Предмет биоорганической химии. Лекция 1

ПРЕДМЕТ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ИЗУЧАЕТ СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРЕВРАЩЕНИЯ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ПРИМЕНЕ-НИЕ БИООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
БИООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ – СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДА И ВОДОРОДА (ВКЛЮЧАЮТ ТАКЖЕ ГЕТЕРОАТОМЫ-ОРГАНОГЕНЫ N, O, S), ПРИСУТСТВУЮ-ЩИЕ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ И УЧАСТ-ВУЮЩИЕ В ПРОЦЕССАХ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬ-НОСТИ

Гибридизация АО атома С
Гибридизация – выравнивание атомных орбиталей по симметрии и энергии, описывает реальное пространст-венное и электронное строение атома в молекуле
Невозбужденный атом С: 1s22s22p2
Возбужденный атом С: 1s22s12p3
Типы гибридизации
sp3-гибридизация (алканы, тетраэдрическое (тетрагональ-ное) строение, валентный угол 109о28/)
С sp3 --↑-- --↑-- --↑-- --↑-- на образование 4 σ-связей
sp2-гибридизация (алкены, тригональное строение, валент-ный угол 120о)
2p --↑-- на образование π -связи
sp2 --↑-- --↑-- --↑-- на образование 3 σ-связей

Сопряжение. Сопряженные системы
Сопряженные системы – молекулы (или их фрагменты) определенного строения, обладающие характерным комплексом физико-химических свойств:
- энергетическая стабилизация (энергия сопряжения);
- делокализация и перераспределение π - и р-электронной плотности (электроны π-связей и р-электронных пар);
- уплощение углеродного скелета;
- сближение одинарных и двойных связей по длине и прочности;
- характерные изменения реакционной способности (меньшая, чем у алкенов склонность к реакциям присоединения и окисления и большая к реакциям замещения).
Сопряженные системы классифицируются по признакам:
- строения углеродного скелета (циклические и ацикли-ческие);
- типа сопряжения (π - π - и р - π -).

Типы сопряжения
- π-π-сопряжение в молекулах с чередующимися двойными и одинарными связями:
1,3-бутадиен ретиналь р-π-сопряжение в молекулах, где р-электронная пара гетероатома отделена одинарной связью от двойной:
дивиниловый эфир винилхлорид

Ароматичность. Ароматические соединения
Ароматические соединения – циклические сопряженные молекулы, подчиняющиеся критериям ароматичности и обладающие характерным комплексом физико-химических свойств:
- свойства, характерные для сопряженных систем (см. выше);
- высокая энергетическая стабилизация (энергия ароматической стабилизации);
- характерные изменения реакционной способности (несклонность к реакциям присоединения и окисления и склонность к реакциям замещения).

Критерии ароматичности
- циклическая сопряженная система без разрывов сопряжения;
- плоский цикл;
число π - и р-электронов, вовлеченных в ароматическую делокализованную молекулярную орбиталь (N) подчиняются правилу Хюккеля: N = 4n + 2,
где n – простое целое число; n = 1, 2, 3, 4…..

Ароматические соединения классифицируют на:
- карбоциклические (цикл состоит только из атомов углерода – бензол, его производные, полициклические углеводороды (нафталин, антрацен, фенантрен) и их производные)
бензол нафталин антрацен фенантрен
- гетероциклические (цикл включает гетероатомы (N, O, S) классифицируют на:
♦ пятичленные (пиррол, тиофен, фуран, имидазол)
пиррол тиофен фуран имидазол

шестичленные (пиридин, пиримидин)
пиридин пиримидин
♦ прочие (пурин, индол и другие)
пурин индол

Ряды по ароматичности
- бензол > нафталин > фенантрен > антрацен
- бензол > тиофен > пиррол > фуран
- бензол > пиридин > пиримидин
- бензол > пиридин > пиррол

Типы sp2-гибридизации АО атома азота. Пиридиновый и пиррольный атомы азота
Атом азота (N) имеет электронную формулу 1s22s22p3, 5 валентных электронов. Возбужденный атом N 1s22s12p4
Пиридиновый азот основен и нуклеофилен (ароматичность в реакциях не нарушается):
пиридиний пиридин N-метилпиридиний
2p --↑-- на образование ароматической системы
sp2 --↑↓-- --↑-- --↑-- пара р-электронов и на
образование 2 σ-связей

Пиррольный азот не обладает основными свойствами, группа NH – слабокислая
не образуется пиррол пиррол-калий
2p --↑↓-- на образование ароматической системы
sp2 --↑-- --↑-- --↑-- на образование 3 σ-связей

Биозначение сопряженных и ароматических соединений 1
 Сопряженные и ароматические молекулы широко представлены в живых клетках (они – важные участники биохимических процессов жизнедеятельности):
ретинол, ретиналь, ретиноевая кислота – формы витамина А (для зрения, ростовых и регенеративных процессов), β-каротин – провитамин А;
аминокислоты фенилаланин, тирозин, гормоны адреналин, тироксин, нейромедиатор норадреналин – производные бензола;
витамины РР (никотинамид) и В6 (пиридоксаль), коферменты НАД(Ф)+/НАД(Ф)Н – производные пиридина;

Биозначение сопряженных и ароматических соединений 2
кофермент гем и метаболит билирубин – производные пиррола;
азотистые основания нуклеиновых кислот – производные пурина и пиримидина;
аминокислота гистидин и тканевой гормон гистамин – производные имидазола;
аминокислота триптофан и биорегулятор серотонин - производные индола;
 Большинство лекарственных препаратов и очень многие природные ксенобиотики являются сопряженными и ароматическими молекулами.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ
В ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛАХ
Электронные эффекты – перераспределение электронов химических связей и разделение зарядов между разными атомами в молекуле.
По типу перераспределяемой электронной плотности выделяют:
- индуктивный эффект (I) - перераспределение электронов σ-связей от менее электроотрицательных атомов молекулы к более электроотрицательным.
- мезомерный эффект (M) - перераспределение электронов π-связей и р-электронных пар гетероатомов в сопряженной системе – механизм реализации сопряжения и ароматичности.
Акцепторные электронные эффекты – отрицательные (-).
Донорные электронные эффекты – положительные (+).

I-эффект – короткодействующий, быстро затухающий, универсальный.
δ+ δ+ δ+ δ-
CH3→CH2→CH2→CH2→OH
+I -I
+I-эффект у алкильных групп; -I-эффект у других групп с электроотрицательными гетероатомами (OH, OR, NH2, Cl, NO2, SO3H, CHO, COOH, CN, Cl, Br, F и др.).
М-эффект – дальнодействующий, незатухающий, только в сопряженной системе.
+М-эффект, у групп с гетероатомом, имеющим пары р-электронов (OH, OR, NH2, Cl, Br, F и др.); -М-эффект, у групп с атомом, не имеющим пары р-электронов, но соединенным с электроотрицательными атомами (NO2, SO3H, CHO, COOH, CN и др.).

КИСЛОТНОСТЬ – ОСНОВНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Кислота (по Брёнстеду) – химическое соединение, отщепляющее протон:
R-A-H R-Ä- + H+
Кислотность количественно определяется константой кислотности (Ка) и показателем кислотности (рКа = -lgКа). Чем выше Ка кислоты, тем она сильнее.
Основание (по Брёнстеду) – химическое соединение, присоединяющее протон:
R-B: + H+ R-B+-H
Основность количественно определяется константой основности (Кb) и показателем основности (рКb= -lgКb). Чем выше Кb основания, тем оно сильнее.

ПРОТОЛИТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СОПРЯЖЕННЫХ КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ БРЁНСТЕДА – ЛОУРИ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Если в системе имеется кислота, то имеется и основание.
2. Взаимодействие кислоты R1AH с основанием R2B приводит к образованию сопряженного основания R1A- и сопряженной кислоты R2BH+ соответственно.
R1-A-H + R2-B: R1-Ä- + R2-B+-H
3. Чем сильнее кислота R1AH, тем слабее сопряженное с ней основание R1-Ä-, и наоборот. То же касается и основания R2B и его сопряженной кислоты R2BH+.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КИСЛОТНОСТЬ И ОСНОВНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ
Кислота R-A-H R-Ä- + H+
Основание R-B: + H+ R-B+ - H
1. Природа кислотного (A-H) и основного (B) центров
По кислотности: A-H = SH > ОН > NH > CH (sp3)
(RSH > RОН > RNH2 > RCH3)
По основности: B: = N > O > S > C (sp3)
(RNH2 > RОН > RSH > RCH3).
2. Наличие заряда на кислотном и основном центрах
Положительный заряд усиливает кислотность и ослабляет основность.
Отрицательный заряд ослабляет кислотность и усиливает основность:
Кислотность RAH2+ > RAH > RA:-
Основность RB:- > RB: > RB+H

Кислота R-A-H R-Ä- + H+
Основание R-B: + H+ R-B+-H
3. Природа заместителя R
Электроноакцепторные заместители увеличивают кислотность RAH и уменьшают основность RB. Электронодонорные R уменьшают кислотность RAH и увеличивают основность RB.
Влияние заместителей аддитивно и осуществляется их электронными эффектами.
Кислотность карбоновых кислот в гомологическом ряду уменьшается.
4. Наличие или отсутствие сопряжения R с кислотым и основным центрах
Наличие сопряжения усиливает кислотность и ослабляет основность.
По кислотности: фенол > вода > циклогексанол
По основности: циклогексиламин > аммиак > анилин
5. Прочие факторы
(природа растворителя, температура, давление).