: F-4.0; O - 3,5; Cl - 3,0; N - 3,0; Br – 2,8; S – 2,5; C-2,5; H-2,1. forskjell 1,7 Kjennetegn ved kjemiske bindinger Bindingspolariserbarhet er et skifte i elektrontetthet under påvirkning av eksterne faktorer. Bindingspolariserbarhet er graden av elektronmobilitet. Når atomradiusen øker, øker polariserbarheten til elektroner. Derfor øker polariserbarheten til karbon-halogenbindingen som følger: C-F Elektroniske effekter. Gjensidig påvirkning av atomer i et molekyl 39 I følge moderne teoretiske konsepter er reaktiviteten til organiske molekyler forhåndsbestemt av forskyvningen og mobiliteten til elektronskyer som danner en kovalent binding. I organisk kjemi skilles det mellom to typer elektronforskyvninger: a) elektroniske forskyvninger som forekommer i -bindingssystemet, b) elektroniske forskyvninger som overføres av -bondsystemet. I det første tilfellet finner den såkalte induktive effekten sted, i det andre - en mesomerisk effekt. Den induktive effekten er en omfordeling av elektrontetthet (polarisering) som følge av forskjellen i elektronegativitet mellom atomene til et molekyl i et bindingssystem. På grunn av den ubetydelige polariserbarheten til -bindingene, forsvinner den induktive effekten raskt og etter 3-4 bindinger vises den nesten ikke.
Elektroniske effekter. Gjensidig påvirkning av atomer i et molekyl 40 Begrepet induktiv effekt ble introdusert av K. Ingold, og han introduserte også følgende betegnelser: –I-effekt ved reduksjon i elektrontetthet med en substituent +I-effekt i tilfellet med en økning i elektrontetthet med en substituent En positiv induktiv effekt utvises av alkylradikaler (CH 3, C 2 H 5 - etc.). Alle andre substituenter bundet til karbonatomet viser en negativ induktiv effekt.
Elektroniske effekter. Gjensidig påvirkning av atomer i et molekyl 41 Den mesomere effekten er omfordeling av elektrontetthet langs et konjugert system. Konjugerte systemer inkluderer molekyler av organiske forbindelser der dobbelt- og enkeltbindinger veksler eller når et atom med et ensomt elektronpar i p-orbitalen er plassert ved siden av dobbeltbindingen. I det første tilfellet finner - konjugasjon sted, og i det andre tilfellet p, -konjugering finner sted. Koblede systemer kommer i åpne og lukkede kretskonfigurasjoner. Eksempler på slike forbindelser er 1,3-butadien og bensin. I molekylene til disse forbindelsene er karbonatomer i en tilstand av sp 2-hybridisering og, på grunn av ikke-hybride p-orbitaler, danner -bindinger som gjensidig overlapper hverandre og danner en enkelt elektronsky, det vil si at konjugering finner sted.
Elektroniske effekter. Gjensidig påvirkning av atomer i et molekyl 42 Det finnes to typer mesomerisk effekt - positiv mesomerisk effekt (+M) og negativ mesomerisk effekt (-M). En positiv mesomerisk effekt vises av substituenter som gir p-elektroner til det konjugerte systemet. Disse inkluderer: -O, -S -NH 2, -OH, -OR, Hal (halogener) og andre substituenter som har en negativ ladning eller et enkelt elektronpar. Den negative mesomere effekten er karakteristisk for substituenter som absorberer elektrontetthet fra det konjugerte systemet. Disse inkluderer substituenter som har flere bindinger mellom atomer med ulik elektronegativitet: - N0 2 ; -S03H; >C=O; -COON og andre. Den mesomeriske effekten reflekteres grafisk av en bøyd pil, som viser retningen på elektronforskyvningen.I motsetning til induksjonseffekten går ikke den mesomere effekten ut. Det overføres fullstendig gjennom hele systemet, uavhengig av lengden på grensesnittkjeden. C=O; -COON og andre. Den mesomeriske effekten reflekteres grafisk av en bøyd pil, som viser retningen på elektronforskyvningen.I motsetning til induksjonseffekten går ikke den mesomere effekten ut. Det overføres fullstendig gjennom hele systemet, uavhengig av lengden på grensesnittkjeden."> Typer kjemiske reaksjoner 43 En kjemisk reaksjon kan betraktes som interaksjonen mellom et reagens og et substrat. Avhengig av metoden for å bryte og danne en kjemisk binding i molekyler, organiske reaksjoner delt inn i: a) homolytiske b) heterolytiske c) molekylære Homolytiske eller frie radikalreaksjoner er forårsaket av homolytisk spaltning av bindingen, når hvert atom har ett elektron igjen, det vil si at det dannes radikaler. Homolytisk spaltning skjer ved høye temperaturer, virkningen av en lett kvante, eller katalyse.
Heterolytiske eller ioniske reaksjoner foregår på en slik måte at et par bindingselektroner forblir nær ett av atomene og ioner dannes. En partikkel med et elektronpar kalles nukleofil og har en negativ ladning (-). En partikkel uten elektronpar kalles elektrofil og har positiv ladning (+). 44 Typer kjemiske reaksjoner
Mekanisme for en kjemisk reaksjon 45 Mekanismen for en reaksjon er settet med elementære (enkle) stadier som utgjør en gitt reaksjon. Reaksjonsmekanismen inkluderer oftest følgende stadier: aktivering av reagenset med dannelse av en elektrofil, nukleofil eller fri radikal. For å aktivere et reagens er det vanligvis nødvendig med en katalysator. I det andre trinnet interagerer det aktiverte reagenset med substratet. I dette tilfellet dannes mellompartikler (mellomprodukter). Sistnevnte inkluderer -komplekser, -komplekser (karbokasjoner), karbanioner og nye frie radikaler. Ved det siste trinnet skjer tilsetningen eller elimineringen av en partikkel til (fra) mellomproduktet dannet i det andre trinnet med dannelsen av det endelige reaksjonsproduktet. Hvis et reagens genererer en nukleofil ved aktivering, er dette nukleofile reaksjoner. De er merket med bokstaven N - (i indeksen). I tilfellet hvor reagenset genererer en elektrofil, klassifiseres reaksjonene som elektrofile (E). Det samme kan sies om frie radikalreaksjoner (R).
Nukleofiler er reagenser som har en negativ ladning eller et atom anriket i elektrontetthet: 1) anioner: OH -, CN -, RO -, RS -, Hal - og andre anioner; 2) nøytrale molekyler med ensomme elektronpar: NH 3, NH 2 R, H 2 O, ROH og andre; 3) molekyler med overskytende elektrontetthet (har - bindinger). Elektrofiler er reagenser som har en positiv ladning eller et atom som er utarmet i elektrontetthet: 1) kationer: H + (proton), HSO 3 + (hydrogensulfoniumion), NO 2 + (nitroniumion), NO (nitrosoniumion) og andre kationer; 2) nøytrale molekyler med en ledig orbital: AlCl 3, FeBr 3, SnCl 4, BF 4 (Lewis-syrer), SO 3; 3) molekyler med utarmet elektrontetthet på atomet. 46
49
50
51
52
Laster inn...