Теории строения органических соединений - TGU
реклама
Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина» Кафедра органической и биологической химии КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсу «Б И О О Р Г А Н И Ч Е С К А Я Х И М И Я» для специальности 060101 «Лечебное дело» Тамбов 2010 г. СОДЕРЖАНИЕ Тема 1. Введение. Основы современной теории строения органических соединений . . . . . . . . . 3 Тема 2. Химическая связь и взаимовлияние атомов в органических соединениях 7 Тема 3. Химическое строение и изомерия органических соединений . . 11 Тема 4. Общая характеристика реакций органических соединений . . 15 Тема 5. Радикальные и электрофильные реакции органических соединений . 20 Тема 6. Конкурирующие реакции нуклеофильного замещения и элиминирования у насыщенного атома углерода . . . . 25 Тема 7. Нуклеофильные реакции в ряду карбонильных соединений . . 27 Тема 8. Окислительно-восстановительные реакции органических соединений ……....30 Тема 9. Поли- и гетерофункциональные соединения, участвующие в процессах жизнедеятельности . . . . . . . . 32 Тема 10. Биологически важные гетероциклические соединения . . . 41 Тема 11. Аминокислоты, пептиды, белки . . . . . 47 Тема 12. Углеводы: моно, ди- и полисахариды . . . . . 53 Тема 13. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты . . . . . 62 Тема 14. Липиды и низкомолекулярные биорегуляторы . . . 66 2 ТЕМА 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Введение Биоорганическая химия изучает строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, в непосредственной связи с познанием их биологических функций. Биологические функции органических веществ изучаются главным образом в курсах биологической химии и физиологии. Биоорганическая химия как учебная дисциплина основное внимание уделяет вопросам строения и реакционной способности биологически значимых соединений. Как самостоятельная наука биоорганическая химия возникла во второй половине XX века. Основными объектами ее изучения служат биологические полимеры (биополимеры) и биорегуляторы. Биополимеры – высокомолекулярные природные соединения, являющиеся структурной основой всех живых организмов и играющие определенную роль в процессах жизнедеятельности. К биополимерам относят пептиды и белки, полисахариды (углеводы), нуклеиновые кислоты. В эту группу включают и липиды, которые сами по себе не являются высокомолекулярными соединениями, но в организме обычно связаны с другими биополимерами. Биорегуляторы – соединения, которые химически регулируют обмен веществ. К ним относят витамины, гормоны, многие синтетические биологически активные соединения, в том числе лекарственные вещества. Биоорганическая химия неразрывно связана с органической химией, базируется на её идеях и методах, т.к. большинство компонентов живой материи представлено органическими соединениями. Они могут синтезироваться в организме, поступать извне или модифицироваться в нем. Живой организм является «химическим производством», в каждой клетке его непрерывно протекают тысячи различных химических реакций, обеспечивающих существование и развитие организма. Совокупность химических реакций, протекающих в организме, называют обменом веществ, или метаболизмом. Вещества, образующиеся в клетках, тканях и органах растений и животных в процессе метаболизма, называют метаболитами. Метаболизм включает два направления – катаболизм и анаболизм. К катаболизму относят реакции распада веществ, попадающих в организм с пищей. Как правило, они сопровождаются окислением органических соединений и протекают с выделением энергии. Анаболизм представляет собой синтез сложных молекул из более простых, в результате которого осуществляется образование и обновление структурных элементов живого организма. Метаболические процессы протекают с участием ферментов, т. е. специфических белков, которые находятся в клетках организма и играют роль катализаторов биохимических процессов (биокатализаторы). Метаболиты – естественные, присущие организму вещества. С другой стороны, существуют соединения, называемые антиметаболитами, т. е. являющиеся антагонистами естественных метаболитов. К ним относятся природные или синтетические биологически активные соединения, близкие по строению к метаболитам и вступающие с ними в конкуренцию в биохимических процессах. Антиметаболиты (в силу своего структурного сходства) способны вступать вместо метаболитов в биохимические реакции, которые с их участием будут заканчиваться иным результатом, чем с участием метаболитов. Теории строения органических соединений Первой возникла в начале XIX в. теория радикалов (Ж. Гей-Люссак, Ф. Велер, Ю. Либих). Радикалами были названы группы атомов, переходящие без изменения при химических реакциях из одного соединения в другое. Такое понятие о радикалах сохранилось, но большинство других положений теории радикалов оказались неправильными. Согласно теории типов (Ш. Жерар) все органические вещества можно разделить на типы, соответствующие определенным неорганическим веществам. Например, спирты R-OH и простые эфиры R-O-R рассматривались как представители типа воды H-OH, в которой атомы водорода 3 замещены радикалами. Теория типов создала классификацию органических веществ, некоторые принципы которой применяются в настоящее время. Современная теория строения органических соединений создана выдающимся русским учёным А.М. Бутлеровым. Основные положения теории строения органических соединений А.М. Бутлерова 1. Атомы в молекуле располагаются в определенной последовательности согласно их валентности. Валентность атома углерода в органических соединениях равна четырем. 2. Свойства веществ зависят не только от того, какие атомы и в каких количествах входят в состав молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой. 3. Атомы или группы атомов, входящих в состав молекулы, взаимно влияют друг на друга, от чего зависят химическая активность и реакционная способность молекул. 4. Изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение. Взаимное влияние соседних атомов в молекулах является важнейшим свойством органических соединений. Это влияние передается или по цепи простых связей или по цепи сопряженных (чередующихся) простых и двойных связей. Классификация органических соединений основана на анализе двух аспектов строения молекул – строения углеродного скелета и наличия функциональных групп. Органические соединения Углеводороды Гетероциклические соединения Предельные Алифатические Предельные (Алканы) СпН2п+2 Алкены СпН2п Непредельные Ароматические Карбоциклические Непредельные Предельные (Циклоалканы) СпН2п Полиены и полиины Непредельные Ароматические (Арены) СпН2п-6 Алкины СпН2п-2 Рис. 1. Классификация органических соединений по строению углеродного скелета Классы производных углеводородов по наличию функциональных групп: - галогенопроизводные R–Гал: СН3СН2Cl (хлорэтан), С6Н5Br (бромбензол); - спирты и фенолы R–ОН: СН3СН2ОН (этанол), С6Н5ОН (фенол); - тиолы R–SH: СН3СН2SН (этантиол), С6Н5SН (тиофенол); - эфиры простые R–О–R: СН3СН2–О–СН2СН3 (диэтиловый эфир), сложные R–СО–О–R: СН3СН2СООСН2СН3 (этиловый эфир уксусной кислоты); О О - карбонильные соединения: альдегиды R–СНО: (бензальдегид), СН3С –Н(этаналь), С6Н5С –Н кетоны R–СО–R: СН3СОСН3 (пропанон), С6Н5СОСН3 (метилфенилкетон); О О - карбоновые кислоты R-СООН: СН3С–ОН (уксусная кислота), С6Н5С–ОН (бензойная кислота) - сульфокислоты R–SО3Н: СН3SО3Н (метансульфокислота), С6Н5SО3Н (бензолсульфокислота) - амины R–NH2: СН3СН2NH2 (этиламин), СН3NHСН3 (диметиламин), С6Н5NH2 (анилин); - нитросоединения R–NO2 СН3СН2NО2 (нитроэтан), С6Н5NО2 (нитробензол); - металлорганические (элементорганические) соединения: СН3СН2Nа (этилнатрий). 4 Ряд сходных по строению соединений, обладающих близкими химическими свойствами, в котором отдельные члены ряда отличаются друг от друга лишь количеством групп -СН2-, называется гомологическим рядом, а группа -СН2- гомологической разностью. У членов гомологического ряда подавляющее большинство реакций протекает одинаково (исключение составляют только первые члены рядов). Следовательно, зная химические реакции лишь одного члена ряда, можно с большой степенью вероятности утверждать, что такого же типа превращения протекают и с остальными членами гомологического ряда. Для любого гомологического ряда может быть выведена общая формула, отражающая соотношение между атомами углерода и водорода у членов этого ряда; такая формула называется общей формулой гомологического ряда. Так, СпН2п+2 – формула алканов, СпН2п+1ОН – алифатических одноатомных спиртов. Номенклатура органических соединений: тривиальная, рациональная и систематическая номенклатура. Тривиальная номенклатура представляет собой совокупность исторически сложившихся названий. Так, по названию сразу понятно, откуда были выделены яблочная, янтарная или лимонная кислота, каким способом была получена пировиноградная кислота (пиролиз виноградной кислоты), знатоки греческого языка легко догадаются, что уксусная кислота – это что-то кислое, а глицерин – сладкое. По мере синтеза новых органических соединений и развития теории их строения создавались другие номенклатуры, отражающие строение соединения (его принадлежность к определённому классу). Рациональная номенклатура строит название соединения на основании структуры более простого соединения (первого члена гомологического ряда). СН3ОН – карбинол, СН3СН2ОН – метилкарбинол, СН3СН(ОН)СН3 – диметилкарбинол и т.д. Номенклатура ИЮПАК (систематическая номенклатура). По номенклатуре ИЮПАК (международный союз по теоретической и прикладной химии), названия углеводородов и их функциональных производных базируются на названии соответствующего углеводорода с добавлением префиксов и суффиксов, присущих данному гомологическому ряду. Чтобы правильно (и однозначно) назвать органическое соединение по систематической номенклатуре, надо: 1) выбрать в качестве основного углеродного скелета наиболее длинную последовательность углеродных атомов (родоначальную структуру) и дать её название, обращая внимание на степень ненасыщенности соединения; 2) выявить все имеющиеся в соединении функциональные группы; 3) установить, какая группа является старшей (см. таблицу), название этой группы отражается в названии соединения в виде суфикса и его ставят в конце названия соединения; все остальные группы дают в названии в виде приставок; 4) пронумеровать углеродные атомы основной цепи, придавая старшей группе наименьший из номеров; 5) перечислить приставки в алфавитном порядке (при этом умножающие приставки ди-, три-, тетра- и т.д. не учитываются); 6) составить полное название соединения. Класс соединений Карбоновые кислоты Сульфокислоты Нитрилы Альдегиды Кетоны Спирты Тиолы Амины Алкены Алкины Галогенопроизводные Формула функциональной группы СООН – SO3H –CN СНО -С=О ОН – SH NН2 -С=СС≡≡С Br, I, F, Cl Нитросоединения NO2 Префикс КарбоксиCульфоЦианОксоОксоГидроксиМеркаптоАмино Бром-, иод-, фтор-, хлорНитро- Суффикс или окончание -овая кислота Сульфоновая кислота - нитрил -аль -он -ол -тиол -амин -ен -ин бромид, -иодид, фторид, -хлорид При этом необходимо помнить: 5 - в названиях спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, амидов, нитрилов, галогенангидридов суффикс, определяющий класс, следует за суффиксом степени ненасыщенности: например, 2-бутеналь; - соединения, содержащие другие функциональные группы, называются как производные углеводородов. Названия этих функциональных групп ставятся в качестве приставок перед названием родоначального углеводорода: например, 1-хлорпропан. Названия кислотных функциональных групп, таких, как группа сульфокислоты или фосфиновой кислоты, помещают после названия углеводородного скелета: например, бензолсульфокислота. Производные альдегидов и кетонов часто называют по имени исходного карбонильного соединения. Эфиры карбоновых кислот называются как производные родоначальных кислот. Окончание –овая кислота заменяется на –оат: например, метилпропионат – метиловый эфир пропановой кислоты. Для того чтобы обозначить, что заместитель связан с атомом азота родоначальной структуры, используют прописную букву N перед названием заместителя: N-метиланилин. Т.е. начинать надо с названия родоначальной структуры, для чего абсолютно необходимо знать наизусть названия первых 10 членов гомологического ряда алканов (метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан). Также надо знать названия образующихся из них радикалов – при этом окончание –ан меняется на –ил. Рассмотрим соединение, входящее в состав препаратов, применяемых для лечения заболеваний глаз: СН3 – С(СН3) = СН – СН2 – СН2 – С(СН3) = СН – СНО Основная родоначальная структура – цепь из 8 атомов углерода, включающая альдегидную группу и обе двойные связи. Восемь атомов углерода – октан. Но есть 2 двойные связи – между вторым и третьим атомами и между шестым и седьмым. Одна двойная связь – окончание –ан надо заместить на –ен, двойных связей 2, значит на –диен, т.е. октадиен, а в начале указываем их положение, называя атомы с меньшими номерами – 2,6-октадиен. С родоначальной структурой и непредельностью разобрались. Но в соединении есть альдегидная группа, это не углеводород, а альдегид, поэтому добавляем суффикс –аль, без номера, он всегда первый – 2,6-октадиеналь. Ещё 2 заместителя – метильные радикалы у 3-го и 7-го атомов. Значит, в итоге получим: 3,7диметил - 2,6-октадиеналь. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Выберите наиболее правильную и полную формулировку биоорганической химии: а) раздел общей химии, посвященный изучению строения, способов синтеза и химических превращений углеводородов и их производных; б) раздел общей химии, посвященный изучению строения, способов синтеза и химических превращений углеводов, белков и аминокислот; в) раздел общей химии, посвященный изучению строения, способов синтеза и химических превращений соединений углерода; г) раздел общей химии, посвященный изучению строения, способов синтеза и химических превращений природных соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности, в непосредственной связи с познанием их биологических функций. 2. Выберите те признаки, которые лежат в основе классификации органических соединений: а) количество атомов углерода в молекуле; б) строение углеродной цепи; в) присутствие функциональных групп; г) количество атомов водорода в молекуле. 3. Напишите структурную формулу коричной (3-фенилпропеновой) кислоты. 4. Лейцин, входящий в состав белков, имеет строение CН3СН(СН3)CH2СН(NН2)СООН. Укажите его название по заместительной (международной) номенклатуре: а) 2-метил-4-аминопентановая кислота, б) 4-амино-2- метилпентановая кислота, в) 2-амино4-метилпентановая кислота, г) -амино--метилвалериановая кислота. 6 ТЕМА 2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И ВЗАИМОВЛИЯНИЕ АТОМОВ В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ. Электронное строение атома углерода. Гибридизация. Для валентного электронного слоя атома С, находящегося вглавной подгруппе четвёртой группы второго периода Периодической таблицы Д. И. Менделеева главное квантовое число n = 2, побочное (орбитальное) квантовое число l = 0 (s-орбиталь) и 1 (р-орбиталь); магнитное квантовое число m = 0 (при l = 0) и –1, 0, 1 (при l = 1). Для того, чтобы привести в соответствие электронную формулу атома С и его валентность, допускают возбуждение внешнего электронного слоя атома углерода. Тогда в атоме С 1s-орбиталь и 3р-орбитали. При перекрывании атомных орбиталей (АО) атомов С и Н три связи С–Н будут одинаковыми, а 4-я должна отличаться по прочности (связь по s- орбитали должна быть менее прочной из-за меньшего перекрывания орбиталей). В действительности это не так. Несоответствие исключается предположением о гибридизации различающихся по форме и энергии АО с появлением гибридных АО. В результате валентные электроны оказываются не на чистых s- и р- орбиталях, а на одинаковых гибридных. Для алканов характерна sр3- гибридизация (участвуют все 4 АО внешнего электронного уровня). В непредельных соединениях одна или две негибридизованные р-орбитали участвуют в образовании -связей, при этом тип гибридизации атома углерода – sр2 для алкенов и sр для алкинов. Гибридные орбитали алканов располагаются в пространстве симметрично и направлены к вершинам тетраэдра. Связь С–Н образуется перекрыванием s-орбитали атома Н и гибридизованной орбитали атома С, связь С–С образуется за счет перекрывания 2-х гибридизованных орбиталей (направление связи – по оси между атомами). Это - связь. Свойства -связи: - относительная химическая инертность вследствие высокой прочности; - максимум электронной плотности расположен симметрично относительно оси, соединяющей атомы, поэтому возможно свободное вращение вдоль этой оси без изменения перекрывания орбиталей (конформеры); - длина связи 0,154 нм; угол между направлениями орбиталей 109,5; - электроотрицательность атома С в sр3-гибридном состоянии = 2,51; Атом углерода, связанный двойной связью с другим атомом углерода, находится в состоянии sр2-гибридизации. (участвуют 3 АО внешнего электронного уровня). Гибридные орбитали располагаются в пространстве симметрично в одной плоскости, содержащей ядра С. Оставшаяся негибридизированная р-АО ориентирована перпендикулярно этой плоскости. Связь С–Н образуется перекрыванием s-орбитали атома Н и гибридизованной орбитали атома С. Связь С–С образуется за счет перекрывания 2-х гибридизованных орбиталей (направление – по оси между атомами, в плоскости молекулы). Это -связь. Две негибридизованные р-АО перекрываются выше и ниже плоскости молекулы – образуется -связь. Отличие двойной связи от одинарной: - расстояние между атомами углерода при двойной связи меньше, чем при одинарной (0,134 нм); угол между гибридными АО 120; - электроотрицательность гибридизованного атома С = 2,69; - затрудненное вращение вокруг линии, соединяющей атомы С; - двойная связь более прочна, т.к. увеличивается электронная плотность на связывающих МО между атомами углерода (термическая стойкость этилена выше, чем этана); - высокая реакционная способность -связи, что объясняется большей подвижностью электронов вне плоскости молекулы; - повышенная электронная плотность по сравнению с одинарной связью, причем на периферии молекулы. Это приводит к тому, что к двойной связи притягиваются положительно заряженные ионы или полярные молекулы своим положительным полюсом. Связи С–Н в ацетилене относятся к числу -связей, образованных путем перекрывания sорбитали водорода с гибридизованной sp-орбиталью углерода; в молекуле имеется одна углеродуглеродная -связь (образованная перекрыванием двух гибридизованных sp-орбиталей углерода) 7 и две углерод-углеродные -связи (результат перекрывания двух взаимно перпендикулярных пар негибридизованных р-орбиталей (ру и рz)атомов углерода). Свойства тройной связи: - атомы углерода, связанные тройной связью, имеют электроотрицательность = 2,75; - длина СС-связи = 0,120 нм; - валентные углы в ацетилене на основании этой модели равны 180° и молекула имеет линейную конфигурацию, что делает невозможной цис-транс-изомерию при тройной связи; - связь сильно поляризована, т.к. в sр- гибридной форме углеродный атом сильнее удерживает электроны, чем в sр2 и sр3 – гибридных формах; следовательно; электронная пара СН-связи в молекуле ацетилена ближе к ядру С, чем в случае этилена, атом Н более подвижен, обладает слабыми кислотными свойствами (в отличие от алканов и алкенов). Сопряженные системы Различают два типа сопряженных систем (и сопряжений). 1. , -сопряжение — электроны делокализованы между двумя (и более) кратными связями. Например, в делокализации электронов в молекуле бутадиена участвуют четыре атома углерода: СН2=СН–СН=СН2 СН2–СН–СН–СН2 В молекуле бензола делокализация происходит с участием 6 атомов углерода (три двойные связи, каждую образует 2 электрона, по одному от каждого атома): Кроме того, при осуществлении «кругового» сопряжения, как в бензоле, система получает дополнительный существенный выигрыш энергии, называемый энергией сопряжения. Например, энергия сопряжения молекулы бензола равна 15 кДж/моль. 2. р, -сопряжение — в делокализации принимают участие электроны -связи и р-орбитали гетероатома; например, в молекулах ацетамида и пиррола: В случае молекулы ацетамида в делокализации участвуют три атома (С, О, N); в случае молекулы пиррола — пять атомов (4 атома С и атом N). Чем длиннее система сопряжения, тем более она устойчива. Ароматическая система представляет собой устойчивую плоскую циклическую сопряженную полиеновую структуру, содержащую (4п + 2) -электронов (п = 1, 2, 3, ...). Например, бензол – ароматическая структура (6 -электронов), а 1,3,5,7-циклооктатетраен – нет (8 электронов). Делокализация электронов является одним из важных факторов повышения устойчивости молекул и ионов, поэтому это явление широко распространено в биологически важных молекулах (витамины, гем, хлорофилл, гемоглобин и др.). Витамин А относится к сесквитерпенам (терпены – 10 углеродов и 3 дв. связи), содержится в масле, молоке, яичном желтке, рыбьем жире; свиное сало и маргарин его не содержат. Это витамин роста; недостаток его в пище вызывает убыль в весе, высыхание роговицы глаз, понижение сопротивляемости к инфекции. Витамин А заменяют каротином (тритерпен) С40Н56, (пигмент моркови); в организме человека каротин превращается в витамин А. Н3С Н3С СН3 СН3 СН3 СН=СН–С=СН–СН=СН–С=СН–СН=СН–СН=С–СН=СН–СН=С–СН=СН– СН3 СН3 СН3 -каротин Н3С СН3 Н3С СН3 СН3 СН3 СН=СН–С=СН–СН=СН–С=СН–СН2 – ОН СН3 витамин А 8 В молекуле хлорофилла также присутствует развитая система сопряжённых связей – 4 остатка пиррола, образующих вместе порфириновое ядро, связанное с атомом магния. Хлорофилл — сложный эфир двухосновной кислоты и спиртов — метанола и фитола С20Н39ОН. По строению он близок к дыхательным ферментам (каталазе, пероксидазе) и к красящему веществу крови — гему. Типы атомов углерода. Атомы, соединенные с одним углеродным атомом называются первичными, соответственно называются первичными и три атома водорода у первичного углеродного атома. Атом углерода, соединенный с двумя атомами углерода называется вторичным, а два атома водорода у него называются вторичными атомами водорода. Атом, соединенный с тремя другими атомами С, называется третичным, как и единственный атом водорода при нем; а атом углерода, связанный с четырьмя атомами С – четвертичным. Электронные эффекты (индуктивный и мезомерный) Поляризация молекулы обусловлена различным влиянием атомов, входящих в состав молекулы. Атомы с большой электроотрицательностью притягивают к себе электроны -связей. Такой вид поляризации (сдвиг электронной плотности -связи под действием разности в электроотрицательности связанных атомов) называется индуктивным эффектом (обозначается заглавной латинской буквой I и прямой стрелкой ()). Если в связи СХ электронная плотность сдвинута в сторону заместителя Х по сравнению со связью СН, то такое влияние заместителя называют отрицательным индуктивным эффектом (I). Если же смещение происходит в сторону атома С по сравнению со связью СН, то такое действие заместителя называют положительным индуктивным эффектом (+I). При передаче по цепи индуктивный эффект затухает. Н Н +2 Н С С+1 Сl +2 < +1 Н Н +I- Эффектом характеризуются алкильные радикалы, -I эффектом– атомы галогенов, функциональные группы, содержащие кислород, азот, серу, кратные связи, а также группы, несущие положительный заряд. Если в молекуле имеются системы сопряженных простых и кратных связей или атомы с неподеленными электронными парами, включенными в систему сопряжения, они могут участвовать в образовании общего -электронного облака. Участие групп в сопряжении и влияние их на состояние -электронного облака молекулы называют мезомерным эффектом (сдвиг электронной плотности сопряжённых -связей) , или эффектом сопряжения (обычно обозначается заглавной буквой М; реже – заглавной буквой С). Для его обозначения используется изогнутая стрелка. У атомов азота, кислорода, фтора внешняя электронная оболочка заполнена, и они способны смещать pэлектроны неподеленной электронной пары в сторону бензольного ядра или ненасыщенного углеродного атома: СН3 О СН = СН2 Если в систему сопряжения входит кратная связь между разнородными атомами, то общее электронное облако смещается в сторону более электроотрицательного атома: O СН2 = СНC+ Н Положительный мезомерный эффект проявляют группы: –ОН; –OR; –NH2; NR2; –SH; галогены (смещение электронной плотности от гетероатома); отрицательный: группы NO2, CN, СООН, SО3Н (смещение электронной плотности к гетероатому функциональной группы). Наличие индуктивного и мезомерного эффектов приводит к перераспределению электронной плотности в молекуле. В результате на одних атомах концентрируется частичный отрицательный, а на других – частичный положительный заряды. В свою очередь, это перераспределение зарядов определяет реакционную способность соединений, их кислотно-основные свойства, дипольный 9 момент молекул, силу межмолекулярных связей (а значит и такие свойства как темперутуры кипения и плавления, растворимость). КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Выберите углеводород, в молекулах которого орбитали всех атомов углерода находятся в состоянии sр3- гибридизации: а) пропен; б) 1-бром-2-бутен; в) 2,2-диметилпропан; г) пропин. 2. Определите тип гибридизации каждого атома углерода в коричной кислоте. 3. Напишите структурную формулу ментола (2-изопропил-5-метил-циклогексанол). Определите тип гибридизации каждого атома углерода в ментоле. 4. Сопряжённые системы – это соединения, содержащие: а) две или несколько кратных связей, отделённых друг от друга одной простой связью; б) две или несколько простых связей, отделённых друг от друга одной кратной связью; в) только кратные связи; г) только простые связи. 5. К какому типу диенов относится 1,3-бутадиен: а) сопряженные; б) кумулированные; в) изолированные? 6. Назовите приведённые ниже соединения. Какие из них являются ароматическими, а какие – нет и почему? а) б) –СН3 в) –СН3 г) Сформулируйте признаки ароматичности соединений. 9. Выберите и назовите соединения, в которых гидроксильная группа является электронодонорным заместителем: а) СН3СН2СН2ОН, б) ОН– –NO2, в) НОСН2СН2СН2ОН, г) НОСН2СН2СООН. 10. Какой электронный эффект (эффекты) проявляет гидроксильная группа в глицерине: а) положительный индуктивный, б) отрицательный индуктивный, в) положительный мезомерный, г) отрицательный мезомерный? 11. Укажите электронные эффекты (эффект) аминогруппы в анилине: 1) положительный мезомерный; 2) отрицательный мезомерный; 3) положительный индуктивный; 4) отрицательный индуктивный; 5) нет эффектов. 10 ТЕМА 3. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ИЗОМЕРИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Изомерия органических соединений. Если два или больше индивидуальных веществ имеют одинаковый количественный состав (молекулярную формулу), но отличаются друг от друга последовательностью связывания атомов или расположением их в пространстве, то в общем случае они называются изомерами. Раз строение этих соединений разное, то и химические или физические свойства изомеров отличаются. Типы изомерии: структурная (изомеры строения) и стереоизомерия (пространственная). Структурная изомерия может быть трёх видов: - изомерия углеродного скелета (изомеры цепи): бутан и 2-метилпропан; - изомеры положения функциональных групп (или кратных связей): 1-бутанол и 2-бутанол; - изомеры функциональной группы (межклассовая): 1-бутанол и диэтиловый эфир. Стереоизомерия подразделяется на конформационную и конфигурационную Конформации молекулы представляют собой различные её геометрические формы, возникающие в результате вращения вокруг простых -связей. Конфигурация – это порядок расположения атомов в пространстве без учёта различий, возникающих вследствие вращения вокруг простых -связей. Конформации органических молекул Поворот вокруг -связи С–С совершается сравнительно легко, углеводородная цепь может принимать разные формы. Конформационные формы легко переходят друг в друга и поэтому не являются различными соединениями – это разные неустойчивые динамические формы одной и той же молекулы. Разность энергий между конформерами имеет тот же порядок, что и энергия теплового движения (несколько кДж/моль). Поэтому при обычных температурах нельзя выделить отдельные конформеры. Заслоненная и заторможенная конфигурации (выгоднее заторможенная, дальше расстояние между атомами водорода). Молекулы алканов представляют собой смеси конформеров. Энергетически эти формы очень мало отличаются друг от друга и в результате теплового движения испытывают непрерывные конформационные превращения. Н С2Н5 Н Н С2Н5 Н Н Н3 С Н Н3 С Н Н а) б) в) Рис. 2. а) конформеры пентана б) проекционные формулы Ньюмена Если же молекулы достаточно длинны, то они скручиваются (спутываются в клубки). Проекционные формулы Ньюмена. Для изображения конформаций используют проекционные формулы Ньюмена, получающиеся при проецировании на плоскость молекулы С–С- связи. В качестве примера показаны конформации пентана относительно связи С2–С3. Ближайший к наблюдателю атом углерода (С2) обозначают точкой в центре круга; круг при этом символизирует удаленный атом углерода (С3). Три связи от атома изображают в виде линий, расходящихся из центра круга — для ближнего атома (С2) или «высовывающихся» из-за круга — для удаленного атома (С3).Если атомы и группы, связанные с рассматриваемыми атомами углерода как бы заслоняют друг друга, конформация так и называется заслонённой (рис. 2. б), при повороте одного из атомов относительно другого на 60 получаем энергетически более выгодную заторможенную конформацию (рис. 2. в). Конформации циклических соединений. Ц и к л о п е н т а н . У пятичленного цикла в плоской форме валентные углы равны 108°, что близко к нормальному значению для sр3-гибридного атома. Поэтому в плоском циклопентане, в отличие от циклопропана и циклобутана (углы 60 и 90 0 соответственно) угловое напряжение практически отсутствует, но проявляется торсионное напряжение, которое снижается за счет перехода цикла в неплоскую конформацию конверта (рис. 3.). 11 Н2С Н2 С H CH2 1080 H CH2 CH2 H H H H H H H H Рис. 3. Конформации циклопентана В этой конформаций один из атомов углерода выходит из плоскости, в которой расположены остальные четыре атома. Выходящим из плоскости может оказаться любой из пяти атомов и цикл поэтому как бы находится в постоянном волнообразном движении. Ц и к л о г е к с а н. Шестичленный цикл не может быть плоским из-за наличия сильных углового и торсионного напряжений: в плоском цикле внутренние валентные углы были бы равны 120°, а все атомы водорода находились бы в заслоненном положении. У циклогексана возникают менее напряженные неплоские конформаций за счет частичного поворота вокруг -связей, среди которых более устойчивыми являются конформаций кресла и ванны (рис. 4). Конформации кресла обозначаются С (от. англ, chair — кресло), а конформации ванны — В (от англ, bath — ванн а). Эти конформации свободны от углового напряжения, так как углы в них равны 109,5°. В кресловидной конформации циклогексана отсутствуют заслоненные положения атомов водорода и углерода: расположение атомов водорода у всех атомов углерода такое же, как в заторможенной конформации этана. Отсутствием углового и торсионного напряжений, а также Ван-дерВаальсова напряжения объясняется относительно наименьшая энергия и большая устойчивость конформации кресла. Шесть связей С – Н, параллельные оси симметрии кресловидной формы циклогексана, направленные попеременно вверх и вниз, называются аксиальными (символ а ) . Остальные шесть С – Н связей расположены под углом 109,5° к этой оси и также попеременно направлены вверх и вниз. Эти связи называются экваториальными (символ е). Таким образом, у каждого атома углерода одна связь с атомом водорода расположена аксиально и одна – экваториально. e a 5 a e 4 a e 3 кресло a 6 a 1 e e 2 a e a 4 e e e 3 a a 6 5 a e a 2 e кресло 1 e a ванна Рис. 4. Конформации циклогексана – кресло и ванна Взаимное превращение этих конформаций, а также переход конформации кресла в конформацию ванны происходит через гибкие формы, известные под названиями полукресла и «искаженной» ванны (твист-форма). При переходе от одной конформации к другой меняется потенциальная энергия системы. Максимум энергии соответствует конформации полукресла; минимальной энергией обладает конформация кресла. Конфигурационные изомеры Это стереоизомеры с различным расположением вокруг определенных атомов других атомов, радикалов или функциональных групп в пространстве относительно друг друга. Различают понятия диастереомерии и энантиомерии. Диастереомерами называются оптически активные изомеры. Свет представляет собой электромагнитные волны, в которых частицы колеблются во всех направлениях во взаимноперпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны. В плоскополяризованном свете колебания частиц лежат в одной и той же плоскости. Если луч проходит через прозрачное вещество, которое способно повернуть плоскость колебаний электрического поля на некоторый угол и придать им новое направление, то о таком веществе говорят, что оно обладает оптической активностью. Можно сформулировать 2 признака оптической активности органических соединений: наличие асимметрического атома углерода и отсутствие в молекуле элементов симметрии. 12 Асимметрический атом углерода — атом, связанный с четырьмя различными атомами или группами, обозначающийся звёздочкой: *С. Для различных молекул могут быть характерны оси или плоскости симметрии. Так, в молекуле трихлорметана (хлороформа) плоскость симметрии проходит через фрагмент Н–С–С1. Существуют, однако, молекулы, не обладающие плоскостью симметрии, которые оказываются несовместимыми со своим зеркальным изображением. Это свойство называется хиральностью, а сами молекулы – хиральными. Термин «хиральность» означает, что два предмета находятся в таком отношении друг к другу, как левая и правая руки (от греч. cheir — рука), т.е. представляют собой зеркальные изображения, не совпадающие при попытке совместить их в пространстве. В нашем окружении часто встречаются хиральные объекты: пара башмаков, пара перчаток и др. Наглядным примером несовместимости предмета и его зеркального изображения служит невозможность надеть на левую руку правую перчатку, соответствующую пространственному расположению правой руки. Хиральность в первую очередь понятие геометрическое, а не химическое. Оптически активные изомеры, являющиеся зеркальными отражениями друг друга, называются энантиомерами. Энантиомеры обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами, вращают плоскость поляризации плоскополяризованного света на один и тот же угол, но в противоположные стороны. Смесь, состоящая из равных мольных количеств энаантиомеров, называется рацемической смесью или рацематом. Рацемат оптически не активен. Называют оптические изомеры по R,S или D,L – номенклатурам. R,S- номенклатура описывает абсолютную конфигурацию изомеров, D,L номенклатура – относительную (относительно конфигурации глицеринового альдегида). В отличие от энантиомеров диастереомеры обладают заметным различием в физических и химических свойствах. Поэтому их можно отделить друг от друга с помощью обычных методов разделения органических веществ. Понятие диастереомерии охватывает широкий круг стереоизомеров. Среди них следует выделить две группы: -диастереомеры и -диастереомеры. -Диастереомеры. Многие биологически важные вещества содержат в молекуле более одного центра хиральности, в них заместители связаны с центром хиральности -связями. Такие диастереомеры называют диастереомерами. Например, D-рибоза, D-арабиноза, D-ксилоза и D-ликсоза — это диастереомеры, а D-ликсоза и L-ликсоза – энантиомеры. О С Н ОН ОН ОН СН2ОН D-рибоза Н Н Н О С Н Н ОН ОН СН2ОН D-арабиноза НО Н Н О С Н ОН Н ОН СН2ОН D-ксилоза Н НО Н О С Н Н Н ОН СН2ОН D-ликсоза НО НО Н О С Н ОН ОН Н СН2ОН L-ликсоза Н Н НО -Диастереомеры (геометрические или цис- транс- изомеры) К ним относят конфигурационные изомеры, содержащие -связь. Этот вид диастереомерии характерен, в частности, для алкенов. Относительно плоскости -связи одинаковые заместители у двух атомов углерода могут располагаться по одну (цис-) или по разные (транс-) стороны. Основная причина существования цис- и транс-изомеров заключается в невозможности вращения вокруг -связи без ее нарушения. Цис- и транс-изомеры имеют одинаковую последовательность связывания атомов, но отличаются друг от друга пространственным расположением заместителей и потому являются стереоизомерами. С другой стороны, их молекулы ахиральны (в них нет хиральных центров). Таким образом, цис- и транс-изомеры алкенов относительно друг друга являются диастереомерами и обладают разными свойствами. -Диастереомеры часто встречаются среди природных соединений, в частности для обеспечения остроты зрения особенно важен изомер ретинола (витамин А), в котором все 4 двойные связи находятся в транс-конфигурации. 13 КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Для аланина напишите и назовите все возможные структурные изомеры. Приведите формулу гомолога аланина, для которого возможна изомерия углеродной цепи. 2. Укажите изомеры по положению функциональной группы, назовите их: а) СН3-СН-СН3 и СН3-СН2-СН2ОН, б) СН3-СН2-СН2 и СН3-СН2-СН2Cl, ОН NH2 Cl в) СН3-СН2-СН2NH2 и СН3-СН2-СН2, г) СН3 – СН2 – СН = СН2 и СН3 – СН = СН – СН3, д) СН3 – СН2 – СН = СН2 и СН2 = СН – СН2 – СН3. 3. Конформационные изомеры – это: а) структурные изомеры, отличающиеся положением функциональной группы, б) стереоизомеры, отличающиеся поворотом частей молекул вокруг -связи, в) стереоизомеры с различным расположением атомов в пространстве, г) стереоизомеры, отличающиеся расположением частей молекулы вокруг двойной связи. 4. Приведите пример двух конформеров для любого соединения. Какая из конформаций энергетически более выгодна: 1) заслонённая; 2) ароматическая; 3) заторможенная; 4) расторможенная? 5. Укажите наиболее энергетически выгодную конформацию этандиола: а) ОН ОН Н Н Н Н б) Н ОН в) Н г) Н Н ОН ОН ОН Н Н ОН ОН Н Н Н Н Н Н 6. Выберите и назовите соединения, обладающие оптической активностью: а) СН3-СН(ОН)-СН2-СН3, б) СН3-СН(Br)-СН3, в) СН3-СН2-СН2ОН, г) НООС-СН(ОН)-СООН, д) НООС-СН(ОН)-СН2-СООН. 7. Пеницилламин (2-амино-3-меркапто-3-метилбутановая кислота) эффективен в лечении хронического артрита лишь в форме S-изомера. R-Изомер не имеет фармакологического эффекта и является токсичным. Изобразите соединения. Являются ли они энантиомерами? 8. Выберите правильное и полное название конфигурации энантиомера молочной кислоты. СООН а) S-2-гидроксипропановая кислота (абсолютная конфигурация); С НО Н СН3 б) R-2-гидроксипропановая кислота (абсолютная конфигурация); в) D-2-гидроксипропановая кислота (относительная конфигурация); г) L-2-гидроксипропановая кислота (относительная конфигурация); д) S-2-гидроксипропановая кислота (относительная конфигурация); е) R -2-гидроксипропановая кислота (относительная конфигурация); ж) L-2-гидроксипропановая кислота (абсолютная конфигурация); з) D -2-гидроксипропановая кислота (абсолютная конфигурация). 9. Соединения транс-2-бутен и цис-2-бутен представляют собой: а) гомологи; б) структурные изомеры; в) геометрические изомеры; г) изомеры положения кратной связи? Различаются ли физические свойства цис- и транс-изомеров? 10. На рисунке представлена формула фумаровой кислоты. Приведите структурную формулу малеиновой кислоты, являющейся -диастереомером фумаровой. СООН Н С=С НООС Н фумаровая кислота 14 ТЕМА 4. КИСЛОТНОСТЬ И ОСНОВНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАКЦИЙ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. Кислотность и основность органических соединений. Для оценки кислотности и основности органических соединений наибольшее значение имеют две теории – теория Бренстеда и теория Льюиса. По теории Льюиса кислотные и основные свойства соединений определяются их способностью принимать или отдавать пару электронов с образованием связи. В соответствии с принципом ЖМКО кислоты и основания Льюиса делятся на жесткие и мягкие. Кислотами Льюиса могут быть атомы, молекулы или катионы, обладающие вакантной орбиталью и способные принимать пару электронов с образованием ковалентной связи. Кислоты Льюиса – акцепторы пары электронов; основания Льюиса – доноры пары электронов. Основания Льюиса (атом, молекула или анион) должны обладать по крайней мере одной парой валентных электронов, которую они способны предоставить партнеру для образования ковалентной связи. Все основания Льюиса представляют собой нуклеофильные реагенты. По теории Бренстеда (протолитической теории) кислотность и основность соединений связывается с переносом протона Н+. Кислота и основание образуют сопряженную кислотноосновную пару, в которой чем сильнее кислота, тем слабее сопряженное ей основание, и напротив, чем сильнее основание, тем слабее сопряженная ему кислота. Кислоты Бренстеда (протонные кислоты) – нейтральные молекулы или ионы, способные отдавать протон (доноры протонов). Основания Бренстеда – нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протон (акцепторы протонов). Кислотность и основность являются не абсолютными, а относительными свойствами соединений: кислотные свойства обнаруживаются лишь в присутствии основания; основные свойства – только в присутствии кислоты. В качестве растворителя при изучении кислотно-основных равновесий обычно используется вода. В зависимости от природы элемента, с которым связан протон, различают ОН- кислоты (карбоновые кислоты, фенолы, спирты), SH-кислоты (тиолы), NН-кислоты (амины, амиды, имиды), СН-кислоты (углеводороды и их производные). Элемент и связанный с ним атом водорода называют кислотным центром. Во всех случаях присутствует сдвиг электронной плотности от атома водорода к более электроотрицательному атому, протону более или менее легко отщепиться. Чем выше электроотрицательность элемента, с которым связан протон, тем больше кислотность соединения (так, карбоновые кислоты являются более сильными кислотами, чем тиолы или амины). Наличие в молекуле электроноакцепторных групп, обладающих отрицательными электронными эффектами, увеличивает положительный заряд на протоне, что приводит к усилению кислотных свойств. Для образования ковалентной связи с протоном основания Бренстеда должны предоставлять либо неподелениую пару электронов, либо электроны -связи. В соответствии с этим основания Бренстеда делятся на п-основания и -основания. n-основания могут быть нейтральными или отрицательно заряженными. Как правило, анионы обладают более сильно выраженным основным характером, чем нейтральные вещества. То есть амид-ион NН2– или гидроксид-ион НО– по основности превосходят аммиак NН3 и воду Н2О. В -основаниях, к которым относятся алкены, алкадиены, арены, центром основности, т.е. местом присоединения протона, являются электроны -связи. Это очень слабые основания, так как протонируемые электронные пары несвободны. Наличие электронодонорных заместителей увеличивает основность органических соединений. Значения рН некоторых жидких систем организма. Нормальное функционирование живых организмов возможно только в условиях определенного постоянства рН и других параметров их внутренней среды. Это постоянство поддерживается соответствующими буферными системами. 15 Общая характеристика реакций органических соединений Большинство органических реакций включает несколько последовательных (элементарных) стадий. Детальное описание совокупности этих стадий называется механизмом. Механизм реакции — гипотеза, предлагаемая для объяснения экспериментальных данных. Он может уточняться и даже меняться с появлением новых фактов и углублением знаний. Общая скорость сложной химической реакции определяется (лимитируется) скоростью ее наиболее медленной стадии, а скорость составляющих элементарных реакций — их энергией активации Еа. Последняя необходима для осуществления эффективного столкновения молекул, приводящего к взаимодействию. Ее можно определить также как энергию, необходимую для достижения системой переходного состояния, иначе называемого активированным комплексом, превращение которого в продукты реакции происходит уже самопроизвольно. Чем меньше величина энергии активации реакции, тем выше ее скорость. Использование катализатора существенно снижает скорость реакции за счёт понижения энергии активации из-за образования активированного промежуточного комплекса. В живых организмах роль высокоспецифичных катализаторов выполняют ферменты. Фермент карбоангидраза катализирует биохимические реакции гидратации альдегидов, сложных эфиров, а также диоксида углерода. Жизненная важность этого фермента определяется тем, что он регулирует кислотность крови, а посредством этого (конечно, наряду с другими факторами) – интенсивность дыхательного процесса. Конкретная реакция, которую катализирует карбоангидраза, представляет собой равновесное превращение воды и диоксида углерода в угольную кислоту. Н2О + СО2 ↔ Н2СО3 ↔ HCО3– + Н+ Именно эта реакция используется организмом для удаления из клеток углекислого газа, образовавшегося в них в результате жизнедеятельности. Некатализируемая гидратация СО 2 протекает слишком медленно, чтобы обеспечивать его эффективный транспорт от тканей к легким. Активность же карбоангидразы поражает воображение: одна молекула фермента катализирует каждую минуту гидратацию 3,6107 молекул диоксида углерода. Принципиальная схема работы карбоангидразы заключается в следующем. Карбоангидраза представляет собой белок, состоящий из фрагментов 260 аминокислот. Молекула воды теряет протон на активном участке фермента, который выступает как основание. При этом образуется сопряженное основание – гидроксид-ион, который присоединяется к молекуле диоксида углерода точно так же, как это происходит в реакциях гидроксид-иона с другими карбонильными соединениями. По существу, это присоединение представляет собой кислотно-основную реакцию Льюиса. Кислотность воды, однако, не столь высока, чтобы протон от нее легко было бы оторвать. Поэтому карбоангидраза нуждается в помощи. Эту помощь ей оказывает кофактор - один из микроэлементов, присутствующих в организме, а именно ион Zn2+. Как кислота Льюиса он координируется по атому кислорода молекулы воды и существенно облегчает тем самым отрыв протона активным участком карбоангидразы. На модельных реакциях было определено влияние иона цинка как кофактора. Этот ион увеличивает скорость реакции гидратации карбонильного соединения более чем в 6 млн. раз по сравнению с некатализируемой реакцией. Реакционная способность всегда должна рассматриваться только по отношению к реакционному партнеру. Само вещество при этом называют субстратом, а действующее на него соединение (реакционную частицу) – реагентом. Субстратом, как правило, называют то вещество, в котором у атома углерода происходит разрыв старой и образование новой связи. В биохимических процессах реагентами считают ферменты, а вещества, подвергающиеся их действию, субстратами. В ходе химического превращения обычно затрагивается не вся молекула, а только ее часть – реакционный центр. Типы реакций в органической химии Многообразие органических реакций приводит к целесообразности их классификации по следующим признакам: 1. По электронной природе реагентов (нуклеофильные, электрофильные, свободнорадикальные реакции). 16 Нуклеофильные реагенты – это одно- или многоатомные анионы или молекулы, имеющие центры с повышенной электронной плотностью. К ним относятся такие анионы и молекулы, как HO-, RO-, Cl-, Br-, RCOO-, CN-, R-, NH3, C2H5OH и т.д. Электрофильные реагенты – это катионы, простые или сложные молекулы, которые сами по себе или же в присутствии катализатора обладают повышенным сродством к электронной паре или отрицательно заряженным центрам молекул. К ним относятся катионы H+, Cl+, +NO2, +SO3H, R+ и молекулы со свободными орбиталями AlCl3, ZnCl2 и т.п. Свободные радикалы – это электронейтральные частицы, имеющие неспаренный электрон, например: Cl, NO2. 2. По изменению числа частиц в ходе реакции (замещение, присоединение, отщепление, разложение, ОВР и др.). В случае реакций замещения в молекуле один атом (или группа атомов) замещается другим атомом (или группой атомов), в результате чего образуются новые соединения: СН3–СН3 + С12 СН3–СН2С1 + НC1 При протекании реакций присоединения из двух (или нескольких) молекул образуется одно новое вещество: CH2 = CH2 + HBr → CH2Br–СH3 В результате реакции отщепления образуется новое органическое вещество, содержащее кратную связь: СН3–СН2С1 + NaOH(спиртовой р-р) СН2 = СН2 + NaC1 + Н2О Реакции разложения приводят к образованию из одного вещества двух или более веществ более простого строения: НСООН → СО2 + Н2 3. По частным признакам (гидратация и дегидратация, гидрирование и дегидрирование, нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование, алкилирование, карбоксилирование и декарбоксилирование, енолизация, замыкание и размыкание циклов, изомеризация, окислительная деструкция, пиролиз, полимеризация, конденсация и др.). 4. По механизмам элементарных стадий реакций (нуклеофильное замещение SN, электрофильное замещение SE, свободнорадикальное замещение SR, парное отщепление, или элиминирование Е, нуклеофильное или электрофильное присоединение AdE и AdN и т. д.). Рассмотрим несколько примеров. Пример 1. При действии на организм больших доз гидразина или его производных наблюдаются нервные расстройства. Какова химическая основа действия гидразина, если известно, что он реагирует с коферментом пиридоксальфосфатом? Решение. Пиридоксальфосфат — гетероциклическое соединение, содержащее в цикле наряду с другими заместителями альдегидную группу. Гидразин NH2–NH2 как нуклеофильный реагент взаимодействует с карбонильным атомом углерода. Поляризованная -связь карбонильной группы легко разрывается, и между карбонильным атомом углерода и атомом азота возникает ковалентная связь донорно-акцепторного типа за счет пары электронов атома азота молекулы гидразина. H + C CH2 HO H3C – О N NH2–NH2 HO OPO3H2 пиридоксальфосфат гидразин H3C O– H + CH–NH–NH2 CH2 OPO3H2 N диполярный ион HO H3C OН H CH–N–NH2 CH2 –H2О OPO3H2 N H C HO H3C N N–NH2 CH2 OPO3H2 гидразон пиридоксальфосфата Образующийся диполярный ион в результате перехода протона от положительно заряженного атома азота (кислотный центр) к аниону (основный центр) превращается в нейтральное соединение. В этом соединении у атома углерода содержатся одновременно две электроноакцепторные группы, поэтому оно неустойчиво и переходит в более стабильное состояние путем отщепления молекулы воды. Конечным продуктом описанной реакции присоединения-отщепления является гидразон пиридоксальфосфата. Образование гидразона приводит к блокированию альдегидной группы пиридоксальфосфата, что нарушает его взаимодействие как кофермента с аминогруппой глутаминовой кислоты. Эта реакция являет17 ся одним из этапов превращения в организме глутаминовой кислоты в -аминомасляную. Блокирование же кофермента гидразином приводит к недостатку -аминомасляной кислоты, тормозящей проведение нервных импульсов. Пример 2. В процессе метаболизма в живых организмах фумаровая кислота превращается в яблочную. Каким путем можно получить яблочную кислоту из фумаровой в условиях in vitro? Решение. Фумаровая кислота — ненасыщенная двухосновная кислота, которую можно рассматривать как замещенный алкен. Яблочная кислота принадлежит к насыщенным двухосновным гидроксикислотам. СООН Н НООС С=С Н2O Н НООС–СН–СН2–СООН Н , 150-200 С OН + фумаровая (трансбутендиовая) кислота яблочная (гидроксибутандиовая) кислота осуществляют путем присоединения воды по кратной Переход от фумаровой кислоты к яблочной связи, т. е. с помощью реакции гидратации. Гидратацию алкенов проводят в разбавленном водном растворе сильной кислоты, например серной. Кислота служит источником электрофильной частицы — протона Н+. Электронная плотность углерод-углеродной -связи в молекуле фумаровой кислоты уменьшена вследствие электроноакцепторного действия двух карбоксильных групп. Поэтому гидратацию фумаровой кислоты осуществляют в сравнительно жестких условиях (нагревание с разбавленным водным раствором кислоты при температуре 150-200 °С). Гидратация фумаровой кислоты протекает по обычному для алкенов механизму электрофильного присоединения АЕ. Протон взаимодействует с кратной связью в молекуле фумаровой кислоты. Образовавшийся карбокатион атакуется нуклеофильным реагентом – молекулой воды. Алкилоксониевый ион, являясь сильной кислотой, отщепляет протон (возврат катализатора). В результате образуется продукт реакции – яблочная кислота. Гидратация фумаровой кислоты in vitro приводит к образованию рацемата – смеси равных количеств двух энантиомеров яблочной кислоты. В организме эта реакция катализируется ферментом фумаразой, для которого характерна строгая пространственная специфичность, что ведет к образованию только L-яблочной кислоты. Это пример селективного (избирательного) протекания реакции. Направление химической реакции определяется совокупностью многих факторов. Статические факторы. Реакционная способность соединений существенно зависит от распределения в их молекулах электронной плотности, которое в свою очередь определяется электронными эффектами заместителей и наличием сопряженных и ароматических фрагментов. Характерная для большинства соединений неравномерность в распределении электронной плотности является причиной появления в молекуле реакционных центров, предопределяющих направление атаки тем или иным реагентом (электронный фактор). Пространственное строение молекулы определяет пространственный фактор, когда из-за относительно большого пространственного объема заместителей, окружающих реакционный центр, к нему может быть затруднен подход атакующей частицы. При этом реакция либо не будет осуществляться совсем, либо будет идти по иному направлению с участием другого, более доступного реакционного центра, если он имеется в молекуле. Динамические факторы. Многостадийные процессы обычно включают стадии промежуточного образования нестабильных интермедиатов, обладающих высокой реакционной способностью. Часто можно предположить образование не одного, а нескольких интермедиатов. Реакция предпочтительно будет проходить через стадию образования относительно более устойчивого интермедиата. Относительная устойчивость интермедиатов, в частности часто выступающих в качестве высокореакционных промежуточных частиц карбокатионов, карбанионов и свободных радикалов, определяется возможностью делокализации в этих частицах электронной плотности. Селективность реакций Во многих случаях в органическом соединении присутствуют несколько неравноценных реакционных центров. В зависимости от строения продуктов реакции говорят о региоселективности, хемоселективности и стереоселективности реакции. Региоселективность — предпочтительное протекание реакции по одному из нескольких реакционных центров молекулы. 18 Например, при взаимодействии пропана с бромом при УФ облучении в реакции преимущественно участвует один реакционный центр — связь С—Н вторичного атома углерода. СН3—СН2—СН3 + Вr2 hv 120°С СН3—СНВr—СН3 + НВr Пропан 2-Бромпропан Второй возможный изомер, 1-бромпропан, в этом процессе практически не образуется. Хемоселективность — предпочтительное протекание реакции по одной из родственных функциональных групп. Например, из двух нижеприведенных реакций с участием п-гидроксибензилового спирта только взаимодействие его с гидроксидом натрия относится к хемоселективным процессам. HO CH2ОН +NaOH + 2Na NaO CH2ОН + H2O NaO CH2ОNa + H2O Стереоселективность — предпочтительное образование в реакции одного из нескольких возможных стереоизомеров. Например, при катализируемом ферментом присоединении воды к фумаровой кислоте in vivo образуется только один из двух возможных здесь стереоизомеров — L-яблочная кислота На способность соединений вступать в реакции также оказывают влияние индукционный и мезомерный эффекты заместителей. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Какая из кислот обладает самыми сильными кислотными свойствами: а) уксусная; б) трибромуксусная; в) бромуксусная; г) стеариновая? 2. Какой электронный эффект атома галогена является причиной изменения кислотности у галогенсодержащих кислот: 1) положительный индукционный, 2) отрицательный индукционный, 3) положительный мезомерный, 4) отрицательный мезомерный? 3. Какое из соединений обладает более выраженными основными свойствами: а) метиламин, б) диметиламин, в) анилин, г) 4-нитроанилин. 4. Укажите электронные эффекты (электронный эффект) метильного радикала: 1) положительный мезомерный; 2) отрицательный мезомерный; 3) нет эффекта, 4) положительный индуктивный; 5) отрицательный индуктивный. 5. К какому типу относится реакция гидролиза галогенпроизводных углеводородов: СН3–СН2С1 + NaOH(водный р-р) СН3–СН2ОН + NaC1 а) электрофильное присоединение; б) нуклеофильное замещение; в) элиминирование; г) электрофильное замещение; д) радикальное замещение. 6. По какому механизму протекает реакция синтеза кислоты из альдегида: а) радикального замещения; б) нуклеофильного присоединения; в) радикального присоединения; в) электрофильного присоединения; г) электрофильного замещения; д) окисления-восстановления? 7. При обесцвечивании пропеном бромной воды образуется: 1,2-дибромпропан К какому типу реакций относится взаимодействие пропена с водой в присутствии серной кислоты: 1) замещение; 2) элиминирование; 3) разложение; 4) присоединение 19 ТЕМА 5. Радикальные и электрофильные реакции органических соединений Радикальные реакции. Хлор реагирует с предельными углеводородами только под влиянием света, нагревания или в присутствии катализаторов, причем последовательно замещаются хлором все атомы водорода: СН4 + С12 СН3С1 + НС1 СН3С1 + С12 СН2С12 + НСl СН2С12 + С12 CHC13 + HCl СНС13 + С12 СС14 + НСl Наиболее легко замещается водород у третичного атома углерода. Соотношение между скоростями замещения (при 300°) водородных атомов при первичном, вторичном и третичном атомах углерода 1 : 3, 25 : 4,3. Реакция протекает по цепному радикальному механизму. С12 2С1. зарождение цепи СН3 – Н + C1. CH3. + HC1 рост, развитие цепи . . СН3 + С12 СН3С1 + C1 рост, развитие цепи . 2С1 С12 обрыв цепи СН3. + С1. СН3С1 обрыв цепи . . СН3 + СН3 С2Н6 обрыв цепи Фотохимическое бромирование обычно проходит строго избирательно (селективно) – легче всего замещаются атомы водорода у третичного атома углерода. Существуют три общих пути генерирования радикальных частиц: расщепление ковалентной связи за счет тепловой энергии (термолиз); расщепление связи при помощи лучистой энергии (фотолиз) и образование радикалов в окислительно-восстановительных процессах. При сильном нагревании (500°С и выше) тепловой энергии оказывается достаточно для разрыва прочных С—С и С—Н связей. Поэтому большинство процессов при высоких температурах (пиролиз, крекинг) протекает по радикальному механизму. Облучение видимым или ультрафиолетовым светом часто используется для избирательного (селективного) расщепления относительно слабых связей. Образующиеся при этом радикальные частицы выступают в качестве инициаторов последующих превращений. Радикальные реакции весьма распространены и в живых системах, так как молекулярный кислород является одним из самых распространенных радикалов и сам способен инициировать радикальные реакции. Известно, что в основном состоянии молекула кислорода представляет собой бирадикал, в котором на каждом атоме кислорода находится по одному неспаренному электрону. Как и другие радикалы, кислород может отрывать Н-атом от углеводородного фрагмента и служить таким образом одним из инициаторов радикальных реакций. В качестве примера можно назвать процессы горения, а также автоокисления, в том числе и в биологических системах. Когда молекулярный кислород принимает электрон, он превращается в анион-радикал О2-, называемый супероксидом (superoxide). Этот радикал способен участвовать как в полезных, так и в нежелательных физиологических процессах. Например, иммунная система живого организма использует супероксид в своей борьбе с патогенами - чужеродными болезнетворными телами. Вместе с тем супероксид может быть вовлечен в некоторые процессы, вызывающие окислительное повреждение здоровых клеток, что ведет к дегенерации и старению живого организма. Нормальное функционирование системы ферментов предотвращает эти нежелательные процессы. Один из таких ферментов - супероксид дисмутаза - регулирует уровень супероксида в организме, катализируя его превращение в пероксид водорода и молекулярный кислород. Пероксид водорода, однако, также опасен, поскольку может генерировать гидроксильные радикалы ОН. Гидроксильный радикал в биологических системах возникает и при неполном восстановлении молекулы кислорода О2 + 3е- + 3Н+ НО + Н2О Пероксидные радикалы возникают при взаимодействии молекулы кислорода с ионами тяжелых металлов, например ионами железа(II) 20 Fe2+ + О2 + Н+ Fe3+ + Н–О–О гидропероксильный радикал Пероксильные и гидроксильные радикалы действуют избирательно (селективно), атакуя в ненасыщенных высших кислотах связи С—Н метиленовых групп, соседних с двойной связью. При этом образуются наиболее стабильные в данном случае радикалы аллильного типа. С6Н13СН(ОН)–СН2–СН=СН–СН2–(СН2)6СООН С6Н13СН(ОН)– СН–СН=СН–СН2–(СН2)6СООН + С6Н13СН(ОН)–СН2–СН=СН–СН–(СН2)6СООН Свободные радикалы аллильного типа могут вступать в различные реакции, в частности с молекулами кислорода и воды, с образованием гидропероксидов. Аллильный радикал + О2 С6Н13СН(ОН)– (ОО)СН–СН=СН–СН2–(СН2)6СООН Пероксильный радикал + Н2О С6Н13СН(ОН)– (НОО)СН–СН=СН–СН2–(СН2)6СООН + ОН Гидропероксиды неустойчивы. Они подвергаются дальнейшим превращениям. При этом сначала образуются альдегиды, которые легко окисляются в кислоты. Таким образом, наличие свободных радикалов в организме вызывает цепь реакций, изменяющих структуру и, следовательно, функции кислоты. Ненасыщенные высшие жирные кислоты — структурные компоненты клеточных мембран. Свободные радикалы являются мощным фактором, повреждающим клеточные мембраны. Фермент каталаза, также присутствующий в живом организме, предотвращает образование ОН-радикалов. Эти процессы, протекающие в живой клетке, показывают, что в соответствующих ситуациях важным является не только инициирование, но и ингибирование радикальных реакций. В живых организмах ингибиторами окислительных реакций также могут выступать природные антиоксиданты - гидрокси- и полигидроксисоединения. Например, -токоферол (витамин Е) действует как ловушка витамин Е (-токоферол) витамин С радикалов и ингибирует нежелательные радикальные процессы в организме, способные вызвать повреждение клеток. Витамин С также является антиоксидантом, эффективно работающим в живых системах. Тем не менее и этим антиоксидантом нельзя злоупотреблять: не следует принимать более 500 мг витамина С однократно . Реакции электрофильного присоединения Ненасыщенные углеводороды — алкены, циклоалкены, алкадиены и алкины — проявляют способность к реакциям присоединения, так как содержат двойные или тройные связи. Более важной in vivo является двойная связь. За счет электронов -связи в молекулах алкенов имеется область повышенной электронной плотности. Поэтому они представляют собой нуклеофилы и, следовательно, склонны подвергаться атаке электрофильным реагентом. Механизм реакции. Присоединение к алкенам галогеноводородов и родственных соединений протекает по гетеролитическому электрофильному механизму АЕ. Электрофильной частицей в данном процессе часто служит простейший электрофил — протон Н+. В реакции выделяют две основные стадии: 1) электрофильная атака протоном алкена с образованием карбокатиона — медленная стадия, определяющая скорость процесса в целом; 2) атака образовавшегося карбокатиона нуклеофилом Х—, приводящая к конечному продукту (быстрая стадия). Присоединение галогеноводородов и воды (гидратация) происходит по правилу Марковникова: атомы водорода присоединяются преимущественно к наиболее 21 гидрогенизированному атому углерода (наиболее богатому водородом), а атом галогена или гидроксигруппа присоединяются к наименее гидрогенизированному. Н3С–СН = СН2 + НCl Н3С–СНCl–СН3 Образуется преимущественно 2-хлорпропан, а не 1-хлорпропан. Но такая формулировка правила Марковникова не объясняет направление реакций гипогалогенирования (присоединения НОГал) и реакций присоединения к алкенам, в состав которых входят группы, обладающие отрицательным мезомерным или индукционным эффектами. Существует и другая более общая формулировка правила Марковникова: присоединение несимметричного реагента к несимметричному алкену по ионному механизму протекает в направлении образования более устойчивого катиона. Так, в результате присоединения катиона водорода к двойной связи пропена могут возникнуть два карбокатиона: СН3СН2+СН2 (I) и СН3+СНСН3 (II) Ни в том, ни в другом катионе положительный заряд на выделенном атоме углерода не равен, а много меньше +1 из-за смещения к нему электронной плотности от соседних атомов. Но в первичном катионе (I) донором этой плотности является один, а во вторичном (II) – два соседних атома углерода. Кроме того, в первичном катионе (I) метильная группа находится дальше, ее индукционный эффект по цепи затухает. Это значит, что распределение заряда во вторичном карбокатионе (II) более равномерное; такая частица оказывается более устойчивой, реакция идет по пути, направляемому ее образованием. Рассмотрим присоединение галогеноводорода к непредельным карбоновым кислотам: СН2 = СН – СООН + НCl СН2Cl – СН2 – СООН В этом случае водород присоединяется к менее гидрогенизированному атому углерода. Значит ли это что присоединение идет против правила Марковникова? Оказывается, нет. В результате присоединения иона водорода к двойной связи кислоты могут возникнуть два карбокатиона: + СН2 – СН2 СООН (I) и СН3 +СН СООН (II) В первичном катионе (I) нет донорной метильной группы, зато дестабилизирующее действие акцепторной карбоксильной группы ощущается заметно меньше, чем во вторичном катионе (II). Отрицательный мезомерный и индукционный эффекты в карбоксильной группе увеличивают положительный заряд во вторичном катионе (II) в большей степени, чем в первичном (I). Это значит, что распределение заряда в первичном карбокатионе (I) более равномерное; такая частица оказывается более устойчивой, реакция идет по пути, направляемому ее образованием. Присоединение фактически следует правилу Марковникова в его обобщенной форме. В случае реакции гипохлорирования (присоединения HOCl) в растворе присутствуют ионы ОН- и Cl+, а протона нет совсем и применима только обобщенная формулировка правила Марковникова. Тогда в результате присоединения катиона хлора к двойной связи пропена могут возникнуть два карбокатиона, из которых более устойчивым будет являться вторичный (II): СН3СНCl +СН2 (I) и СН3+СН СН2Cl (II) Тогда реакцию можно записать следующим образом: Н3С–СН=СН2 + НОCl Н3С–СН(ОН)–СН2Cl Присоединение против правила Марковникова идет в том случае, если реакцию проводят в присутствии перекисей (Н2О2 или ROOR). Тогда реакция протекает по другому механизму (свободнорадикальное присоединение): Н3С–СН=СН2 + НBr ROOR Н3С–СН2–СН2Br Для сопряженных диенов характерна способность образовывать в реакциях присоединения наряду с обычными 1,2-аддуктами продукты 1,4-присоединения. Соотношение между ними в значительной степени зависит от условий эксперимента. Реакции электрофильного замещения. Для ароматических соединений бензольного ряда, конденсированных и гетероциклических ароматических соединений характерны реакции, не приводящие к нарушению ароматической системы, т. е. реакции замещения. Они не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, ведущие к нарушению ароматичности. Для соединений ароматического характера, имеющих замкнутую -электронную систему, наиболее характерны реакции с электрофильными агентами. 22 С помощью кинетических методов показано, что большинство реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду протекает по двухстадийному механизму. На первой, медленной, стадии происходит нарушение ароматической системы и переход атакуемого атома углерода ядра в состояние sp3-гибридизации. Вторая, быстрая, стадия сопровождается восстановлением ароматической структуры и вследствие выигрыша энергии протекает легко и быстро. Е+ Е+ Е медленно -комплекс субстрат + А– Н –НА -комплекс быстро Е продукт Следует заметить, что протекание первой стадии обычно осуществляется с промежуточным образованием так называемого -комплекса. -Комплексы представляют собой координационные соединения, в которых донором являются ароматические соединения, имеющие легко поляризуемые -электроны, а акцепторами – галогены, сильные минеральные кислоты и тому подобные соединения, имеющие по разным причинам сродство к электронам. -Комплексы не являются истинными химическими соединениями, в которых электрофильная частица связывается ковалентной связью с конкретным атомом субстрата. -Комплексы, образуемые бензолом, очевидно, построены объемно, так как наибольшая -электронная плотность ароматических соединений расположена по обе стороны бензольного кольца. Первой ступенью взаимодействия ароматических соединений с электрофильным агентом Е+ при реакциях электрофильного замещения является образование - комплекса, который медленно, лимитируя скорость всей реакции, перегруппировывается в карбкатион (- комплекс). В отличие от -комплексов, -комплексы представляют собой истинно химические соединения, в которых электрофильный агент Е+ образует ковалентную связь за счет двух -электронов одной из связей бензольного кольца. При образовании -комплекса электрофильный агент внедряется в ароматическую молекулу более «глубоко», чем в -комплексе. В -комплексе один из атомов углерода бензольного кольца переходит в состояние sp 3-гибридизации, в котором все четыре связи направлены под углом 109°. При этом нарушается симметрия бензольного кольца, а группа Е+ и атом водорода оказываются в положении, перпендикулярном плоскости кольца. Реакции электрофильного замещения завершаются отщеплением от -комплекса протона и восстановлением ароматической системы. Как правило, этот процесс происходит при участии обладающего основными свойствами аниона А–, присутствующего в реакционной среде, и сопровождается выделением энергии. К реакциям электрофильного замещения относятся реакции галогенирования, нитрования, сульфирования, алкилирования, ацилирования: реагент субстрат + катализатор продукт реакция Br2 FeBr3 C6H5Br + HBr галогенирование HNO3 H2SO4 C6H5NO2 + H2O нитрование C6H5SO4 + H2O сульфирование C6H5CH3 + HCl алкилирование C6H5C(O)CH3 + HCl ацилирование H2SO4 CH3Cl AlCl3 CH3C(O)Cl AlCl3 Заместители в кольце делят на ориентанты I рода и II рода. Ориентанты I рода: алкильные радикалы, группы –ОН, –OR, –NH2, –NHR, –NR2, –SH, атомы галогенов направляют второй заместитель в орто- и пара-положения. Все заместители I рода, кроме галогенов, обладают электронодонорными свойствами по отношению к бензольному кольцу и ускоряют реакции электрофильного замещения по сравнению с незамещённым бензолом. СН3 толуол СН3 СН3 СООН Br Br2, FeBr3 –HBr + Br п-бромтолуол ; о-бромтолуол СООН Br2, FeBr3 –HBr бензойная кислота Br м-бромбензойная кислота 23 Ориентанты II рода: карбонильные и сложноэфирные группы, группы –СООН, –SO3H, –NO2, –CN направляют второй заместитель в мета-положение. Все заместители II рода обладают электроноакцепторными свойствами по отношению к бензольному кольцу и замедляют реакции электрофильного замещения по сравнению с незамещённым бензолом. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Укажите, какая из стадий хлорирования метана на свету показывает обрыв цепи: а) СН4 + С1 СН3 + НС1; б) СН3 + С12 СН3С1 + Сl; в) СН3С1+С1 СН2С1+НС1; г) СН3 + СН3 CH3 – CH3. К какому типу относится эта реакция? 2. Напишите уравнения бромирования, сульфирования, и нитрования бутана. 3. По какому механизму идёт реакция нитрования алканов: а) радикального замещения; б) нуклеофильного присоединения; в) радикального присоединения; в) электрофильного присоединения; г) электрофильного замещения? 4. Напишите уравнения реакции присоединения бромоводорода к 1-бутену в присутствии перекиси и без нее. В виде каких стереоизомеров может существовать исходное соединение? Образуют ли стереоизомеры продукты реакции? 5. Какое соединение образуется при гидратации 1-бутена: а) 1-бутанол; б) 1-бутин; в) 2-бутанол; г) бутан; д) 2-бутен. 6. Взаимодействие воды с алкенами протекает по правилу Марковникова или против него? 7. Какое вещество преимущественно образуется при присоединении брома к 1,3-бутадиену при температуре минус 80 С? А при температуре + 40 С? Приведите уравнения реакций. 8. Приведите схемы алкилирования хлорбензола, фенола, нитробензола. Расположите эти соединения в ряд по увеличению скорости реакции. 9. Следующие соединения расположите в ряд по увеличению реакционной способности при бромировании их в бензольное кольцо: а) бензол; б) фенол; в) бензальдегид; г) этилбензол. Дайте объяснения. 10. Определите положения, по которым преимущественно будет проходить нитрование мнитротолуола и п- нитротолуола. Отметьте тип ориентации заместителей (совпадающая или несовпадающая). 24 ТЕМА 6. КОНКУРИРУЮЩИЕ РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ И ЭЛИМИНИРОВАНИЯ У НАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА Реакции нуклеофильного замещения у sp3- гибридизованного атома углерода: гетеролитические реакции, обусловленные поляризацией - связи углерод - гетероатом (галогенопроизводные, спирты). Эти реакции протекают по механизму нуклеофильного замещения. Для первичных и вторичных соединений предполагается механизм нуклеофильного замещения второго порядка (SN2), для третичных веществ – нуклеофильного замещения первого порядка (SN1). Н+ Н Н – – – Н С Br + OН НO С H + Br– НO С Br Н Н Н Н переходное состояние В случае первичных и вторичных алкилгалогенидов отрицательно заряженная гидроксильная группа атакует положительно заряженный атом углерода со стороны, противоположной отрицательно заряженному атому брома. При наличии достаточной энергии гидроксил приближается настолько, что между ним и атомом углерода начинает образовываться связь, а связь между атомами углерода и иода начинает разрываться. В этом переходном состоянии атом углерода и все три водородных атома находятся в одной плоскости (молекула «уплощена»). Затем анион иода выталкивается и образуется молекула метилового спирта. Такой процесс носит название реакции нуклеофильного замещения второго порядка (SN2): нуклеофильного потому, что атакующая частица заряжена отрицательно; второго порядка — т.к. скорость реакции зависит от концентрации и йодистого метила, и гидроксила. Если исходное соединение было оптическим активным, то в процессе реакции произойдёт обращение конфигурации: например, при гидролизе D-2-бромбутана образуется L-2-бутанол. У третичных алкилгалогенидов подход отрицательно заряженной частицы затруднен имеющимися объемными заместителями, и процесс идет по другому механизму. Хотя и в очень малой степени, но все же происходит процесс диссоциации третичного бромистого бутила: (CH3)3C – Br (CH3)3C+ + Br- (очень медленно) Образующийся третичный бутилкатион мгновенно реагирует с находящимися в растворе нуклеофильными частицами: (CH3)3C+ + HO- (CH3)3C – OH (очень быстро) В этом случае скорость реакции зависит только от процесса диссоциации и, следовательно, от концентрации в реакционной смеси третичного бромистого бутила и реакция в целом называется реакцией нуклеофильного замещения первого порядка - SN1. Если в реакцию вступает оптически активное соединение, то в результате образуется оптически неактивная рацемическая смесь. Хорошо уходящие группы – это такие группы, протонированные формы которых соответствуют сильным кислотам, например: Hal–, H2O, ROH, NH3 (протонированные формы: галогеноводородные кислоты HHal, ионы: гидроксония Н3О+, алкилоксония ROH2+, аммония NH4+ — сильные кислоты). Плохо уходящие группы – это такие группы, протонированные формы которых соответствуют слабым кислотам, например: OH–, NH2–, SH–, OR– и др. В этом случае для протекания реакций необходимо протонирование, т.е. кислотный катализ, что позволит перевести плохоуходящую группу в хорошоуходящую. На последней (быстрой) стадии реакции замещения происходит конкуренция за карбкатион между двумя частицами: галогенид-ионом (если в качестве кислоты использовали галогеноводородную кислоту) и молекулой воды, выступающей в роли акцептора протона. В первом случае происходит нуклеофильное замещение (SN) гидроксила на галоген, а во втором — элиминирование (Е) — отщепление протона. 25 КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Хлорэтон (1,1,1-трихлоро-2-метил-2-пропанол) оказывает общеуспокаивающее действие. Способно ли это лекарственное средство подвергаться щелочному гидролизу? Если да, приведите уравнение реакции. 2. К какому типу относится реакция гидролиза галогенпроизводных: а) электрофильное присоединение; б) нуклеофильное замещение; в) элиминирование; г) электрофильное замещение; д) радикальное замещение. 3. L-2-бромбутан реагирует с водным раствором гидроксида натрия по механизму SN2. Предскажите стереохимический результат реакции (укажите конфигурацию образующегося спирта): а) D - 2-бутанол; б) L-2-бутанол; в) рацемическая смесь; г) 2-бутен. Выберите определение рацемической смеси: 1) смесь эквимольных количеств оптически активных энантиомеров; 2) смесь эквимольных количеств геометрических (цис-, транс-) изомеров; 3) смесь эквимольных количеств оптически неактивных изомеров; 4) смесь эквимольных количеств исходного соединения и продукта реакции. 4. 1-Бромбутан гидролизуется водным раствором гидроксида натрия. Выберите название продукта реакции: а) D-1-бутанол; б) L- 1-бутанол; в) R-2-бутанол; г) S-2-бутанол; д) оптически неактивный 1-бутанол; е) оптически неактивный 2-бутанол; ж) оптически неактивный бутилат натрия. По какому механизму протекает эта реакция: 1) мономолекулярное нуклеофильное замещение; 2) бимолекулярное нуклеофильное замещение; 3) ароматическое электрофильное замещение; 4) радикальное замещение; 5) электрофильное присоединение; 6) элиминирование. 5. При взаимодействии R-2-бутанола с бромоводородом был получен S-2-бромбутан. По какому механизму прошла реакция: 1) мономолекулярное нуклеофильное замещение; 2) бимолекулярное нуклеофильное замещение; 3) ароматическое электрофильное замещение; 4) радикальное замещение; 5) электрофильное присоединение; 6) элиминирование. 6. 2-Хлорпропан гидролизуется по механизму SN2. Будет ли оптически активным продукт реакции? Почему? 26 ТЕМА 7. Нуклеофильные реакции в ряду карбонильных соединений Реакции нуклеофильного замещения с участием sр2-гибридизованного атома углерода. Механизм реакций этого типа рассмотрим на примере взаимодействия карбоновых кислот со спиртами (реакция этерификации). В карбоксильной группе кислоты реализуется р,- сопряжение, поскольку пара электронов атома кислорода гидроксильной группы ОН вступает в сопряжение с двойной углерод-кислородной связью (-связью): Такое сопряжение является причиной, с одной стороны, повышенной кислотности карбоксильных соединений, а с другой уменьшения частичного положительного заряда (+) на атом углерода карбоксильной группы (sр2-гибридизованном атоме) что значительно затрудняет непосредственную атаку нуклеофила. С целью увеличения заряда на атоме углерода используют дополнительное протонирование — кислотный катализ (стадия I): На стадии II происходит атака нуклеофила (молекулы спирта R'OH), протонирование гидроксильной группы с образованием хорошо уходящей группы Н2О, на стадии III — ее отщепление и на стадии IV — регенерация протона — возврат катализатора с образованием конечного продукта — сложного эфира. Реакции нуклеофильного присоединения. Наиболее характерны реакции нуклеофильного присоединения (AN) для оксосоединений — альдегидов и кетонов. Механизм этих реакций имеет общие черты, это двухстадийный ионный процесс. Первая стадия (лимитирующая) представляет собой обратимую атаку нуклеофилом (Nu) с образованием так называемого тетраэдрического интермедиата. Вторая стадия — быстрая атака электрофилом: На реакционную способность оксосоединения оказывает влияние природа групп R и R'. Так, введение электронодонорных заместителей снижает реакционную способность, а электроноакцепторных — усиливает. Поэтому альдегиды более активны в реакциях AN, чем кетоны. Кроме того, реакционная способность зависит от природы нуклеофила. Например, тиолы RSH, являясь более сильными нуклеофилами, чем спирты ROH, вступают в реакцию AN как с альдегидами, так и с кетонами, образуя устойчивые к гидролизу тиоацетали, тогда как ацетали — продукты присоединения спиртов к альдегидам — к гидролизу не устойчивы Обратите внимание, что последние стадии процесса представляют собой атаку нуклеофила (молекулы спирта R'OH) на электрофильный реакционный центр (карбкатион) и идут по механизму нуклеофильного замещения SN. Образующиеся промежуточные соединения — полуацетали — являются неустойчивыми. Стабилизация их возможна только в циклической форме при образовании циклических полуацеталей, например 5-гидроксипентаналя: 27 Другой пример биологически важной реакции этого типа - присоединение аминов и некоторых других азотсодержащих соединений к карбонильным соединениям – альдегидам и кетонам. Реакция идет по механизму нуклеофильного присоединения – эли минирования (AN—E): Другие азотсодержащие соединения, выступающие в этих реакциях в роли нуклеофила: гидразин NH2–NH2, фенилгидразин, С6Н5–NH–NH2,гидроксиламин NH2–ОН. Продуктами реакций AN—E этих случаях являются соединения, называемые гидразонами, фенил-гидразонами, оксимами. Реакции конденсации. Протекают в присутствии катализаторов, чаще щелочной природы. Приводят к усложнению углеродного скелета. Характерным примером являются альдольная и кротоновая конденсации: O ОН– O t O 2 СН3–С СН3–СН–СН2–С СН3–СН=СН–С Н Н Н OН этаналь 2-бутеналь 3-гидроксибутаналь (альдоль) (кротоновый альдегид) Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот. Только с чисто формальных позиций можно рассматривать карбоксильную группу как комбинацию карбонильной и гидроксильной функций. Фактически их взаимное влияние друг на друга таково, что полностью изменяет их собственные свойства. Поляризация двойной связи С=О сильно возрастает за счет дополнительного сдвига свобод– ной электронной пары с соседнего атома кислорода гидроксильной группы: + O + СН3–Н2С C O Н Следствием является значительное ослабление связи О–Н в гидроксиле и легкость отщепления атома водорода от него в виде протона (Н+). Появление пониженной электронной плотности (+) на центральном углеродном атоме карбоксила приводит также к оттягиванию -электронов соседней связи С – С к карбоксильной группе и появлению (как у альдегидов и кетонов) пониженной электронной плотности (+) на - углеродном атоме кислоты. Самыми слабыми кислотными свойствами обладают предельные монокарбоновые кислоты. Кислотность двухосновных, непредельных или замещённых кислот (галогенкислоты, гидрокси- и оксокислоты и т.п.) заметно выще, что определяется электроноакцепторным действием заместителей и стабилизацией промежуточного аниона. В общем производные карбоновых кислот по сравнению с альдегидами и кетонами труднее подвергаются нуклеофильной атаке, так как электрофильность карбонильного атома углерода обычно снижается за счет - М-эффекта функционального заместителя, связанного с атомом углерода карбонильной группы. По этой причине для проведения реакций оказывается необходимым кислотный катализ – протонирование aтома кислорода карбонильной группы, что ведет к появлению дополнительного заряда на атоме углерода, что облегчает атаку нуклеофилом. В итоге механизм катализируемой кислотой реакции по сравнению с механизмом некатализируемой реакции включает предварительную стадию протонирования и заключительную стадию депротонирования. Реакции конденсации, в основе которых лежит способность одного карбонильного соединения присоединяться к карбонильной группе этого же или другого карбонильного вбединения, характерны и для производных карбоновых кислот, в частности рюжных эфиров и тиоэфиров. Такие реакции имеют большое биологическое значение. С их помощью в организме происходит образование новых связей углерод—углерод. Непременными участниками реакций по типу альдольного присоединения in vivo являются тиоэфиры карбоновых кислот — производные кофермента А. При конденсации ацетилкофермента А по типу альдольного присоединения из двух молекул ацетилкофермента А образуются ацетоацетилкофермент А и кофермент А. 28 КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Примером биологически важной реакции является присоединение аминов и некоторых других азотсодержащих соединений к карбонильным соединениям – альдегидам и кетонам. Напишите уравнение присоединения гидразина к пентаналю. Назовите продукт реакции. Поясните, можно ли с помощью этой реакции провести выделение и идентификацию пентаналя? 2. Наличие какой функциональной группы в молекуле формальдегида подтверждает реакция получения его динитрофенилгидразона: а) карбоксильной; б) гидроксильной; в) карбонильной; г) метильной; д) атома водорода. 3. Для чего можно использовать реакцию альдегида с динитрофенилгидразином: 1) идентификации альдегида; 2) окисления альдегида; 3) восстановления альдегида; 4) выделения альдегида из смеси с карбоновой кислотой; 5) выделения альдегида из смеси с кетоном. 4. Приведите формулу изомера пропаналя. Будут ли для него характерны те реакции нуклеофильного присоединения, которые характерны для пропаналя? 5. Одним из феромонов является этиловый эфир 4-фенил-2-бутеновой кислоты (этилциннамат). Получите это соединение по реакции этерификации. 6. В реакции этерификации группа –ОН отщепляется (для образования воды) от молекулы: а) спирта; б) альдегида; в) кетона; г) кислоты? Приведите уравнение реакции этерификации. 7. Почему реакцию этерификации ведут, как правило, при температуре 100-105 С: 1) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования сложного эфира; 2) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования кислоты; 3) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования спирта. 29 ТЕМА 8. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) занимают большое место в органической химии. Важнейшее значение имеют ОВР для процессов жизнедеятельности. С их помощью организм удовлетворяет свои энергетические потребности, поскольку при окислении органических веществ происходит высвобождение энергии. С другой стороны, эти реакции служат для превращения пищи в компоненты клетки. Окисление в органической химии — процесс удаления водорода с образованием кратной связи или новой связи между атомом углерода и гетероатомом, более электроотрицательным, чем водород, например атомами кислорода, азота, серы и т. д. Восстановление – процесс, обратный окислению, – сопровождается образованием новых связей с водородом и включает перенос электронов к органическому субстрату. В окислительно-восстановительных процессах меняется степень окисления атома углерода Окислители представляют собой соединения, обладающие высоким сродством к электрону. Окислителями могут служить кислород, пероксиды, азотная кислота, галогены, гипогалогениты, хлорная кислота, соединения металлов в высших степенях окисления (например, оксид марганца (IV), оксид свинца(II), перманганат калия, хромовая кислота). Окисление органического субстрата протекает тем легче, чем сильнее его тенденция к отдаче электронов. Насыщенные углеводороды – наиболее трудно окисляющиеся органические соединения. Для их окисления необходимы жесткие условия (например, горячая хромовая смесь); более мягкие окислители в обычных условиях на них не действуют. Промежуточные продукты окисления – первичные, вторичные спирты и альдегиды – окисляются легче исходных углеводородов. Последующему окислению, как правило, подвергается уже начавший окисляться атом углерода. Конечные продукты неполного окисления углеводородов – карбоновые кислоты, кетоны и третичные спирты – требуют для своего окисления гораздо более жестких условий, необходимых для разрыва углерод – углеродных связей. Гидропероксиды R–О–О–Н – важные промежуточные продукты окисления С–Н связей в мягких условиях, в частности в условиях организма. Способность С–Н связи к окислению увеличивается, если она расположена рядом с двойной связью или ароматическим кольцом. Первичные и вторичные спирты по сравнению с углеводородами окисляются в более мягких условиях. При окислении первичных спиртов необходимо быстро выделять альдегид из реакционной смеси для предотвращения его дальнейшего окисления в карбоновую кислоту. Одноосновные карбоновые кислоты, как правило, устойчивы к действию окислителей. Легко окисляются лишь муравьиная кислота и кислоты с третичным атомом углерода в положении. При окислении последних получаются -оксикислоты: (CH3)2CH-COOH + [O] (CH3)2COH-COOH В животных организмах одноосновные карбоновые кислоты также способны окисляться, причем атом кислорода направляется всегда в -положение. Так, например, в организме больных диабетом масляная кислота переходит в -окимасляную кислоту: CH3-CH2-CH2-COOH + 2O CH3-CH(OH)-CH2-COOH Окисление масляной кислоты удалось провести и в лабораторных условиях, действуя на нее 3%-ным раствором перекиси водорода. Масляная кислота переходит при этом в -оксимасляную кислоту, при дальнейшем окислении получается ацетоуксусная кислота: Н3С— СН(ОН)— СН2— СООН + О Н3С— СО— СН2— СООН + Н2О Окислительно-восстановительные процессы в организме. Одним из участников этих процессов является кофермент НАД+, который служит акцептором гидрид-иона при биологическом дегидрировании, превращаясь при этом в восстановленную форму НАДН. Например, с участием НАД+ осуществляется одна из наиболее универсальных реакций биологического окисления – дегидрирование спирта в альдегид или кетон. 30 Альдегиды – один из наиболее легко окисляющихся классов органических соединений. Их превращение в карбоновые кислоты осуществляется под действием большинства окислителей, включая кислород воздуха. Даже такие слабые окислители, как гидроксид серебра в аммиачном растворе (реактив Толленса) или щелочной раствор тартратного комплекса меди (II) (реактив Фелинга), легко восстанавливаются альдегидами. Обе эти реакции часто используют как качественные для обнаружения альдегидной группы. Окисление двойных углерод – углеродных связей. В зависимости от условий окисление С=С связей может приводить к эпоксидам, 1-,2-диолам (гликолям) или карбонильным соединениям – продуктам расщепления двойной связи. Способность ароматических углеводородов к окислению заметно увеличивается при переходе от бензола к нафталину и далее к антрацену. Широко распространены в природе и играют роль стимуляторов роста, антибиотиков, а также участвуют в окислительно-восстановительных процессах, сопровождающих дыхание. Наиболее важны 1,4-хиноны, называемые просто хинонами. Хиноны – сильные окислители. Принимая два электрона и два протона, они восстанавливаются в соответствующие гидрохиноны. Окислительно-восстановительные свойства системы хинон – гидрохинон играют важную роль в организме. По отношению к большинству органических субстратов эта система играет роль окислителя. Принимая электроны от субстрата, замещенный хинон in vivo превращается в соответствующий гидрохинон, который в свою очередь, передавая электроны (через цитохромную систему) кислороду, обратно восстанавливается в хинон. Таким образом, система хинон – гидрохинон участвует в процессе переноса электронов от субстрата к кислороду. Для восстановления органических соединений могут быть использованы практически все восстановители. Чаще всего применяются водород в присутствии гетерогенных катализаторов, гидриды металлов и активные металлы (Na или Zn). Наиболее общий способ восстановления ненасыщенных углерод - углеродных связей – каталитическое гидрирование. Алкены, алкины, ароматические углеводороды и их производные присоединяют водород в присутствии тонкоизмельченных металлов (никеля, платины, палладия) или оксидов металлов. Условия реакции зависят от природы субстратов и катализаторов. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Выберите способ превращения альдегида в карбоновую кислоту: а) окисление альдегида; б) восстановление альдегида; в) взаимодействие между альдегидом и спиртом; г) гидратация альдегида (взаимодействие с водой). 2. Ментол (2-изопропил-5-метилциклогексанол) входит в состав препарата «Валидол». При окислении ментола образуется ментон. Напишите схему реакции окисления ментола. 3. В организме пировиноградная кислота восстанавливается в молочную. Напишите схему реакции. 4. Метиловый спирт при попадании в организм вызывает тяжелое отравление, сопровождаемое потерей зрения. Полагают, что потеря зрения вызвана взаимодействием промежуточного продукта окисления метанола с белками сетчатки глаза. Напишите схему реакции окисления. 31 ТЕМА 9. ПОЛИ- И ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ПРОЦЕССАХ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ Подавляющее большинство органических веществ, участвующих в процессах метаболизма, представляют собой соединения с двумя и более функциональными группами. Такие соединения принято классифицировать следующим образом: 1) полифункциональные, содержащие одинаковые функциональные группы, например: этиленгликоль СН2ОН – СН2ОН, гидрохинон НО– –ОН, щавелевая кислота НООС–СООН; 2) гетерофункциональные, содержащие различные функциональные группы, например: коламин СН2ОН–CH2NH2, п-аминобензойная кислота H2N– –СООН, пировиноградная кислота СН3–С(О) –СООН; 3) гетерополифункциональные, например: различные моносахариды, яблочная кислота НООС–СН(ОН) –СН2-СООН. Наличие нескольких функциональных групп в молекуле оказывает значительное влияние на химические свойства соединения, приводя, с одной стороны, к усилению или ослаблениию реакционной способности соединений, а с другой – к появлению нехарактерных для монофункциональных соединений специфических свойств. Последние являются наиболее важными для обеспечения биологических функций, выполняемых этими веществами в организме. Кислотно-основные свойства. Выполняется общая закономерность: наличие в молекуле групп ОН, SH, СООН приводит к усилению ее кислотных свойств, а аминогрупп NH2, NH – к усилению основных свойств. Кроме того, наличие дополнительной электроноакцепторной группы вблизи кислотного центра влечет за собой повышение кислотности соединения. Так, этиленгликоль СН2ОН–СН2ОН проявляет более сильные кислотные свойства по сравнению с этанолом СН 3– СН2ОН; щавелевая кислота НООС–СООН является более сильной кислотой, чем уксусная СН3– СООН, а молочная кислота СН3–СН(ОН) –СООН – более сильной, чем пропановая СН3–СН2– СООН. Во всех перечисленных случаях отрицательный индуктивный эффект заместителей (-Iэффект) вблизи групп ОН и СООН обусловливает значительную поляризацию связи О–Н и легкость отщепления протона, т. е. усиление кислотных свойств. Аналогично, замена метильной группы СН3 в ацетамиде на аминогруппу в карбамиде (мочевине): приводит к усилению основных свойств, что можно проиллюстрировать реакцией с соляной кислотой (образуется соль – гидрохлорид мочевины): Еще более сильные по сравнению с карбамидом основные свойства проявляет гуанидин: NH NH2–C–NH2 Наконец, наличие в молекуле различных по кислотно-основным свойствам функциональных групп обусловливает амфотерные свойства соединений. Предельным случаем является полный перенос протона от кислотного центра к основному, например в -аминокислотах, которые в кристаллическом состоянии, а так же в нейтральном водном растворе существуют в форме цвиттериона (биполярного иона, внутренней соли): H3N+–CH(R) –COO–. Нуклеофильно-электрофильные свойства. Выполняется общая закономерность, а именно: наличие электроноакцепторного заместителя (-I-эффект) облегчает протекание нуклеофильных реакций и затрудняет протекание электрофильных реакций. Так, в присутствии карбоксильной 32 группы атом галогена, например в - галогенкарбоновых кислотах, легко замещается не только на гидроксильную группу (при взаимодействии со щелочами), но и на аминогруппу (при взаимодействии с аммиаком): R-CH-COOH + 3NH3 R-CH-COONH4 + NH4C1 Cl NH2 Приведенная реакция протекает по механизму SN, давая соли -аминокислот. В ,-ненасыщенных карбоновых кислотах близость электроноакцептора (карбоксильной группы) приводит к протеканию реакций присоединения по двойной С-С связи по нуклеофильному (AN) механизму; реакции же электрофильного присоединения затруднены. Реакции циклизации. Относятся к специфическим реакциям гетерофункциональных соединений и могут протекать как внутримолекулярно, так и межмолекулярно в зависимости от удаленности функциональных групп друг от друга. Внутримолекулярная циклизация. Выполняется общая закономерность: реакции характерны для гетерофункциональных соединений с - и -положением функциональных групп. Нуклеофильный и электрофильный реакционные центры находятся внутри одной молекулы и оказываются сближенными в пространстве за счет существования молекулы в «свернутой» (клешневидной) конформации. В результате реакций внутримолекулярной циклизации могут образоваться циклические полуацетали из альдегидоспиртов по механизму AN: циклические эфиры – лактоны – из гидроксикислот по механизму SN с участием sр2гибридизованного атома углерода циклические амиды – лактамы – из аминокислот по механизму SN с участием sр2гибридизованного атома углерода: Реакции идут самопроизвольно уже при незначительном наггревании. Образующиеся циклические продукты подвергаются гидролизу в кислой и щелочной среде с образованием соответствующих солей. Межмолекулярная циклизация. Выполняется общая закономерность: реакции характерны для замещенных кислот, проходят по механизму межмолекулярного элиминирования и сопровождаются образованием устойчивых шестичленных циклов – циклических диэфиров – лактидов из гидроксикислот; например, образование лактида молочной кислоты или циклических диамидов – дикетопиперазидов из -аминокислот: Реакции комплексообразования. Выполняется общая закономерность: поли- и гетерофункциональные соединения с -положением функциональной группы выступают в роли бидентатных или полидентатных лигандов при взаимодействии с ионами переходных металлов с образованием внутрикомплексных соединений – хелатов. 33 Реакции хелатообразования являются специфическим свойством поли- и гетерофункциональных соединений; чрезвычайно широко распространены и играют существенную роль в процессах метаболизма. Один из примеров – образование внутрикомплексной соли – глицината меди – при взаимодействии в растворе амино-уксусной кислоты с солями меди(П): Хелаты представляют собой устойчивые циклические комплексные соединения. Большинство ионов биометаллов в организме находятся в виде хелатных комплексов с органическими биолигандами. Одним из примеров таких соединений является гемовая структура (гем), представленная на рисунке. Многоатомные спирты. В соответствии с числом гидроксильных групп, входящих в их состав, различают одноатомные, двухатомные и т. д. спирты. Двухатомные спирты, т. е. спирты, содержащие две гидроксильные группы, носят общее название диолы, или гликоли. Трехатомные спирты называют триолами, или глицеринами; спирты с большим числом гидроксильных групп носят общее название полиолы. Простейшие и наиболее важные представители диолов и триолов – этиленгликоль и глицерин соответственно. Многоатомные спирты обладают большей кислотностью по сравнению с одноатомными, что является следствием - I- эффекта одной гидроксильной группы по отношению к другой. Многоатомные спирты по свойствам в значительной степени напоминают одноатомные. Гидроксильные группы в них могут первичными, вторичными и третичными, причем в реакции может вступать одна или несколько гидроксильных групп. Многоатомные спирты с гидроксидами некоторых тяжелых металлов в щелочной среде образуют внутрикомплексные (хелатные) соединения, имеющие характерное окрашивание. В частности, при взаимодействии с гидроксидом меди(II) возникает интенсивное синее окрашивание. Дегидратация этиленгликоля в специальных условиях приводит к макроциклическим полиэфирам, так называемым к р а у н - э ф и р а м. Краун-эфиры весьма перспективные комплексообразователи, своеобразные ловушки катионов. В определенной степени они моделируют действие некоторых веществ (например, антибиотика пептидной природы валиномицина), облегчающих транспорт ионов через клеточные мембраны. Примером может служить полиэфир 18-краун-6, образующий прочный комплекс с ионом калия. Примерами многоатомных спиртов высшей атомности служат пентиты и гекситы – соответственно пяти- и шестиатомные спирты с открытой цепью. Накопление гидроксильных групп в молекуле ведет к появлению сладкого вкуса. Представители пентитов и гекситов – ксилит и сорбит – заменители сахара для больных диабетом. Инозиты – шестиатомные спирты циклогексанового ряда. В связи с наличием асимметрических атомов углерода у инозита существует несколько стереоизомеров. OH OH H H H H H HO OH H HO HO OH H H H H HO OH OH H OH H Справа приведена кресловидная информация мезоинозита (в которой пять из шести гидроксильных групп находятся в экваториальном положении). Мезоинозит относится к витаминоподобным соединениям (витамины группы В) и является структурным компонентом сложных липидов. В растениях широко распространена фитиновая кислота, представляющая собой гексафосфат мезоинозита. Ее кальциевая или смешанная кальций магниевая соль, называемая фитином, стимулирует кроветворение, улучшает нервную деятель34 ность при заболеваниях, связанных с недостатком фосфора в организме. Двухатомные фенолы Двухатомные фенолы – пирокатехин, резорцин, гидрохинон – входят в состав многих природных соединений. Все они дают характерное окрашивание с хлоридом железа. Пирокатехин (одигидроксибензол, катехол) является структурным элементом многих биологически активных веществ в частности катехоламинов. Его монометиловый эфир гваякол, применяется как лекарственное средство при катаре верхних дыхательных путей. Резорцин (м-дигидроксибензол) используется при лечении кожных заболеваний в составе примочек или мазей. Гидрохинон (п-дигидроксибензол) применяется как проявитель в фотографии. В организме восстановительная способность замещенного гидрохинонового фрагмента делает его участником важного процесса транспорта электронов от окисляемого субстрата к кислороду. Сама гидрохиноновая группировка окисляется при этом в хиноидную. Простейшим диамином является этилендиамин. Он образуется при аммонолизе 1,2дихлорэтана или этиленимина. Тетраметилендиамин (путресцин) и пентаметилендиамин (кадаверин) длительное время считали трупными ядами, т. е. соединениями, образующимися при декарбоксилировании диаминокислот и обусловливающими ядовитость гниющих белков. H2NCH2CH2CH2CH2NH2 Н2NСН2СН2СН2СН2СН2МН2 Путресцин Кадаверин В настоящее время выяснено, что ядовитые свойства белкам при гниении придают другие вещества. Дикарбоновые и ненасыщенные карбоновые кислоты. Карбоновые кислоты, содержащие в своем составе одну карбоксильную группу, называют одноосновными, две — двухосновными т. д. Дикарбоновые кислоты – белые кристаллические вещества, обладающие более кислым характером, чем монокарбоновые ты. Дикарбоновые кислоты образуют два ряда функциональных производных – по одной и двум карбоксильным группам; получить их можно общими для карбоновых кислот методами. Щавелевая кислота НООС–СООН – простейшая двухосновная кислота. Ее соли называют оксалатами. Некоторые из них трудно растворимы и часто образуют камни в почках и мочевом пузыре (оксалатные камни). К таким солям относится оксалат кальция. При нагревании с серной кислотой щавелевая кислота разлагается с образованием СО. Малоновая кислота НООС–СН2–СООН и ее производные по метиленовой группе легко декарбоксилируются при нагревании выше 100 °С. Эта реакция лежит в основе общего способа получения замещенных производных уксусной кислоты Янтарная кислота в заметном количестве находится в янтаре – отсюда она и получила свое название. Некоторые ее производные, например имид (сукцинимид) и соли (сукцинаты), называют с учетом латинского названия янтаря. Окисление (дегидрирование) янтарной кислоты в фумаровую, катализируемое ферментом сукцинатдегидрогеназой, осуществляется с участием кофермента ФАД. Реакция протекает стереоспецифично с отщеплением атомов водорода и образованием фумаровой кислоты. Аминоспиртами называют соединения, содержащие в молекуле одновременно амино- и гидроксигруппы. У одного атома углерода эти группы удерживаются непрочно (происходит отщепление аммиака с образованием карбонильного соединения или воды с образованием имина). Поэтому простейшим представителем аминоспиртов является 2-аминоэтанол, соединение, в котором две функциональные группы расположены у соседних атомов углерода. Аминоспирты 2-Аминоэтанол (этаноламин, коламин) – структурный компонент сложных липидов, образуется путем размыкания напряженных трехчленных циклов этиленоксида и этиленимина аммиаком или водой соответственно (реакции нуклеофильного замещения). 35 Холин (триметил-2-гидроксиэтиламмоний) — структурный элемент сложных липидов. Имеет большое значение как витаминоподобное вещество, регулирующее жировой обмен. В организме холин может образоваться из аминокислоты серина. При этом сначала в результате декарбоксилирования серина получается 2-аминоэтанол (коламин), который затем подвергается исчерпывающему метилированию при участии S-аденозилметионина (SAM). В результате окисления свободного холина in vivo образуется биполярный ион бетаин, который может служить источником метильных групп в реакциях трансметилирования. Биологическая роль сложных эфиров холина. Замещенные фосфаты холина являются структурной основой фосфолипидов — важнейшего строительного материала клеточных мембран. Сложный эфир холина и уксусной кислоты — ацетилхолин — наиболее распространенный посредник при передаче нервного возбуждения в нервных тканях (нейромедиатор). Он образуется в организме при ацетилировании холина с помощью ацетил кофермента А. При ингибировании ацетилхолинэстеразы ацетилхолин накапливается в организме, что приводит к непрерывной передаче нервных импульсов и соответственно непрерывному сокращению мышечной ткани. На этом основано действие инсектицидов (химических средств уничтожения насекомых) и нервно паралитических ядов — зарина, табуна — фосфорорганических соединений, которые, реагируя с остатком серина, содержащимся в активном центре ацетилхолинэстеразы, ингибируют действие этого фермента. В медицинской практике используется ряд производных холина. Ацетилхолин хлорид применяется в качестве сосудорасширяющего средства. Карбамоилхолинхлорид (карбахолин) — холинуретан, сложный эфир холина и карбаминовой кислоты, не гидролизуется холинэстеразой и поэтому активнее холина и обладает более продолжительным действием. Сукцинил-холиниодйд (дитилин) — сложный эфир холина и янтарной кислоты, оказывает мышечно-расслабляющий эффект. Важную роль в организме играют аминоспирты, содержащие в качестве структурного фрагмента остаток пирокатехина. Они носят общее название катехоламинов. Катехоламины — представители биогенных аминов, образующихся в организме в результате процессов метаболизма. К катехоламинам относятся дофамин, норадреналин и адреналин, выполняющие, как и ацетилхолин, роль нейромедиаторов. Адреналин является гормоном мозгового вещества надпочечников. Адреналин участвует в регуляции сердечной деятельности. При физиологических стрессах он выделяется в кровь («гормон страха»). Активность адреналина связана с конфигурацией хирального центра, определяющей взаимодействие с рецептором. Подобно 1,2-дигидроксибензолу, катехоламины с раствором хлорида железа (III) дают изумрудно-зеленое окрашивание, переходящее в вишнево-красное при добавлении раствора амиака, что может служить качественной реакцией на эти соединения. Структурно близки катехоламинам некоторые природные и синтетические биологически активные вещества, применяемые в производстве лекарственных средств. Примерами служат алкалоид иофедрин, оказывающий сосудорасширяющее действие, и синтетический препарат мезатон, повышающий, подобно норадреналину, артериальное давление. Оба вещества применяются в виде гидрохлоридов. Гидрокси- и аминокислоты. Гидроксикислоты содержат в молекуле одновременно гидроксильную и карбоксильную группы, аминокислоты — карбоксильную и аминогруппу. В зависимости от расположения гидрокси- или аминогруппы по отношению к карбоксилу различают -, -, - и т. д. гидроксикислоты или аминокислоты. -Гидрокси и а-аминокислоты. При нагревании эти соединения претерпевают межмолекулярную дегидратацию с образованием шестичленных кислород- и азотсодержащих гетероциклов — лактидов и дикетопиперазинов соответственно. -Гидроксикислоты способны разлагаться при нагревании в присутствии минеральных кислот с образованием карбонильных соединений и муравьиной кислоты. Гликолевая кислота НОСН2СООН — простейший представитель гидроксикислот. Встречается во многих растениях, например свекле и винограде. 36 Молочная кислота СН3СН(ОН)СООН — одна из важнейших гидроксикислот. Широко распространена в природе как продукт молочнокислого брожения лактозы, содержащейся в молоке, и других углеводов, входящих в состав овощей и плодов. Кислое молоко, кефир, кислая капуста, моченые яблоки и т. д. содержат в значительном количестве молочную кислоту, образующуюся в результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий. Соли называют лактаты. Молочная кислота содержит асимметрический атом углерода, поэтому может существовать в виде двух энантиомерных форм. В организме L-(+)-молочная кислота, называемая также мясомолочной кислотой, является одним из продуктов превращения глюкозы (гликолиза). Она накапливается в мышцах при интенсивной работе, вследствие чего в них возникает характерная боль. Причина накопления молочной кислоты – недостаток кислорода, что вызывает восстановление пировиноградной кислоты в молочную с участием кофермента НАДН. Оксокислоты Оксокислоты — соединения, содержащие одновременно карбоксильную и альдегидную (или кетонную) группы. В соответствии с этим различают альдегидокислоты и кетокислоты. Простейшей альдегидокислотой является глиоксиловая кислота НООС—СНО. Она содержится в недозрелых фруктах, но по мере созревания ее количество уменьшается. Глиоксиловая кислота обычно существует в виде гидрата НООС—СН(ОН)2. Электроноакцепторная карбоксильная группа в глиоксиловой кислоте, подобно трихлорметильной группе хлораля, создает значительный дефицит электронной плотности и соседнем атоме углерода, в результате чего две гидроксильные группы при нем удерживаются достаточно прочно. Важную роль в биохимических процессах играют следующие кетонокислоты. Пировиноградная, щавелевоуксусная и -оксоглутаровая кислоты участвуют в цикле трикарбоновых кислот. Ацетоуксусная кислота относится к -кетонокислотам. При переаминировании -кетонокислоты образуют соответствующие -аминокислоты. Пировиноградная кислота СН3С(О)СООН (т. пл. 14 °С, т. кип. 165 °С) — одно из центральных соединений в цикле трикарбоновых кислот. Она является также одним из промежуточных продуктов при молочнокислом и спиртовом брожении углеводов. Может быть получена при взаимодействии ацетилхлорида с цианидом калия с последующим гидролизом образующегося кетононитрила или путем окисления молочной кислоты. Своим названием пировиноградная кислота обязана тому, что впервые была выделена при пиролизе виноградной кислоты. Ее соли называют пируватами. Пировиноградная кислота легко декарбоксилируется при нагревании с разбавленной и декарбонилируется — с концентрированной серной кислотой. При окислении пировиноградная кислота превращается в уксусную кислоту и оксид углерода (IV). Декарбоксилирование пировиноградной кислоты in vivo протекает в присутствии фермента декарбоксилазы и соответствующего кофермента. Получающийся при этом ацетальдегид, не теряя связи с коферментом («активный ацетальдегид»), может присоединяться к - кетонокислотам, образуя -ацето--гидроксикислоты. Пировиноградная кислота сильнее уксусной и способна к енолизации. Важное её производное – фосфоенолпировиноградная кислота (фосфат енольной формы пировиноградной кислоты). В организме анион этой кислоты – фосфоенолпируват – образуется в процессе гликолиза и служит предшественником пирувата. Ацетоуксусная кислота СН3С(О)СН2СООН — пример -кетонокислоты. В свободном состоянии представляет сиропообразную жидкость, уже при комнатной температуре медленно выделяющую диоксид углерода. Получающийся при этом ацетон образуется первоначально в енольной форме. Подобное декарбоксилирование – общее свойство -кетонокислот. Ацетоуксусная кислота образуется in vivo в процессе метаболизма высших жирных кислот и как продукт окисления -гидроксимасляной кислоты наряду с продуктами ее превращений накапливается в организме у больных сахарным диабетом (так называемые «ацетоновые» или «кетоновые» тела). Большое теоретическое значение в связи с вопросами таутомерии и двойственной реакционной способности имеет этиловый эфир ацетоуксусной кислоты СН3С(О)СН2СООС2Н5, так называемый ацетоуксусный эфир. 37 Ацетоуксусный эфир — бесцветная жидкость (т. кип. 181 °С) с приятным фруктовым запахом. Впервые синтезирован более 100 лет назад, его строение долгое время было предметом острых дискуссий. Основная трудность заключалась в том, что в результате его химических превращений получались два ряда производных – ацетоуксусной и - гидроксикротоновой кислот, т.е. ацетоуксусный эфир оказался веществом, проявляющим двойственную реакционную способность. В соответствии со строением ацетоуксусного эфира (вещества, имеющего кетонную группу) протекают реакции присоединения циановодородной кислоты и восстановления. Однако под действием натрия, гидроксида натрия или при ацилировании в определенных условиях образуются производные -гидроксикротоновой кислоты, т. е. соединения с енольной группой. Исследования показали, что ацетоуксусный эфир представляет смесь двух изомеров – кетона (95 %) и енола (5 %), находящихся в таутомерном равновесии. Это еще один пример кето-енольной таутомерии. СН3–С–СН2–СООС2Н5 О 92,5% Этиловый эфир ацетоуксусной кислоты (кетонный таутомер) 2[H] HCN Этиловый эфир -гидроксикротоновой кислоты (енольный таутомер) NaOH (-H2O) OH СН3–CH–СН2СООС2Н5 92,5% Этиловый эфир 2-гидроксибутановой кислоты СН3–С=СН–СООС2Н5 7,5% OH CH3C O Cl (-HCl) ONa СН3C=СНСООС2Н5 Натрийацетоуксууный эфир OH СН3–C–СН2СООС2Н5 CN Нитрил моноэтилового эфира 2-гидрокси-2-метилбутандиовой кислоты OCOCH3 СН3C=СНСООС2Н5 Этиловый эфир -ацетоксикротоновой кислоты При действии на ацетоуксусный эфир какого-либо реагента в реакцию вступает один из таутомеров. Поскольку второй таутомер за счет равновесия восполняет убыль реагирующего таутомера, то таутомерная смесь реагирует в данном направлении Скорость установления таутомерного равновесия может быть оценена на основании изучения взаимодействия ацетоуксусного эфира с бромом в присутствии хлорида железа(III). Ацетоуксусный эфир как енол образует с хлоридом железа характерное фиолетовое окрашивание. Если к этому окрашенному раствору прибавлять по каплям бром то енольный таутомер, присоединяя бром по двойной связи, переходит в бромпроизводное и окраска исчезает. Однако чернз некоторое время окраска вновь появляется, так как нарушенное равновесие восстанавливается и кетонный мономер частично переходит в енольную форму. Опыт можно вторить несколько раз, пока все взятое количество ацетоуксусного эфира не прореагирует с бромом. Ацетоуксусный эфир широко применяется в органическом синтезе как исходное вещество для получения кетонов, карбоновых кислот, гетерофункциональных соединений, в том числе производных гетероциклов, представляющих интерес в качестве лекарственных средств. Гетерофункциональные производные бензола как лекарственные средства. Последние десятилетия характеризуются появлением множества новых лекарственных средств и препаратов. Вместе с тем большое значение продолжают сохранять некоторые группы известных ранее лекарственных средств, в частности таких, структурную основу которых составляет бензольное ядро. Сам бензол может быть причиной острых и хронических отравлений. Он оказывает раздражающее действие на кожу, пары его в большой концентрации вызывают возбуждение, расстройство дыхания. Монофункциональные производные бензола в большинстве случаев также обладают выраженными токсическими свойствами. Фенол, анилин, галогенопроизводные ароматического ряда служат исходными или промежуточными продуктами крупнотоннажной химической промышленности. В связи с этим необходимо учитывать их токсическое действие. Среди монофункциональных производных бензола особое место занимает производное с карбоксильной группой — бензойная кислота, применяемая в медицине в виде натриевой соли 38 (натрия бензоат) как отхаркивающее средство. Бензойная кислота в свободном виде встречается в некоторых смолах и бальзамах, а также клюкве, бруснике, но чаще содержится в связанном виде, например, в виде N-бензоильного производного аминоуксусной кислоты C6H5CONHCH2COOH, называемого гиппуровой кислотой. Гиппуровая кислота образуется в печени из бензойной и аминоуксусной кислот и выводится с мочой. В клинической практике по количеству гиппуровой кислоты в моче больных (после приема бензоата натрия) судят об эффективности обезвреживающей функции печени. Как гетерофункциональное соединение п- аминофенол образует производные по каждой функциональной группе в отдельности и одновременно по двум функциональным группам. пАминофенол ядовит. Интерес для медицины представляют его производные – парацетамол, фенацетин, оказывающие анальгетическое (обезболивающее) и жаропонижающее действие. Парацетамол является N-ацетильным производным п-аминофенола. Фенацетин получается при ацетилировании этилового эфира п-аминофенола, называемого фенетидином. OH NH2 п-Аминофенол OC2H5 NH2 Этиловый эфир n-аминофенола (фенетидин) OH NHCOCH3 п-Ацетамидофенол (парацетамол) OC2H5 NHCOCH3 Этиловый эфир n-ацетамидофенола п-Аминобензойная кислота (ПАБК) и ее производные. Эфиры ароматических аминокислот обладают общим свойством – способностью в той или иной степени вызывать местную анестезию, т.е. потерю чувствительности. Особенно заметно это свойство выражено у пара- производных. В медицине используют анестезин (этиловый эфир ПАБК) и новокаин (-диэтиламиноэтиловый эфир ПАБК). Новокаин применяют в виде соли (гидрохлорида), что связано с необходимостью повышения его растворимости в воде. CO-OC2H5 NH2 Анестезин CO-OCH2-CH2N(C2H5)2HCl NH2 Новокаин Анестезин и новокаин несколько уступают по силе анестезирующего действия кокаину, широко употреблявшемуся ранее в медицинской практике. Однако замена кокаина на новокаин имела важное значение в связи с выведением из практики вещества, при хроническом применении которого развивается лекарственная зависимость (кокаинизм). Новокаин в основе своей структуры имеет те же фрагменты, что и кокаин. п-Аминобензойная кислота является фактором роста микроорганизмов и участвует в синтезе фолиевой кислоты, при недостатке или отсутствии которой микроорганизмы погибают. Название кислоты связано с выделением ее из листьев шпината (от лат. folium – лист). Фолиевая кислота играет важную роль в метаболизме нуклеиновых кислот и белков; в организме человека не синтезируется. Фолиевая кислота (витамин В) включает три структурных фрагмента — ядро птеридина, паминобензойную и L-глутаминовую кислоты. Обе функциональные группы п- аминобензойной кислоты участвуют в образовании связей с двумя другими компонентами. Сульфаниловая кислота (п-аминобензолсульфокислота) легко получается при сульфировании анилина, существует в виде диполярного иона. Амид сульфаниловой кислоты (сульфаниламид), известный под названием стрептоцид, является родоначальником группы лекарственных средств, обладающих антибактериальной активностью и называемых сульфаниламидами (сульфамидами). Антибактериальное действие сульфаниламидов основано на том, что они являются антиметаболитами по отношению к п-аминобензойной кислоте, участвующей в биосинтезе фолиевой кислоты в микроорганизмах. Амид сульфаниловой кислоты имеет структурное сходство с п39 аминобензойной кислотой. При наличии в бактериальной среде сульфаниламидов, они конкурируют с аминобензойной кислотой на стадии образования птероевой кислоты и связываются с птеридиновым фрагментом. Наличие сульфамидной группы препятствует дальнейшему взаимодействию с глутаминовой кислотой, и биосинтез фолиевой кислоты прекращается, что ведет к гибели бактерий. Избирательность бактериального действия сульфаниламидов основана на том, что фолиевая кислота в человеческом организме не синтезируется. Таким образом, сульфаниламиды блокируют метаболические реакции, существенные для определенных бактерий (пневмококки, стрептококки и др.), и в то же время не влияют на организм человека. Салициловая кислота относится к группе гидроксибензойных кислот. Как огидроксибензойная кислота она легко декарбоксилируется при нагревании с образованием фенола. Салициловая кислота растворима в воде, дает интенсивное окрашивание с хлоридом железа(III) (качественное обнаружение фенольной гидроксильной группы). Она оказывает антиспазматическое, жаропонижающее и антигрибковое действие, но как сильная кислота (рКа 2,98) вызывает раздражение пищеварительного тракта и поэтому применяется только наружно. Внутрь применяют ее производные – соли или эфиры. Салициловая кислота способна образовывать производные по любой функциональной группе. Практическое значение имеют салицилат натрия, сложные эфиры по СООН-группе (метилсалицилат, фенилсалицилат (салол)) и ОН-группе – ацетилсалициловая кислота (аспирин). Перечисленные производные (кроме салола) оказывают анальгетическое, жаропонижающее и противовоспалительное действие. Метилсалицилат из-за раздражающего действия используется наружно в составе мазей. Салол применяется как дезинфицирующее средство при кишечных заболеваниях и примечателен тем, что в кислой среде желудка не гидролизуется, а распадается только в кишечнике, поэтому используется также в качестве материала для защитных оболочек некоторых лекарственных средств, которые не стабильны в кислой среде желудка. Салициловая кислота впервые была получена путем окисления салицилового альдегида, содержащегося в растении таволге (род Spireae). Отсюда и ее первоначальное название — спировая кислота, с которым связано название аспирин (начальная буква «а» обозначает ацетил). Ацетилсалициловая кислота в природе не найдена. Из других производных салициловой кислоты большое значение имеет п- аминосалициловая кислота (ПАСК) как противотуберкулезное средство. ПАСК является антагонистом паминобензойной кислоты, необходимой для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Другие изомеры таким действием не обладают. м-Аминосалициловая кислота является высокотоксичным веществом. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. -Гидроксикислоты получают при действии водным раствором щелочи на - галогенокарбоновые кислоты. Синтезируйте молочную (2-гидроксипропановую) кислоту из соответствующей галогенкарбоновой кислоты. Каков механизм реакции? Является ли молочная кислота оптически активным соединением? Если да, изобразите оба энантиомера. 2. В метаболизме некоторых -аминокислот участвует гомосерин (2-амино-4- гидроксибутановая кислота) и его лактон. Напишите уравнение образования лактона гомосерина. 3. Яблочная кислота НООС-СНОН-СН2СООН при нагревании отщепляет воду. Напишите схему реакции дегидратации яблочной кислоты и объясните механизм. Чем объясняется легкость дегидратации яблочной кислоты? 4. Какое вещество можно распознать при помощи свежеосажденного гидроксида меди (II): а) глицерин; б) 1,3- бутадиен; в) этиловый спирт; г) бромбутан? К какому классу органических соединений относится выбранное Вами вещество? Обладает ли оно кислотными свойствами? 5. Наличие какой функциональной группы (групп) в молекуле салициловой кислоты подтверждает реакция декарбоксилирования: а) карбоксильной; б) фенольного фрагмента; в) карбонильной; г) метильной; д) альдегидной. 6. Образование цикла при нагревании 4-гидроксипентановой кислоты это реакция: а) дегидрирование; б) дегидратация; в) гидролиз; г) гидрирование; д) гидратация. Приведите формулу соединения, образующегося при нагревании 4-гидроксипентановой кислоты. 40 ТЕМА 10. БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Гетероциклические соединения (гетероциклы) – соединения, включающие в цикл один или несколько атомов, отличных от углерода (гетероатомов). Гетероциклические системы лежат в основе структуры соединений различных классов биологически активных веществ, таких как ДНК, РНК, многих лекарственных препаратов, а также алкалоидов. Последние представляют собой азотсодержащие гетероциклы растительного происхождения, обладающие выраженным физиологическим действием. К ним относятся различные наркотические средства, никотин, кофеин, морфин, атропин и др. Наибольшее значение для организма имеют ароматические азотсодержащие гетероциклы — сопряженные системы, содержащие атом (атомы) азота и удовлетворяющие критерию ароматичности. Ароматические гетероциклы можно подразделить на две группы. 1. -Избыточные системы — молекулы с повышенной электронной плотностью внутри цикла. Это происходит, когда пара р-электронов атома азота вступает в сопряжение с -электронами атомов углерода (р, -сопряжение). В этом случае гетероатом является электронодонором, а повышение электронной плотности внутри цикла облегчает протекание реакций по механизму SЕ (в -положение к гетероатому); соединения легко окисляются. Простейшим примером -избыточной гетероциклической системы является пиррол: Электронодонорный атом азота, называемый пиррольным, является NH-кислотным центром. Кислотные свойства выражены очень слабо; например, пиррол взаимодействует со щелочными металлами и их амидами. Восстанавливается пиррол с трудом в жестких условиях, образуя гетероцикл пирролидин, обладающим сильноосновными свойствами. Пиррольное ядро входит в состав порфина, порфирина (тетрапиррольные соединения), природной аминокислоты триптофана, в состав индола (бензопиррола): 2. -Дефицитные системы — гетероциклы с пониженной электронной плотностью внутри цикла. В этом случае в сопряжении с -электронами атомов углерода участвует только один элекгрон атома азота, а электронодефицитное состояние обусловлено большей по сравнению с атомом углерода электроотрицательностью атома азота. В этом случае гетероатом является акцептором протона за счет пары электронов, не участвующей в сопряжении, и проявляет основные свойства (пиридиновый атом азота). Электронодефицитное состояние ароматической системы приводит к затруднению реакции SЕ (в -положении к гетероатому). Простейшим примером такой гетероциклической системы является пиридин: Соединения, содержащие пиридиновый цикл, с трудом окисляются, но легче восстанавливаются (гидрируются). Например, в хинолине (бензопиридине), представляющем конденсированную ароматическую систему, окислению легче подвергается бензольное кольцо, а восстановлению — пиридиновое. 41 Однако гомологи пиридина легко окисляются даже в мягких условиях. Так, при окислении пиколина (2-метилпиридина) образуется никотиновая кислота (витамин РР): Ядро пиридина и пиперидина входит в состав витаминов (РР, группы В), анестетиков и т.д. Кроме того, пиридиновый атом азота проявляет нуклеофильные свойства, реагируя с галогеналканами, образуя алкилпиридиниевые ионы, которые в свою очередь с такими сильными нуклеофилами, как гидрид-ион, дают четвертичные алкилпиридиниевые соли. Реакция лежит в основе действия кофермента НАД+, содержащего замещенный катион пиридиния: Наконец, сочетание в одной молекуле пиррольного и пиридинового атомов азота обусловливает амфотерные свойства, которые выражены слабо вследствие «слабости» NH-кислотного и Nосновного центров. Таким образом, не происходит полного переноса протона, как в случае аминокислот, однако возможно образование межмолекулярных водородных связей, как в случае имидазола: а также взаимодействие соединений с кислотами и щелочами (в отличие от пиррола). Ядро имидазола входит, в частности, в состав аминокислоты гистидина и продукта ее декарбоксилирования – биогенного амина гистамина. Сочетание в молекуле двух пиридиновых атомов азота приводит к увеличению дефицита электронов внутри цикла и еще большему по сравнению пиридином понижению активности (инертности) соединений в реакциях SЕ а также уменьшению их основности по сравнению с пиридином. Так, шестичленный гетероцикл с двумя пиридиновыми атомами азота – пиримидин – в реакции с серной кислотой образует соли только по одному атому азота: Для многих замещенных гетероциклов с двумя атомами азота, а также для некоторых гетерофункциональных соединений характерно явление таутомерии. Таутомерия – это равновесная динамическая изомерия, сопровождающаяся миграцией (переносом) подвижной группы между двумя или несколькими реакционными центрами в молекуле. Если осуществляется перенос протона Н+, то таутомерия называется прототропная. Пример прототропной таутомерии – таутомерия гомологов имидазола (перенос протона между двумя атомами азота): Таким образом, в основе явления таутомерии лежит кислотно-основное взаимодействие. К 42 разновидностям прототропной таутомерии можно отнести лактим-лактамную (перенос протона между атомами азота и кислорода), енамин-иминную (перенос протона между атомами азота и углерода) и кето-енольную (перенос протона между атомами кислорода и углерода). Первые два вида таутомерии удобно рассмотреть на примере гидрокси- и аминопроизводных пиримидина (соединений, входящих в состав нуклеиновых кислот), например цитозина (прямые стрелки указывают направление смещения таутомерного равновесия; изогнутые – направление миграции протона): Кето-енольная таутомерия пировиноградной кислоты описывается равновесием: В большинстве случаев кетонный таутомер оказывается гораздо более устойчивым. Присутствие енольного таутомера, однако, можно подтвердить образованием (при взаимодействии с фосфорной кислотой) фосфоенолпирувата – важнейшего метаболита в процессе гликолиза: В некоторых случаях может происходить значительная стабилизация енольной формы либо за счет возникновения термодинамически выгодной сопряженной системы, либо за счет образования водородных связей. Так, молекула щавелевоуксусной кислоты преимущественно находится в форме енольного таутомера, поскольку в ней реализуется система сопряженных связей (включает шесть атомов) и образуется внутримолекулярная водородная связь (показана точками): Производные пиримидина входят в состав ряда алкалоидов и сульфаниламидов. Присутствие гидроксильных групп придает соответствующим производным пиримидина кислые свойства. Особенно сильные кислотные свойства проявляет 2,4,6- тригидроксипиримидин – барбитуровая кислота – более сильная, чем уксусная. Барбитуровая кислота представляет собой циклический уреид малоновой кислоты. Она может быть получена при взаимодействии малонового эфира с мочевиной в присутствии этоксида натрия. O=C NH2 + NH2 Мочевина Н O C2H2O-C CH2 C2H2O-C O Малоновый эфир C2H5ONa -2C2H5OН O N O N O Н Барбитуровая кислота 43 Для барбитуровой кислоты характерны лактим-лактамная и кето-енольная таутомерии. Большую роль в качестве снотворных и противосудорожных средств играют 5,5- дизамещенные производные барбитуровой кислоты, так называемые барбитураты. Их получают аналогично барбитуровой кислоте, используя дизамещенные эфиры малоновой кислоты. Для барбитуратов возможна только лактим-лактамная таутомерия. Они легко образуют водорастворимые соли с одним эквивалентом щелочи H O R N R O N O H Лактамная форма O R NaOH H R N N R R NaO N O НO N O H O Натриевая соль барбитурата Лактимная форма Примерами барбитуратов служат 5,5-диэтилбарбитуровая кислота, барбитал (веронал) R = R’ = C2H5, ее натриевая соль, барбитал-натрий, 5-этил-5-фенилбарбитуровая кислота, фенобарбитал (люминал) R=C2H5, R’ = C6H5. Тиамин (витамин В1) – один из важнейших витаминов – содержит два гетероциклических кольца – пиримидиновое и тиазольное, связанные метиленовой группой. Из бициклических гетероциклов наиболее распространены в природе соединения пуринового и перидинового рядов. Пурин — бициклическое гетероциклическое соединение, обработанное конденсированными Ядро ядрами пиримидина и имидазола пиримидина Ядро имидазола 7 6 1 5 N N8 2 N 4N 9 3 H Пурин Пуриновая система ароматична. Она включает 8 -электронов двойных связей и неподеленную пару электронов атома азота в положении 9, что соответствует правилу Хюккеля (4п + 2, где п = 2). Пурин (т. пл. 216 °С) устойчив к действию окислителей, хорошо растворим в воде, амфотерен, образует соли не только с сильными кислотами, но (благодаря наличию NH-группы) и со щелочными металлами. Наиболее важны гидрокси- и аминопурины, принимающие активное участие в процессах жизнедеятельности. 6- Гидроксипурин (гипоксантин), 2,6- дигидроксипурин (ксантин) и 2,6,8- тригидроксипурин (мочевая кислота) – образуются в организме при метаболизме нуклеиновых кислот. У гидроксипуринов возможна как лактим-лактамная таутомерия, так и миграция атома водорода между атомами азота в положениях 7 и 9 имидазольного кольца, по аналогии с имида-золом. Мочевая кислота – конечный продукт метаболизма пуриновых соединений в организме. Она выделяется с мочой в количестве 0,5-1 г в сутки. Мочевая кислота двухосновна, плохо растворима в воде, но легко растворяется в щелочах, образуя соли с одним или двумя эквивалентами щелочи. Соли мочевой кислоты называют уратами. При некоторых нарушениях в организме они откладываются в суставах (подагра), а также в виде почечных камней. В результате нагревания мочевой кислоты с азотной кислотой с последующим добавлением аммиака к охлажденной реакционной смеси появляется интенсивное фиолетовое окрашивание. Оно используется для качественного обнаружения соединений, содержащих пуриновое ядро (мурексидная реакция). По химическому поведению ксантин и гипоксантин в значительной степени аналогичны мочевой кислоте. Они амфотерны и образуют соли с кислотами и щелочами. N-метилзамещенные производные ксантина относятся к алкалоидам. Аминопурины. Наиболее важные 6-аминопурин, или аденин и 1-амино-6-гидроксипурин, или гуанин, являющиеся обязательными компонентами нуклеиновых кислот. Аденин входит в состав некоторых коферментов. Для аденина возможна прототропная таутомерия за счет миграции атома водорода между N-7 и N-9. 44 В водных растворах HN-7-таутомер преобладает в 2,5 раза, возможно вследствие внутримолекулярной водородной связи между атомом водорода NH-группы и атомом азота аминогруппы и С-6. Для гуанина возможна также лактим-лактамная таутомерия. При действии азотистой кислоты на аденин и гуанин происходит их дезаминирование с образованием гипоксантина и ксантина соответственно NH2 N H N -N2,-H2O N N Аденин OH N H2N N OH HNO2 N N Гипоксантин OH H HNO2 N N -N2,-H2O N N HO Гуанин H N N H N N Птеридин-бициклический гетероцикл, образованный конденсированными ядрами пиримидина и пиразина H Ядро N N N N пиримидина N N Ядро N пиразина N N OH3 H N H O N O N N N Птеридин 2-Амино-6-метил-4-оксоптеридин(фрагмент фолиевой кислоты) 2,4-Диоксоптеридин (фрагмент рибофлавина) Ксантин Птеридиновая система ароматична, устойчива к действию окислителей, проявляет основные свойства. В природе довольно широко распространены гидрокси- и аминоптеридины. В частности, остаток 2-амино-6-метил-4-оксо-птеридина входит в состав фолиевой кислоты, а фрагмент 2,4диоксоптеридина присутствует в важнейшем витамине рибофлавине – факторе роста живых организмов (витамин В2). Алкалоидами называют гетероциклические азотсодержащие основания растительного происхождения, обладающие выраженным физиологическим действием. Как правило, алкалоиды представляют собой третичные амины и содержатся в растениях в виде солей органических кислот – лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной и др. Их выделение, очистка и установление строения – весьма трудоемкая задача, которая включает использование методов современной органической химии (хроматография, ИК-, УФ- и ЯМР-спектроскопия, масс- спектрометрия, рентгеноструктурный анализ). Алкалоиды – обычно бесцветные кристаллические вещества горького вкуса, практически не растворимые в воде, но растворимые в органических растворителях – эфире, хлороформе, бензоле. Их соли, напротив, хорошо растворимы в воде и не растворимы в органических растворителях. К настоящему времени известно более 5000 алкалоидов. Большинство из них оптически активны. В основе структуры алкалоидов лежит какой-либо гетероцикл. Это обстоятельство учитывается при химической классификации алкалоидов. Ранее применялась также классификация алкалоидов по ботаническому признаку, т. е. по группам растений, из которых они и выделены (алкалоиды пасленовых, алкалоиды опия и т. д.). Антибиотиками называют вещества, синтезируемые микроорганизмами и способные препятствовать развитию других микроорганизмов. По химической структуре антибиотики относятся к различным классам органических соединений. Синтез антибиотиков труден, поэтому в промышленных масштабах их получают микробиологическим или полусинтетическим путем. В основе структуры пенициллинов лежит пенициллановая кислота, содержащая два конденсированных гетероциклических кольца Природные и полусинтетические пенициллины представляют собой N-ацилированные различными ацильными радикалами производные 6-аминопенициллановой кислоты. Природа радикала в ацильной группе учитывается в названии пенициллина. Например, соединение с R = С6Н5СН2– называют бензилпенициллином, а с R = C6H5OCH3 – феноксиметилпенициллином. 6-Аминопенициллановая кислота может рассматриваться как дипептид. Основная особенность строения пенициллинов, долгое время препятствовавшая установлению их структуры, за45 ключается в наличии четырехчленного -лактамного кольца, не встречавшегося ранее в природных соединениях. -Лактамное кольцо чрезвычайно лабильно. В мягких условиях оно гидролизуется с разрывом связи С7 – N4, что приводит к потере биологической активности. Природные пенициллины обладают довольно избирательнымспектром, полусинтетические – гораздо более широким спектром антимикробного действия. Цефалоспориновые антибиотики близки по строению к пенициллинам а также содержат лактамное кольцо. В основе их структуры лежит цефалоспорановая кислота, содержащая два конденсированных гетероциклических кольца – шестичленное частично гидрированное 1,3тиазиновое (А) и четырехчленное -лактамное (В). Антибиотики цефалоспориновой группы являются производными 7- аминоцефалоспорановой кислоты. Они обладают широким спектром действия и тормозят рост некоторых штаммов бактерий, устойчивых к пенициллину. Стрептомицин относится к аминогликозидам, грамицидин и инсулин – к пептидам, а левомицетин (хлоромицетин) – к производным аминодиола. Этот антибиотик имеет относительно простое строение и является пока единственным, производимым полностью синтетическим путем. Тетрациклины представляют собой производные частично гидрированного нафтацена – соединения, состоящего из четырех линейно конденсированных шестичленных коциклов. Тетрациклины обладают широким спектром антимикробного действия и могут быть использованы даже при вирусных заболеваниях. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Воспалительные процессы при подагре вызываются осаждением в суставах мононатриевой соли мочевой кислоты. В какой таутомерной форме мочевая кислота участвует в образовании натриевой соли? 2. Спазмолитическое средство дибазол является гидрохлоридом 2-бензимидазола. Какой из двух атомов азота имидазольного ядра участвует в реакции образования этой соли. 3. В каком сочетании нет соответствия между названием гетероцикла и его формулой: а) цитозин; б) гуанин; в) аденин; г) фуран; д) пиридин. N 4. Приведите структурную формулу пиррола. Является ли это соединение ароматическим? 46 ТЕМА 11. АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ, БЕЛКИ Строение и свойства аминокислот и пептидов. Аминокислоты — соединения, в молекулах которых одновременно присутствуют амино- и карбоксильные группы. Природные -аминокислоты являются биологически активными соединениями Строение аминокислот. Все -аминокислоты можно рассматривать как результат замены атома водорода в простейшей -аминокислоте – глицине – на тот или иной радикал R. Таким образом, в соответствии с природой радикала R, называемого боковой цепью, -аминокислоты подразделяют на 4 группы, отличающиеся гидрофильностью или гидрофобностью боковых цепей, а также способностью боковой цепи проявлять кислотные или основные свойства. Стереохимия природных -аминокислот характеризуется тем, что все они, кроме глицина, имеют асимметрический атом углеродa (атом, связанный и с амино-, и с карбоксильной группой), конфигурация которого может быть отождествлена с конфигурацией L- глицеринового альдегида путем цепи химических превращений: Превращения либо не должны затрагивать хиральный центр, либо должны протекать строго стереоспецифично. Следовательно, все природные -аминокислоты являются энантиомерами. Конфигурация асимметрического центра аминокислот определяет биологические свойства как самих аминокислот, так и олиго- и полимерных соединений, мономерами которых служат остатки аминокислот (эти соединения называют пептидами). Свойства аминокислот. Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества с довольно высокими температурами плавления (более 230 °С). Большинство кислот хорошо растворимы в воде и практически не растворимы в спирте и диэтиловом эфире, что указывает на солеобразный характер этих веществ. Специфическая растворимость аминокислот обусловлена наличием в молекуле одновременно аминогруппы (основный характер) и карбоксильной группы (кислотные свойства), благодаря чему аминокислоты принадлежат к амфотерным электролитам (амфолитам). В водных растворах и твердом состоянии аминокислоты существуют только в виде внутренних солей — цвиттер-ионов. Кислотно-основное равновесие для аминокислоты может быть описано: Если к раствору аминокислоты приложено электрическое поле, то в зависимости от показателя рН раствора ионы аминокислоты будут перемещаться по-разному: в кислой среде при рН < 7 аммонийные ионы аминокислот перемещаются к отрицательному полюсу (катоду), а в щелочной среде при рН > 7 карбоксилат-ионы — к положительному полюсу (аноду). Значение рН, при котором молекула аминокислоты электронейтральна, называют изоэлектрической точкой и обозначают рI. При значении рН, равном показателю рI, молекула аминокислоты в электрическом поле не перемещается. 47 Наличие в молекуле одновременно амино- и карбоксильной группы отражается и на поведении аминокислот в тех реакциях, в которых участвует только одна из двух функциональных групп. С участием карбоксильной группы могут протекать все реакции, характерные для карбоновых кислот с образованием соответствующих производных карбоновых кислот (сложных эфиров, ангидридов, амидов и т.п.). При этом надо помнить о том, что аминогруппа легко окисляется, поэтому, например, для получения галогенангидридов аминокислот требуется предварительное ацилирование аминогруппы. После получения галогенангидрида ацильная защита гидролизуется. Одна из важнейших реакций в организме — декарбоксилирование аминокислот. Отщепление СО2 происходит под действием особых ферментов — декарбоксилаз: Аминогруппа, которая в аминах проявляет себя как нуклеофил, в биполярном ионе полностью лишена нуклеофильности из-за протонирования, поэтому ни реакция алкилирования по Гофману, ни ацилирование, свойтвенные аминам, не имеют места в случае аминокислот. Эти реакции могут происходить только при условии предварительного депротонирования аминогруппы, что достигается использованием реакционной среды с высоким значением рН, при которых цвиттер-ион полностью превращен в карбоксилат-анион. Алкилирование осуществляют, действуя на полученные соли минокислот алкилгалогенидами в присутствии оснований (как органических, так и неорганических). Ацилирование также требует предварительного превращения цвиттер-иона в карбоксилатанион и успешно протекает при наличии в реакционной среде эквивалента основания (основание необходимо для связывания, выделяющегося при ацилировании кислого продукта – галогеноводорода или карбоновой кислоты). Образование оснований Шиффа (как типичная реакция аминов) свойственно и аминокислотам; наиболее часто используют реакции аминокислот с бензальдегидом: На образовании оснований Шиффа основана реакция идентификации аминокислот, известная как «нингидриновая проба», широко применяемая для визуализации зон аминокислот (возникает интенсивное сине-фиолетовое окрашивание) при их хроматографическом и электрофоретическом разделении, а также для количественного определения содержания аминокислот в растворах: Дезаминирование аминокислот, как и всякого первичного амина, протекает при действии на аминокислоты азотистой кислоты. Эта реакция лежит в основе метода определения содержания азота и количества аминогрупп в аминокислотах (метод Ван-Слайка). 48 Биосинтез аминокислот. Все природные -аминокислоты делят на незаменимые (валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин), которые поступают в организм только из внешней среды, и заменимые, синтез которых происходит в организме. Биосинтез -аминокислот может происходить на основе не аминокислот, например по реакции восстановления -кетокислот под действием НАДН. Реакция стереоспецифична вследствие стереоспецифичности НАДН. В качестве исходных веществ при биосинтезе аминокислот могут выступать другие аминокислоты. Например, реакция транс-аминирования (переаминирования) является основной при синтезе -аминокислот в организме. Катализаторами и участниками этого процесса являются ферменты (аминотрансферазы) и кофермент пиридоксальфосфат, который служит переносчиком аминогруппы. Пептиды. Амино- и карбоксильные группы аминокислот могут реагировать друг с другом, даже если они находятся в одной молекуле. Еще более реальным является образование межмолекулярной амидной связи. Амиды, образовавшиеся в результате взаимодействия некоторого числа аминокислот, называют пептидами. В зависимости от числа аминокислотных остатков различают ди-, три-, тетра-, пентапептиды и т.д. При этом пептиды молекулярной массой не более 10 000 называют олигопептидами, молекулярной массой более 10 000 — полипептидами, или белками. Амидные связи в составе пептидов называют пептидными. Пептидная группировка характеризуется рядом свойств. 1. Пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы, входящие в нее, располагаются в одной плоскости. 2. Атомы кислорода и водорода пептидной группировки природных пептидов и белков находятся в транс-положении по отношению к связи С—N, так как при транс-конфигурации заместителей боковые цепи оказываются наиболее удалены друг от друга, что важно для стабилизации структуры белковой молекулы. 3. Пептидная группа представляет собой трехцентровую р,-сопряженную систему, которая образуется вследствие делокализации электронной плотности между атомами кислорода, углерода и азота. Длины связей С–О и С–N оказываются практически одинаковыми. 4. Пептидная связь устойчива при температуре 310 К в средах, близких к нейтральной (физиологические условия). В кислой и щелочной средах связь подвергается гидролизу. В условиях организма гидролиз происходит ферментативно. 5. Дополнительные, как правило, нековалентные, связи между пептидной группой и боковыми цепями обусловливают существование различных конформаций белковой молекулы. Например, внутримолекулярные водородные связи (N—Н--О=С) стабилизируют вторичную структуру белка. 6. Пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кетонной и енольной). Эти свойства пептидной группировки определяют строение полипептидной цепи: Полипептидная цепь состоит из регулярно повторяющихся участков, образующих остов молекулы, и вариабельных участков – боковых радикалов аминокислотных остатков. Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную аминогруппу (N-конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой (С-конец). Как правило, при изображении формулы пептида N-конец располагают слева, а С-конец — справа: 49 Называют пептид, последовательно перечисляя, начиная с N-конца, названия аминокислот, входящих в пептид; при этом суффикс «-ин» заменяют на суффикс «-ил» для всех аминокислот, кроме С-концевой. Для описания строения пептидов применяют не традиционные структурные формулы, а сокращенные обозначения, позволяющие сделать запись более компактной. Понятие «строение пептида» (равно как и «первичная структура белка») включает в себя следующие характеристики: 1) общее число аминокислотных остатков; 2) перечень аминокислот, входящих в состав пептида, и указание количества аминокислотных остатков каждого вида (аминокислотный состав пептида или белка); 3) последовательность связывания аминокислот друг с другом (этот параметр называют аминокислотной последовательностью; он отражает так называемую первичную структуру пептида или белка); последовательность записывают слева направо от N-конца к С-концу. Метод Эдмана (определение первичной структуры полипептида) заключается во взаимодействии N-концевой аминокислоты с фенилизотиоцианатом в щелочной среде. При дальнейшей обработке слабой кислотой без нагревания происходит отщепление от цепи «меченой» концевой ФТГ-аминокислоты. ФТГ-аминокислота идентифицируется методами тонкослойной или газожидкостной хроматографии. Преимущество метода Эдмана состоит в том, что при отщеплении каждой концевой -аминокислоты остальная часть пептидной молекулы не разрушается и операции по отщеплению можно повторять. Метод Эдмана пригоден для воспроизведения на автоматическом приборе – секвенаторе. Особенности растворения полимеров. Размеры макромолекул высокомолекулярных соединений (ВМС) соизмеримы с размерами коллоидных частиц, что обусловливает общность ряда свойств, характерных для коллоидных растворов и растворов ВМС. К таким свойствам относят малую скорость диффузии растворенных частиц, неспособность их проникать через мембраны, эффект Фарадея-Тиндаля и др. Однако растворы ВМС являются истинными, поскольку удовлетворяют основным критериям истинных растворов: самопроизвольность образования, гомогенность, термодинамическая устойчивость, равновесность. Равновесие в растворах ВМС устанавливается медленнее, чем в истинных растворах, и, растворению, как правило, предшествует набухание. Набуханием называют самопроизвольный процесс односторонней диффузии низкомолекулярного растворителя в полимер, сопровождающийся увеличением объема и массы ВМС. Различают неограниченное и ограниченное набухание. В первом случае полимер поглощает жидкость, а потом при той же температуре постепенно переходит в раствор (растворение желатина или крахмала в горячей воде). При ограниченном набухании процесс практически останавливается на стадии образования гетерогенной системы, состоящей из двух фаз: набухший полимер и низкомолекулярный растворитель. В этом случае равновесной системой является гель. Пример ограниченного набухания — набухание желатина или крахмала в холодной воде, набухание резины в бензоле. Тип набухания зависит от гибкости полимерной цепи: чем более гибкой является полимерная цепь, тем больше степень набухания и тем выше вероятность образования раствора. Количественно способность полимера набухать в тех или иных растворителях характеризуют степенью набухания. Для амфотерных полиэлектролитов степень набухания зависит от рН среды. Белки в изоэлектрическом состоянии имеют минимальные значения степени гидратации, набухания, растворимости. Зависимость степени набухания белка от рН среды выражается кривой с двумя максимумами и одним минимумом, который соответствует изоэлектрической точке. Качественные реакции. Для идентификации некоторых пептидов и белков используют так называемые «цветные реакции». Универсальная реакция на пептидную группу — появление красно-фиолетовой окраски при 50 добавлении к раствору белка ионов меди (II) в щелочной среде (биуретовая реакция). Реакция на остатки ароматических аминокислот — тирозина и фенилаланина — появление желтой окраски при обработке раствора белка концентрированной азотной кислотой (ксантопротеиновая реакция). Серасодержащие белки дают черное окрашивание при нагревании с раствором ацетата свинца(II) в щелочной среде (реакция Фоля). По составу белки подразделяются на простые (неконъюгированные) и сложные (конъюгированные). При гидролизе простых белков в качестве продуктов расщепления получаются только аминокислоты. Сложные белки наряду с собственно белковой частью, состоящей из - аминокислот, содержат органическую или неорганическую части непептидной природы, называемые простетическими группами. Примерами сложных белков могут служить транспортные белки миоглобин и гемоглобин, в которых белковая часть — глобин — соединена с простетической группой — гемом. По типу простетической группы их относят к гемопротеинам. Фосфопротеины содержат остаток фосфорной кислоты, металлопротеины — ионы металла. Пространственное строение полипептидов и белков Для высокомолекулярных полипептидов и белков наряду с первичной структурой характерны более высокие уровни организации, которые принято называть вторичной, третичной и четвертичной структурами. Вторичная структура описывается пространственной ориентацией основной полипептидной цепи, третичная – трехмерной архитектурой всей белковой молекулы. Как вторичная, так и третичная структуры связаны с упорядоченным расположением макромолекулярной цепи в пространстве. Вторичная структура закрепляется, как правило, с помощью водородных связей между пептидными группами, довольно близко расположенными в цепи α-аминокислотных остатков. Ее основные виды — α-спираль и β-структура. Третичная структура (глобулярная или фибриллярная) стабилизируется не только водородными связями, но и другими видами взаимодействий, например ионным, гидрофобным, а также «сульфидными» связями. Первые три уровня характерны для структурной организации всех белковых молекул. Четвертый уровень встречается при образовании единых белковых комплексов, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Определяющее значение в формировании более высоких уровней организации белковых молекул имеет их первичная структура. Природа α-аминокислотных остатков и порядок их соединения обусловливают характер стабилизации более высокоорганизованных структур. α-спирализованная и β-складчатая структура белка Глобулярная структура фермента Фибриллярная карбоксипептидазы структура коллагена КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Из представленных соединений выберите изомер глутаминовой кислоты по функциональной группе а) НООС–СН2СН2СН(ОН)–СОNH2; б) H2NCО–СН2СН2СН(NН2)–COOH; в) HOOC–СН2CH(NH2)СН2–COOH; г) HOOC–СН2CH(NH2)–COOH. 51 2. Какую среду покажет раствор лизина при растворении в дистиллированной воде: а) нейтральную; б) слабокислую; в) слабощелочную? 3. Какая кислота образуется при дезаминировании валина in vitro: а) 3-метил-2-оксобутановая; б) 3-метил-2-бутеновая; в) 2-метил-3-оксобутановая; г) 2гидрокси-3-метилбутановая; д) 2-метилбутандиовая? 4. Какое органическое соединение получится из серина при действии на него фермента декарбоксилазы: а) 2-амино-1-этанол; б) 2-аминопропановая кислота; в) 3- гидроксипропановая кислота; г) 3-оксо-2-аминопропановая кислота; д) пропандиовая кислота? 5. Реакция на серусодержащие аминокислоты (реакция Фоля) меняет окраску раствора аминокислоты от бесцветной до: а) жёлтой, б) сине-фиолетовой, в) васильковой, г) чёрной. 6. При взаимодействии с конц. азотной кислотой раствор аминокислоты приобрёл жёлтый цвет, перешедший в оранжевый при подщелачивании (ксантопротеиновая реакция). Это был раствор: а) аланина, б) серина, в) аспарагина, г) тирозина, д) метионина? 7. Вторичная структура белка — это: а) последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи; б) укладка полипептидной цепи в виде спирали или складчатой структуры; в) укладка полипептидной цепи в трёхмерную конфигурацию; г) комплекс из нескольких отдельных полипептидных цепей. 8. Закрепление конформации в третичной структуре белка происходит, в основном, за счёт связей: а) водородных; б) ионных; в) гидрофобных (силы Ван-дер-Ваальса); г) кислородных; д) азотных; е) дисульфидных. 9. Приведите структурную формулу лейцина и сокращённое обозначение его аминокислотного остатка. Назовите эту аминокислоту по правилам международной номенклатуры. Приведите (если это возможно) один изомер положения функциональной группы, один изомер функциональной группы и один изомер строения углеродного скелета. Изобразите L и D- энантиомеры. ТЕМА 12. УГЛЕВОДЫ: МОНО, ДИ- И ПОЛИСАХАРИДЫ Углеводы разделяют на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды). Моносахариды (монозы). Это гетерополифункциональные соединения, содержащие карбонильную и несколько гидроксильных групп. Моносахариды имеют молекулярную формулу 52 Сп(Н2О)п, которая и послужила основой для названия данного класса соединений (углерод + вода). По своей структуре монозы относятся к полиоксиальдегидам, или альдозам, или полиоксикетонам, или кетозам. В зависимости от числа атомов углерода монозы делят на триозы (три атома углерода), тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов), гексозы (шесть атомов) и гептозы (семь атомов). В зависимости от строения карбонильной группы каждую из моноз обозначают: альдотриоза, альдогексоза, кетогексоза и т.п. Оптическая изомерия моносахаридов. Характерной особенностью структуры моносахаридов является наличие в молекулах асимметрических (т.е. имеющих четыре различных заместителя) атомов углерода. Асимметрические атомы углерода представляют собой центры хиральности молекулы. Следствие хиральности молекулы – явление оптической изомерии, или энантиомерии, которое выражается в способности соединения вращать плоскость поляризованного света в противоположные стороны. Соединение с асимметрическими атомами углерода может существовать в виде 2 изомеров. В соединениях с одинаковыми асимметрическими атомами углерода число оптических изомеров уменьшается вследствие существования мезоформ. Мезо-соединения оптически неактивны из-за «внутренней компенсации» знака вращения. Примером мезо-соединения является D-ксилит. Оптические изомеры, относящиеся друг к другу как несимметричный предмет к своему зеркальному отображению, называют энантиомерами, или оптическими антиподами. Энантиомеры отличаются друг от друга конфигурацией всех центров хиральности и образуют D-форму (лат.Dexter — правый) и L-форму (лат. laevus — левый) — стереохимические ряды моносахаридов. Изомеры, отличающиеся конфигурацией только части центров хиральности и не являющиеся оптическими антиподами, называют диастереомерами. Пару диастереомеров, отличающихся конфигурацией только одного асимметрического атома углерода, называют эпимерами. Обычно к названию добавляют номер эпимерного атома углерода, 2-эпимеры называют просто эпимерами. Например, D-аллоза и D-альтроза – эпимеры, D-аллоза и D-глюкоза – 3-эпимеры, D-аллоза и Dгулоза – 4-эпимеры. В качестве стандарта для определения принадлежности соединения к стереохимическому Dили L-ряду принята конфигурация асимметрического атома в простейшей триозе — Dглицериновом альдегиде. Принадлежность соединения стереохимическому ряду определяет конфигурация асимметрического атома углерода с наибольшим номером (в случае глюкозы — атома С5). Если она совпадает с конфигурацией асимметрического атома углерода D-глицеринового альдегида, то соединение относят к D-ряду, если не совпадает — к L-ряду. Установлено, что все природные монозы относятся к D-ряду. Цикло-оксо-таутомерия моносахаридов. В твердом состоянии и в водном растворе моносахариды преимущественно существуют в виде циклических полуацеталей. Образование полуацеталей можно рассматривать как внутримолекулярную реакцию AN, в результате которой образуются наиболее устойчивые шестичленные циклы (пиранозные) и пятичленные циклы (фуранозные). Таким образом, в растворе устанавливается таутомерное равновесие между открытой (оксоформой) и циклической формой моносахарида, причем циклическая форма значительно преобладает (более 99,9 % в равновесной смеси): 53 Для изображения на плоскости пространственной структуры соединений в открытой форме используют проекционные формулы Фишера, а для изображения на плоскости пространственной структуры циклических соединений применяют проекционные формулы Хоуорса: При этом руководствуются следующими правилами: цикл изображают плоским; заместители, находящиеся в оксо-форме справа, изображают под плоскостью цикла, а находящиеся слева — над плоскостью цикла; атомы водорода связей С—Н могут быть не показаны. В циклической форме появляется дополнительный по сравнению с открытой формой асимметрический атом углерода (центр хиральности): атом С1 в альдозах или атом С2 в кетозах, называемый аномерным атомом углерода, и дополнительная группа –ОН, называемая полуацеталъным гидроксилом (в формуле Хоуорса показана звездочкой *). Если конфигурация аномерного атома углерода совпадает с конфигурацией атома, определяющего принадлежность соединения стереохимическому ряду, его называют -аномером, если не совпадает — -аномером. Таким образом, - и -аномеры моноз можно рассматривать как изомеры положения полуацетального гидроксила. Переход аномерных форм осуществляется только через открытую оксо-форму: -форма оксо-форма -форма Аналогично устанавливается равновесие в растворе между пиранозными и фуранозными формами. Преобладание - или -аномера зависит от природы монозы, растворителя, концентрации и других внешних условий. Равновесие между всеми формами является, таким образом, динамическим. Так, если какой-либо аномер глюкозы растворить в воде, он постепенно превращается в другой аномер, пока не образуется равновесная смесь двух аномеров, в которой также содержится очень небольшое количество открытой формы. Этот переход сопровождается изменением оптического вращения раствора. Такое явление называют мутаротацией (аномеризацией) моносахаридов. Равновесная смесь, образующаяся в результате мутаротации как -, так и -D-глюкопираноз, содержит 36 % -изомера и 64 % -формы. Доля оксо-формы в равновесной смеси невелика (при рН 6,9 равновесная смесь D-глкжозы содержит лишь малую часть альдегидной формы). Поэтому монозы не дают характерного для альдегидов окрашивания в реакции с фуксиносернистой кислотой и не реагируют с гидросульфитом натрия. Мутаротация катализируется кислотами и основаниями. В твердом состоянии монозы находятся исключительно в циклической форме. 54 Химические свойства моносахаридов. В химическом отношении монозы сочетают в себе свойства многоатомных спиртов, карбонильных соединений и полуацеталей. 1. Для циклических форм моноз наиболее характерны реакции с участием гидроксильной группы. Наиболее химически активна полуацетальная гидроксильная группа. Простые эфиры получают при взаимодействии гидроксильных групп моноз с алкилгалогенидами. Одновременно в реакцию вступают как полуацетальная, так и спиртовые гидроксигруппы. Полуацетальная группа –ОН более реакционноспособна, поэтому образование простого эфира по этой группе протекает быстрее и может протекать и при взаимодействии моноз с низшими спиртами в присутствии хлороводорода. Образующиеся при этом моноэфиры называют гликозидами (пиранозидами и фуранозидами). Простые эфиры, образованные спиртовыми гидроксильными группами не гидролизуются, а гликозидная связь легко подвергается гидролизу в щелочной среде. Растворы гликозидов не мутаротируют. СН2ОН Н НО О Н Н ОН Н Н ОН ОСН3 О-метил--Dглюкопиранозид СН2ОН О Н Н Н СН3Iизбыток СН3ОН HCl ОН Н ОН НО –Н2О Н ОН -D-глюкопираноза СН2ОСН3 СН2ОСН3 О Н О Н Н Н Н Н Н2О, Н+ ОСН3 Н ОСН3 Н ОН Н3СО ОСН3 – СН3ОН Н3СО Н ОСН3 метил-2,3,4,6-тетраО-метил-Dглюкопиранозид Н ОСН3 2,3,4,6-тетраО-метилD-глюкопираноза Молекулы этанола или йодистого метила выступают в данной реакции в роли нуклеофилов. Аналогично монозы взаимодействуют с аминами и их производными с образованием Nгликозидов. Гликозиды представляют собой продукты конденсации циклических форм моносахаридов со спиртами и аминами с образованием гликозидной связи. Гликозиды легко подвергаются гидролизу в кислой среде. По типу О-гликозидов образуются ди- и полисахариды, а по типу N-гликозидов — нуклеозиды — структурные компоненты нуклеиновых кислот. Гликозиды играют чрезвычайно важную роль в биохимических процессах, в частности в процессах дыхания и фотосинтеза. Важнейший из гликозидов — аденозинтрифосфат (АТФ), являющийся сложным эфиром фосфорной кислоты и аденозина — нуклеозида, являющегося продуктом конденсации аденина с рибозой. Фосфатные группы АТФ выполняют роль своеобразного энергетического депо; при их гидролизе выделяется энергия, необходимая клеткам для мышечного сокращения. При взаимодействии с кислотами и их ангидридами монозы образуют сложные эфиры. Так, при взаимодействии глюкозы с уксусным ангидридом образуется пентаацетилглюкоза. СН2О-СОСН3 СН2ОН Н НО Н ОН Н О Н (СН3СО)2О Н ОН ОН -D-глюкопираноза избыток Н Н3ССО-О О Н ОСОСН3 Н Н Н О-СОСН3 О-СОСН3 1,2,3,4,6-пента-О-ацетилD-глюкопираноза Биологически важный пример реакции данного типа — реакция фосфорилирования. Фосфаты – эфиры моноз и фосфорной кислоты содержатся во всех растительных и животных организмах и представляют собой метаболически активные формы моносахаридов. Так, 1-фосфат D-глюкозы образуется при гидролизе гликогена (полисахарида, присущего животным организмам); 6-фосфат глюкозы — продукт катаболизма глюкозы в организме; фосфаты D-рибозы и 2-дезокси-Dдезоксирибозы — структурные элементы нуклеиновых кислот. 55 СН2ОН Н О Н Н ОН НО ОН О– Р=О ОН Н Н НО ОН СН2О –Р = О О Н Н Н ОН Н ОН НО Н ОН 1-фосфат -D-глюкопиранозы ОН 6-фосфат -D-глюкопиранозы Реакция происходит на первой стадии гликолиза (процесса окисления глюкозы в пируват). Необходимо заметить, что все промежуточные продукты гликолиза представляют собой сложные эфиры моноз и фосфорной кислоты. 2. Окисление моноз в кислой и нейтральной среде приводит к образованию различных кислот. Окислению может подвергаться только карбонильная группа — «мягкое» окисление, например, бромной водой с образованием –оновых кислот Окисление карбонильной и первичной гидроксильной группы — «жесткое» окисление, например, раствором HNO3 до гликаровых кислот. Окисление только первичной гидроксильной группы в мягких условиях (например, при действии ферментов) при защите альдегидной группы приводит к образованию гликуроновых кислот. О О О О С С ОН ОН Н Н ОН Н ОН Н ОН [О]слаб [О]сильн. НО Н НО НО Н Н НО Н НО Н НО Н Н ОН Н ОН Н ОН ОН СН2ОН СН2ОН С D-галактоновая D-галактоза О кислота D-галактаровая С С кислота [О] Н фермент НО НО Н С Н ОН Н Н ОН ОН О D-галактуроновая кислота Гликурониды при нагревании легко декарбоксилируются, что приводит к образованию моноз с меньшим числом атомов углерода. Так можно получить из D-гликуронида пентозу — Dксилозу. Окисление моноз в щелочной среде сопровождается деструкцией углеродного скелета. Реакции окисления характерны не только для альдоз, но и для кетоз (в отличие от кетонов), что объясняется явлением эпимеризации моноз. СООН СН2ОН С=О НО Н Н Н [О]сильн. ОН ОН СН2ОН D-фруктоза СООН Щавелевая кислота СООН ОН Н ОН Н СООН Винная кислота НСООН Муравьиная кислота + СООН Н НОН ОН ОН Н СООН D-арабинаровая кислота Окислению могут подвергаться и некоторые дисахариды, называемые восстанавливающими. Существуя преимущественно в форме полуацеталей, они обладают потенциально свободной альдегидной группой (в оксо-форме). Восстанавливающие моно- и дисахариды восстанавливают ионы меди(П), входящие в состав реактива Фелинга или в состав реактива Бенедикта до оксида меди (I) Сu2О, а также ионы серебра в реактиве Толленса [Ag(NH3)2]OH до свободного серебра. Реакции используют как качественные на наличие восстанавливающих сахаридов. 56 3. Моносахариды подвергаются химическому либо билогическому восстановлению. Восстановление моноз, как и всяких карбонильных соединений, приводит к превращению карбонильных групп в спиртовые; при этом образуются многоатомные спирты, называемые сахарными спиртами, или альдитами. Помимо амальгамы натрия в водной (или водно-спиртовой, или спиртовой) среде для восстановления моноз используют водород в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni) и гидриды металлов (особенно NaBH4). Следует иметь в виду, что при восстановлении альдоз образуется один спирт, а при восстановлении кетоз получают два стеоизомерных многоатомных спирта, т.к. неасиметрический 2-й атом С в кетозе (атом карбонильной группы) после восстановления становится асимметрическим и возможны две ориентации гидроксильной группы, связанной с ним. СН2ОН О СН2ОН СН2ОН С СН 2ОН С=О Н Н НО ОН Н Н НО ОН Н ОН Н [Н] НО Н + НО Н [Н] НО НО Н Н Н ОН Н Н ОН ОН Н Н ОН ОН Н ОН Н ОН Н ОН СН2ОН СН2ОН СН2ОН СН2ОН СН2ОН D-ксилоза D-ксилит D-сорбит D-фруктоза D-маннит 4. Реакция изомеризации (эпимеризации) всегда происходит по -СН*-кислотному центру моносахаридов, которым является атом углерода, непосредственно связанный с карбонильной группой. Реакция протекает под действием разбавленных растворов щелочей или ферментативно О (в условиях организма) и сопровождается С Н внутримолекулярным окислением-восстановлением НО Н (диспропорционированием) атомов углерода С1 и С2. НО Н В ходе этой перегруппировки вследствие переноса Н ОН О Н ОН протона, осуществляемого под влиянием С С Н ОН Н гидроксильного иона, возникает промежуточное СН2ОН ОН Н ОН D-манноза соединение — ендиол (одна двойная связь (-ен) НО НО Н Н между двумя гидроксильными группами (ди-ол)). Н ОН СН2ОН Н ОН Превращения ендиола могут привести к образова- Н ОН Н ОН С=О СН2ОН СН2ОН нию как кетозы, так и двух альдоз. НО Н Ендиол D-глюкоза Н Таким образом, в результате реакции ОН Н ОН постепенно образуется равновесная смесь СН 2ОН изомеров. Например, в результате эпимеризации D-глюкозы образуется D-фруктоза D-манноза — эпимер глюкозы по С2 и D-фруктоза — структурный изомер глюкозы. Пример реакции изомеризации в организме — ферментативное превращение глюкозо-6фосфата в фруктозо-6-фосфат в процессе гликолиза. Олиго- и полисахариды. Дисахариды (биозы) представляют собой продукт конденсации двух молекул моносахаридов, соединенных О-гликозидной связью. Если в реакции конденсации принимают участие оба полуацетальных гидроксила и два остатка моноз соединяются гликозид-гликозидной связью, образуется невосстанавливающий дисахарид. Такой дисахарид не содержит гликозидный гидроксил, не может переходить в открытую альдегидную форму и поэтому не восстанавливает окислов металлов ( не вступает в реакции с гидроксидом меди или в реакцию «серебряного зеркала»). Если в реакции конденсации принимают участие один полуацетальный и один спиртовой гидроксил и два остатка моноз соединяются гликозид-гликозной связью, образуется восстанавливающий дисахарид. Такой дисахарид содержит гликозидный гидроксил, за счёт которого может переходить в открытую альдегидную форму и выступать в качестве восстановителя. Дисахариды, как любые гликозиды, гидролизуются в кислой среде. Наиболее биологически важными дисахаридами являются сахароза, мальтоза, лактоза и целлобиоза. 57 Например, структурную формулу мальтозы, которая является основным продуктом расщепления крахмала в полости рта под действием фермента слюны — -амилазы, можно представить следующим образом: 6 СН2ОН 5 Н Н 4 ОН НО 6 О Н Н Н 1 4 О СН2ОН 5 О Н ОН 2 3 3 6 Н ОН 4 2 Н ОН ОН -D-глюкопиранозил-(14)- -Dглюкопираноза (мальтоза) Мальтоза – восстанавливающий дисахарид Н 3 Н СН2ОН 5 ОН Н Н 6 О Н Н Н ОН НО 1 Н СН2ОН 5 1 Н 4 О 2 ОН 3 Н 1 С О Н 2 Н ОН ОН Мальтоза в открытой форме Систематическое название (-D-глюкопиранозил-(14)--D-глюкопираноза или 4-(-Dглюкопиранозидо)-D-глюко-пираноза) указывает на наличие гликозидной связи между имеющим -конфигурацию атомом С, одного остатка глюкозы и атомом С4 другого остатка. Мальтоза образуется в результате конденсации двух молекул -D-глюкопиранозы с образованием гликозидной связи между атомом С1 -аномера глюкозы и атомом С4 второй молекулы глюкозы. Такую связь называют (14) –связью. Лактоза (4-(-D-галактопиранозидо)-D-глюкопираноза) имеет строение: 6 СН2ОН 5 НО Н ОН 4 Н СН2ОН 5 О Н Н 4 ОН Н 6 6 О 1 Н Н О 2 3 Н НО 1 4 ОН Н Н Н О 4 2 ОН Н 1 С О Н 2 3 Н ОН ОН Лактоза в открытой форме Н Н ОН ОН -D-галактопиранозил-(14)- -Dглюкопираноза (лактоза) Лактоза – восстанавливающий дисахарид 5 1 3 Н СН2ОН ОН Н Н 6 О Н ОН 2 3 СН2ОН 5 Целлобиоза (4-(- D -глюкопиранозидо)-D-глюкопираноза) представляет собой основной структурный элемент целлюлозы; образуется при ферментативном гидролизе целлюлозы. Целлобиоза, как и лактоза, имеет 1,4--гликозидную связь и является восстанавливающим дисахаридом, но в отличие от лактозы при полном гидролизе дает только D-глюкозу: 6 6 6 Н 4 НО СН2ОН 5 Н ОН 3 6 О Н Н 2 О О 5 Н 1 4 СН2ОН СН2ОН Н ОН 3 Н 5 Н 1 ОН 2 Н ОН ОН -D-глюкопиранозил-(14)- -Dглюкопираноза (целлобиоза) Целлобиоза – восстанавливающий дисахарид Н Н Н ОН НО 4 3 Н О 1 Н Н 2 О СН2ОН 5 ОН Н О Н 4 С ОН Н1 Н 3 2 Н ОН ОН Целлобиоза в открытой форме Сахарозу (-D-глюкопиранозидо--D-фруктофуранозид) 6 СН2ОН 1 О Н О называют тростниковым сахаром; она является невосстанав- Н 5 НОСН2 Н Н 5 ливающим дисахаридом, содержится в тростнике, сахарной 4 ОН Н 1 О 2 Н НО СН2ОН НО свекле, различных фруктах, ягодах и овощах. 6 2 3 4 3 Н ОН Систематическое название сахарозы отражает конфигуН ОН -D-глюкопиранозил-(12)- -Dрацию обоих гликозидных (суффикс «озид» у названий обеих фруктофуранозид моноз) гидроксилов ( или ), и наличие связи С1 –С2. Сахароза – невосстанавливающий дисахарид Продукты конденсации нескольких (от 2 до 12) молекул моносахаридов называют олигосахаридами; большего числа моносахаридов — полисахаридами. Если макромолекулы построены из остатков одного моносахарида, то такие полисахариды называют гомополисахаридами. Среди гомополисахаридов наиболее биологически важными являются поли- D -глюкопиранозы: амилоза, амилопектин, гликоген (дисахаридным фрагментом последних является мальтоза) и целлюлоза, структурным компонентом которой выступает дисахарид целлобиоза. Амилоза — это полимер неразветвленного строения (линейный полимер) молекулярной массой около 60000; при нагревании растворяется в воде, образуя лиофильный коллоидный раствор; взаимодействует с йодом с образованием комплексного «соединения включения» синего цвета. 58 СН2ОН О Н Н Н 1 4 Н НО ОН 6 5 6 СН2ОН СН2ОН 5 5 О О Н Н Н Н Н Н 4 1 4 1 О ОН ОН О… Н Н ОН 6 2 3 Н 2 3 Н ОН 2 3 Н ОН ОН Амилоза При ферментативном гидролизе -амилазой, которая выделяется поджелудочной железой и содержится в слюне, амилоза расщепляется на глюкозу и мальтозу; гидролиз начинается с невосстанавливающего конца амилозы и осуществляется последовательным отщеплением молекул мальтозы. Амилопектин имеет разветвленную структуру и включает наряду с (14)-связями и гликозидные (16)-связи. За счет последних и образуются разветвления в структуре: 6 СН2ОН СН2ОН 5 5 О О Н Н Н Н Н Н 4 4 1 1 …О ОН ОН О… Н Н 2 2 3 О 3 Н Н НО ОН 6 боковая цепь амилопектина СН2ОН О Н Н Н 1 4 Н …О ОН СН2О 6 6 5 3 Н 2 ОН Н О 4 5 Н ОН 3 Н СН2ОН 5 О Н Н Н 1 4 ОН О… Н О… 6 О Н Н 1 2 ОН 3 Н 2 ОН основная цепь амилопектина При растворении в воде амилопектин набухает, образуя связаннодисперсную систему — гель. С йодом амилопектин образует соединение красно-фиолетового цвета. Смесь амилозы (20-25%) и амилопектина (75-80%) предтавляет собой полисахарид природного происхождения — крахмал. Таким образом, природный крахмал не является индивидульным веществом: он состоит из двух фракций, отличающихся пo строению и вследствие этого обладающих различной растворимостью в теплой воде. Крахмал является основным резервным полисахаридом растений. Крахмал – белое аморфное вещество. В холодной воде не растворим, в горячей набухает и постепенно растворяется. При охлаждении получается студнеобразная масса или гель (кисель). По многим свойствам кисель похож на твёрдое тело, в частности, проявляет упругость, несмотря на то, что это довольно разбавленный раствор крахмала, а не концентрированный, как например, сироп. Дело в том, что при попадании в раствор разветвлённые и неразветвлённые молекулы амилопектина и амилазы за счёт возникающих водородных связей формируют трёхмерную пространственную сетку, в ячейки которой попадают молекулы воды. Такой каркас существует только при невысокой температуре. Если кисель подогреть, молекулы начнут двигаться энергичнее, водородные связи между ними разрушатся и кисель станет жидким. Все полисахариды крахмала вращают поляризованный свет вправо, так как образованы правовращающей глюкозой. При нагревании с кислотами крахмал гидролизуется по месту глюкозидглюкозных связей, давая последовательно декстрины, мальтозу и глюкозу. Гликоген («животный крахмал») по структуре и свойствам похож на амилопектин, но имеет еще более разветвленную полимерную цепь и является резервным полисахаридом животных, запасаемым в печени и мускульной ткани. Гликоген является «двойником» крахмала в животном мире и играет роль депо питательных веществ и запасного углевода животных тканей (откладывается, в основном, в печени и в мышцах). Молекулярная масса гликогена очень велика – около 100 млн. Такой размер молекул соответствует их биологической функции резервного углевода. Макромолекула гликогена из-за большого размера не проходит через мембрану и остаётся внутри клетки, пока не возникнет потребность в энергии. В перерывах между приёмами пищи гликоген понемногу расщепляется до глюкозы, которая поступает в кровь и затем используется клетками организма. У хорошо упитанного взрослого человека запасы гликогена достигают 0,5 кг. 59 Одним из важнейших полисахаридов является целлюлоза. Она образует главную составную часть стенок растительных клеток. Целлюлоза представляет собой полимер, полностью состоящий из звеньев -D-глюкопиранозы, которые связаны гликозидными (14)-связями. Целлюлоза — линейный полимер, цепи которой могут содержать более 10000 звеньев: СН2ОН О Н Н 1 4 О Н Н НО ОН 6 5 3 Н 2 ОН 6 СН2ОН СН2ОН 5 5 О О Н Н Н Н Н 1 О… 4 4 1 ОН ОН Н Н Н ОН 6 3 Н 2 ОН 3 Н 2 ОН Целлюлоза Чистая целлюлоза является белым волокнистым веществом, нерастворимым в воде, эфире или спирте. Такая устойчивость по отношению к растворителям объясняется уникальной структурой целлюлозы. Этот полисахарид состоит из остатков D-глюкозы, связанных только гликозидной (14)связью; молекулы целлюлозы нитевидные и не имеют разветвлений. Высокоупорядоченная структура, подтвержденная данными рентгеноструктурного анализа, обусловливает необычайную прочность и упругость целлюлозы, равно как и отсутствие растворимости в большинстве применяемых растворителей. Любопытно, что целлюлоза растворяется в реактиве, приготовленном смешиванием Сu(ОН)2 с концентрированным водным раствором аммиака (реактив Швейцера), а также в подкисленном растворе ZnCl2 при нагревании или в концентрированной серной кислоте, т.е. в тех средах, состав которых обусловливает возможность разрыва водородных связей в молекулах целлюлозы и образование новых связей с растворителем. Благодаря наличию свободных спиртовых гидроксильных групп целлюлоза способна реагировать со спиртами и кислотами с образованием эфиров. Целлюлоза выполняет функции структурного полисахарида, используемого организмом для построения остова клеточной ткани. Пектиновые вещества содержатся в плодах и овощах, для них характерно желеобразование в присутствии органических кислот, что используется в пищевой промышленности для изготовле6 СООН 6 СООН 6 ния желе и мармеладов. СООН 5 5 5 О О О В основе пектиновых веществ лежит НО Н Н Н Н Н Н пектовая - полигалактуроновая кислота. О… 1 4 1 4 1 О 4 ОН Н Н Н ОН Н ОН Н ОН Н Пектовая кислота состоит из остатков 2 2 2 3 3 3 D-галактуроновой кислоты, связанных Н Н ОН Н ОН ОН (14)-гликозидной связью. Полигалактуроновая кислота Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенное действие и являются основой ряда препаратов, например, плантаглюцид из подорожника. Гетерополисахариды (макромолекулы которых построены из остатков более, чем одного моносахарида) также достаточно широко распространены в природе. Альгиновые кислоты содержатся в бурых водорослях. Неразветвленная цепь построена из соединенных (14) -связями остатков D-маннуроновой и L-гулуроновой кислот. Альгиновые кислоты как гелеобразователи используются в пищевой промышленности. Морские водоросли служат источником многих полисахаридов. Например, широко применяемый в биохимических исследованиях агар представляет собой гетерополисахарид, содержащий большое число сульфатных групп. Агар состоит из смеси агарозы и агаропектина. В полисахаридной цепи агарозы чередуются остатки D-галактозы и L-лактозы. Полисахариды соединительной ткани. Соединительная ткань распределена по всему организму и обусловливает прочность и упругость органов, эластичность их соединения, стойкость к проникновению инфекций. Полисахариды соединительной ткани связаны с белками. Наиболее полно изучены хондроитинсульфаты (кожа, хрящи, сухожилия), гиалуроновая кислота (стекловидное тело глаза, пуповина, хрящи, суставная жидкость), гепарин (печень). Эти 60 Полисахариды обладают общими чертами в строении: их неразветвленные цепи построены из дисахаридных остатков, в состав которых входят уроновые кислоты (D-глюкуроновая, Dгалактуроновая, L-идуроновая) и N-ацетилгексозамины (N-ацетилглюкозамин, Nацетилгалактозамин). Некоторые из них содержат остатки серной кислоты. Гиалуроновая кислота построена из дисахаридных остатков, соединенных (14)гликозидными связями. Дисахаридный фрагмент состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-О-глюкозамина, связанных (13)-гликозидной связью. Гиалуроновая кислота имеет большую молекулярную массу – 2-7 млн., растворы обладают высокой вязкостью, с чем связывают её барьерную функцию, обеспечивающую непроницаемость соединительной ткани для патогенных микроорганизмов. 6 …О 6 6 СН2ОН СН2ОН СООН 5 5 5 О О О Н Н Н Н Н Н 1 … 4 4 1 О 1 4 1 О О Н Н ОН Н Н Н Н Н Н НО НО 2 3 2 2 2 3 3 Н Н Н ОН NНСОСН3 NНСОСН3 ОН СООН 5 Н Н ОН 4 3 Н 6 О Гиалуроновая кислота Xондроитинсульфаты состоят из дисахаридных остатков N-ацетилированного хондрозина, соединенных (14)-гликозидными связями. В состав хондрозина входят D-глюкуроновая кислота и D-галактозамин, связанные между собою (13)-гликозидной связью. 6 …О 6 6 СН2ОН СН2ОН СООН 5 5 5 О О О О НО SО 3 НО3SО Н Н Н Н 1 … 4 О 1 4 1 4 1 О О Н Н ОН Н Н Н Н Н Н Н Н 2 3 2 2 2 3 3 Н Н Н ОН NНСОСН NНСОСН3 ОН 3 СООН 5 Н Н ОН 4 3 Н 6 Хондроитин-4-сульфат Сульфатная группа образует эфирную связь с гидроксильной группой N-ацетил-Огалактозамина, находящейся либо в 4-м, либо в 6-м положении, Молекулярная масса хондроитинсульфатов составляет 10 000 - 60 000. Хондроитинсульфаты и гиалуроновая кислота содержатся не в свободном, а в связанном виде с полипептидными цепями. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Для D-маннозы приведите проекционные формулы энантиомера и эпимера по С-2. Назовите оба соединения. Укажите атом, конфигурация которого определяет принадлежность моносахаридов к стереохимическим рядам. 2. Покажите явление цикло-оксо-таутомерии на примере D-рибозы. В состав каких биополимеров входит D-рибоза? 3. Из каких моносахаридных звеньев построен гликоген? 4. Изобразите в виде проекций Фишера и Хеуорса аномер -L- арабинопиранозы. 5. Из перечисленных соединений выберите монозы, являющиеся диастереомерами: а) Dидоза; б) L-талоза; в) D-арабиноза; г) D-псикоза; д) L-альтроза; е) L-эритрулоза. 6. Из перечисленных соединений выберите монозы, образующиеся в процессе кето-енольной таутомерии из D-сорбозы (в щелочной среде): а) D-тагатоза; б) L-сорбоза; в) D-гулоза; г) Dгалактоза; д) L-идоза; е) D-идоза. 7. Какие из приведённых углеводов дают реакцию «серебряного зеркала»: а) сахароза, б) манноза, в) крахмал, г) целлюлоза, д) мальтоза? 8. При восстановлении глюкозы образуется: а) гликозид, б) сложный эфир, в) шестиатомный спирт, г) енол. 9. В гепарине в состав повторяющихся дисахаридных единиц входят остатки D- глюкозамина, D- глюкуроновой и L-идуроновой кислот. К каким соединениям относится гепарин: а) гомополисахариды; б) трисахариды; в) гетерополисахариды; г) карбоновые кислоты. 61 ТЕМА 13. НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) – это биополимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды. Нуклеотид представляет собой трехкомпонентную структуру, состоящую из моносахарида, связанного N-гликозидной связью с гетероциклическим основанием и сложноэфирной связью с остатком фосфорной кислоты. Важнейшими нуклеиновыми кислотами являются дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), моносахаридные компоненты которых представляют собой 2-дезоксирибозу и рибозу соответственно. При гидролизе нуклеотидов в щелочной среде гидролитическому расщеплению подвергается только сложноэфирная связь, и образуются нуклеозиды, состоящие из остатка монозы и основания. Нуклеотиды подвергаются гидролизу только в кислой среде. Нуклеиновые основания. Являются производными азотсодержащих гетероциклических соединений — пиримидина или пурина. Пиримидиновые основания, выделенные в составе полинуклеотидных цепей ДНК, представлены тимином и цитозином; в составе РНК – урацилом и цитозином. Данные соединения обнаруживают способность к лактим-лактамной таутомерии Следует отметить, что пиримидиновые основания в составе полинуклеотидов представлены лактамной формой (содержащей карбонильныю группы С=О), что обусловлено возможностью образования водородных связей между остатками оснований в цепях нуклеиновых кислот: тимин – аденин; цитозин – гуанин в ДНК; урацил – аденин и цитозин – гуанин в РНК. Аденин и гуанин являются представителями пуриновых нуклеиновых оснований. Эти гетероциклические соединения способны к лактим-лактамнойтаутомерии и таутомерии азолов ОН 6 5 1N О Н N7 1 6 5 НN 2 N 4 N9 3 Гуанин. Лактимная форма 7 6 5 НN 2 8 Н2N N 4 N9 3 Гуанин. Лактамная форма 2 Н2N N 3 4 N9 H Гуанин. Таутомерия азолов 7 6 N 8 8 Н2N 1 NН2 NН2 О Н N7 5 1N 1 N 5 Н N7 4 N 6 N 8 8 2 N 3 4 N9 H Аденин. Аминная форма 2 N 3 9 Аденин. Таутомерия азолов В лактамной и лактимной гетероциклы имеют ароматический характер и плоское строение. Ароматичность гетероциклов является причиной их высокой термодинамической стабильности. Нуклеозиды. Гетероциклические основания образуют N-гликозиды с D-рибозой или 2-дезокси-D-рибозой. В химиии нуклеиновых кислот такие N-гликозиды называют нуклеозидами. D-рибоза и 2-дезоксиD -рибоза в состав природных нуклеозидов входят в фуранозной форме. Гликозидная связь осуществляется между аномерным атомом углерода С-1 рибозы (или дезоксирибозы) и атомом азота N-1 пиримидинового и N-9 пуринового оснований. Природные нуклеозиды всегда -аномеры. В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Названия нуклеозидов строятся как для гликозидов, например - аденинрибофуранозид и т. п. Однако более употребительны названия, производимые от тривиального названия соответствующего нуклеинового основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов: цитидин — это соединение цитозина и рибозы; дезоксицитидин — цитозина и дезоксирибозы; аденозин — соединение аденина и рибозы; дезоксицитидин — аденина и дезоксирибозы и т.д. Исключение составляет название тимидин (а не дезокситимидин), используемое для дезоксирибозида тимина, входящего в состав ДНК. В тех редких случаях, когда тимин встречается в РНК, соответствующий нуклеозид называется риботимидином. 62 O NH2 5 НОН2С О O НОН2 О 1 4 С Н Н НН Н Н 3 ОН ОН N 9 О 3 ОН N N O N О 5 НОН2С 1 4 НН Н Н ОН 1 4 Н НН 2 3 ОН Тимидин (dТ) O N О НН 2 3 ОН NH Н Дезоксицитидин (dС) 6 5 N1 8 НН НОН2С NH2 NН2 7 4 5 Цитидин (С) Уридин (U) 5 O 2 3 2 ОН НОН2С N 5 1 4 Н Н Н3С N NH N O 4 N 3 9 5 Н Н 2 НОН2С NН 7 N ОН Аденозин (А) 6 5 2 8 9 НОН2С О 4 НН 3 ОН 6 5 N 4 1 НН 2 Н Дезоксиаденозин (dА) 4 НН N 1 2 N 3 О 3 ОН N 4 1 NН 8 1 5 О 7 N 2 NН 2 N 3 2 N Н Н 2 ОН Гуанозин (G) О 7 1 6 5 9 5 НОН2С О 4 НН 3 ОН N 4 1 NН 8 2 N 3 NН 2 1 Н Н 2 Н Дезоксигуанозин (dG) Являясь N-гликозидами, нуклеозиды устойчивы к гидролизу а слабощелочной среде, но расщепляются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые труднее. В состав некоторых РНК входят необычные нуклеозиды. Например, довольно часто встречаются рибонуклеозид инозин, который можно рассматривать как продукт дезаминирования аденозина, а также псевдоуридин, который является не N-, а С-гликозидом, с чем связана его высокая устойчивость к гидролизу. При лечении некоторых опухолевых заболеваний в качестве лекарственных средств используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае – на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т. е. являющиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин – аденина. Конкурируя с метаболитами, они нарушают на разных этапах синтез нуклеиновых кислот в организме. В клетках в свободном состоянии содержатся некоторые нуклеозиды, не являющиеся компонентами нуклеиновых кислот. Эти нуклеозиды обладают антибиотической активностью и приобретают все большее значение при лечении злокачественных образований. Нуклеозидыантибиотики отличаются от обычных нуклеозидов некоторыми деталями строения либо углеводной части, либо гетероциклического основания. Нуклеотиды. Нуклеотидами называются фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5' или С-3' в остатке рибозы или дезоксирибозы (атомы цикла азотистых оснований нумеруют обычными цифрами, пентозного цикла – цифрами со штрихом). Нуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), с другой — как кислоты (в связи с наличием остатка фосфорной кислоты). За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты и в физиологических условиях при рН 7 находятся в полностью ионизированном состоянии. Для нуклеотидов используют два вида названий. Одно включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка (например, аденозин-3'-фосфат, уридин-5'фосфат), другое строится с добавлением суффикса -овая кислота к названию остатка пиримидинового или пуринового оснований (например, 3'-адениловая или 5'-уридиловая кислота)). По отношению к свободным нуклеотидам в биохимической литературе широко используются их названия как монофосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде, например, аденозинмонофосфат – AMФ (в латинской транскрипции АМР) для аденозин-5'-фосфата и т.д. 63 Строение некоторых нуклеотидов: NH2 O NH NH ОН 5' N O=P–ОСН2 О 1' ОН 4' Н Н НН 3' ОН 2' ОН Уридин-5'-фосфат (UМР) 5’-Уридиловая кислота O ОН 5' N O=P–ОСН2 О 1' ОН 4' Н Н НН 3' ОН 2' ОН Цитозин-5'-фосфат (СМР) 5’-Цитидиловая кислота NН2 7 N O 6 5 N1 8 ОН 5' 9N O=P–ОСН2 О 1' ОН 4' Н Н НН 3' ОН 4 2 N 3 2' Н Дезоксиаденозин-5'-фосфат (dАМР) 5’-Дезоксиадениловая кислота O Н3С NH Строение полинуклеотидов. Многообразие существующих молекул ДНК и РНК …О O N O=P–ОСН2 О определяется их первичной структурой – последовательностью ОН NН2 нуклеотидных остатков в составе полимерной цепи, связи в Н Н Н Н 7 6 N 5 которой формируются за счет этерификации группы ОН у N1 Н 8 О атома С3 пентозы одного нуклеотида фосфатным остатком другого 2 4 9N N нуклеотида. Такую связь иначе называют фосфодиэфирной. 3 O=P–ОСН2 О В составе молекулы ДНК выделено значительно большее NH2 ОН Н Н Н Н число нуклеотидных остатков, чем в молекуле РНК. Молекулярная NH Н масса ДНК порядка 10 млн; ДНК в условиях клетки нерастворима. О O N Первичная структура нуклеиновых кислот – нуклеотидный состав O=P–ОСН2 О и нуклеотидная последовательность, т.е. порядок чередования нуклеотидных ОН Н Н Н Н звеньев. Устанавливают нуклеотидный состав, исследуя продукты гидролитического расщепления нуклеиновых кислот. О… Н ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые в свою очередь способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов. Химический гидролиз ДНК почти не применяют из-за осложнения его побочными процессами. Более предпочтителен ферментативный гидролиз под действием нуклеаз. Например, змеиный яд содержит ферменты, расщепляющие фосфодиэфирные связи. Такие ферменты проявляют специфичность по отношению к разным типам нуклеиновых кислот. Вторичная структура ДНК – это пространственная организация полинуклеотидной цепи. Макромолекулы ДНК связаны между собой попарно при помощи водородных связей в виде двойной спирали постоянного диаметра. Остатки нуклеиновых оснований направлены внутрь спирали, диаметр которой равен примерно 2 нм. На один виток спирали приходится 10 пар оснований. Для обеспечения наибольшей устойчивости этой структуры водородных связей должно O быть максимально много. Это достигается определенным соответствием Н–NН 7 6 Н3С в расположении остатков оснований одной спирали по отношению к N 5 1 NH N 8 остаткам другой: тиминовые группы располагаются напротив адениновых 2 O 4 9 N N (между ними образуются две водородные связи), цитозиновые — напротив N 3 H гуаниновых (между ними образуются три водородные связи). Эти основания H составляют комплементарные пары. Водородные связи образуются Н–N–H О между аминогруппой одного основания и карбонильной группой 7 6 1 N 5 другого, а также между амидным и иминным атомами азота. НN N 8 2 Полный или частичный разрыв водородных связей, ведущий к 4 N9 N Н O N N раскручиванию полинуклеотидных цепей нуклеиновой кислоты и их 3 H H H последующему разделению, называют денатурацией. Нуклеиновые кислоты содержатся во всех живых организмах и играют исключительно важную роль в биосинтезе белков, а также в передаче наследственных свойств. Нуклеиновые кислоты являются материальными носителями генетического кода, который определяет аминокислотную 5' 1' 4' 2' 3' 5' 1' 4' 2' 3' 5' 1' 4' 3' 2' 64 последовательность в белках. Именно эта генетическая информация программирует структуру и метаболическую активность живых организмов. В организме нуклеиновые кислоты в основном находятся в составе смешанных биополимеров — нуклеопротеинов. Как следует из названия, структурными компонентами таких образований являются нуклеиновые кислоты и белки. ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК преимущественно находятся в рибосомах, а также протоплазме клеток. Основная роль РНК заключается в непосредственном участии в биосинтезе белка. Известны 3 вида клеточных РНК: транспортная (тРНК); информационная или матричная (мРНК); рибосомная (рРНК). КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. В составе ДНК в качестве углеводного компонента содержится: а) 2-дезокси- -Lрибофураноза, б) -D-рибофураноза, в) -D-рибопираноза, г) 2-дезокси- -D-рибофураноза, д) D- рибофуроноза; е) 2-дезокси- -D-рибулофураноза, ж) 2-дезокси- -D-рибопираноза. Приведите структурную формулу этого соединения. К какому типу моноз оно относится: 1) альдогексоза; 2) альдопентоза; 3) кетогексоза; 4) кетопентоза. 2. ДНК отличается от РНК: а) составом пуриновых оснований, б) типом углеводного компонента, в) отсутствием сложноэфирных связей с фосфорной кислотой, г) составом пиридиновых оснований. Между отдельными мононуклеотидами осуществляется связь: 1) 1,6фосфорноэфирная, 2) 3,5- фосфорноэфирная, 3) -N-гликозидная, г) 3,3-сложноэфирная. Различаются ли функции в организме ДНК и РНК? Если да, то в чём состоит это отличие? 3. Первичная структура нуклеиновых кислот – длинная цепь мононуклеотидов. Они связаны между собой: а) водородными связями, б) пептидными связями, в) 2,3-сложноэфирной связью, г) 3,5-сложноэфирной связью, д) -N-гликозидной связью. Эта связь обеспечивается наличием в нуклеотиде: 1) остатка фосфорной кислоты; 2) углевода; 3) пуринового гетероциклическ. основания; 4) пиримидинового гетероциклического основания. 3. Пиримидиновые основания в нуклеозидах присоединяются к углеводу по атому азота и образуют связь: а) -N-гликозидную, б) -N-гликозидную, в) -О-гликозидную, г) -О- гликозидную? 4. Среди приведённых ниже соединений, выберите основание, комплементарное тимину: а) б) в) г) д) 65 ТЕМА 14. Липиды и низкомолекулярные биорегуляторы Липиды (греч. lipos — жир) — природные жироподобные вещества, практически нерастворимые в воде, хорошо растворимые в неполярных органических растворителях. Липиды не имеют общих структурных особенностей и в большинстве случаев представляют собой сложные эфиры высших жирных кислот с глицерином и другими спиртами специфического строения. В состав липидов также могут входить фосфорная кислота, азотистые основания или углеводы. Липиды не являются биополимерами, однако наряду с ними выполняют чрезвычайно важные функции в организме: – являются структурными элементами клеточных мембран (в виде комплекса с белками); – служат энергодативным материалом для организма; – являются запасными веществами, в форме которых депонируется метаболическое топливо; – выполняют в организме защитную функцию; – функционируют как биорегуляторы метаболических процессов. Липиды чаще всего классифицируют по их способности к гидролизу на омыляемые (содержат сложноэфирные связи, способные гидролитически расщепляться) и неомыляемые (не содержат сложноэфирных связей и не подвергаются гидролизу). К омыляемым липидам в свою очередь относят простые и сложые липиды. Простые липиды состоят только из остатков жирных кислот и одно-, двух- или трехатомных спиртов, образующих сложные эфиры; к ним относят воски, жиры и церамиды. В состав сложных липидов входят остатки жирных кислот и спиртов с замещенными группами, остатки фосфорной кислоты, моносахаридов. К сложным омыляемым липидам относятся, прежде всего, фосфолипиды, гликолипиды и сфинголипиды. Неомыляемые липиды не содержат жирнокислотных остатков, соединенных сложноэфирной связью, поэтому в щелочной среде они не гидролизуются с образованием жирных кислот и не образуют мыла. К данной группе липидов относят стероиды и терпены, а также жирорастворимые пигменты, витамины. Жиры. Животные жиры и растительные масла имеют единую химическую природу. Их молекулы представляют собой триацилглицерины – сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и высших алифатических кислот. Кислоты, выделенные из жиров, часто так и называют жирными кислотами. Номенклатура жиров основана на названии кислот, входящих в их состав с указанием номера глицеринового атома углерода, с которым соединён остаток кислоты, например: Как запасные вещества триацилглицерины обладают рядом преимуществ перед углеводами и белками. Они не растворимы в воде и клеточном соке и, следовательно, не влияют на физикоашические свойства цитоплазмы; до омыления ни в какие реакции в водной среде не вступают. Триацилглицерины выполняют, кроме того, энергодативные функции, восполняя около 45 % суммарной потребности организма в энергии. В составе природных триацилглицеринов обнаружено несколько десятков различных жирных кислот. Однако в жирах организма около 85 % составляют: олеиновая С17Н33СООН, пальмитиновая C15H31COOH и линолевая C17H31COOH кислоты. Жирные кислоты, входящие в состав липидов высших растений и животных, обладают рядом общих свойств: 1) содержат четное число атомов углерода, чаще всего 16 или 18 атомов; 2) имеют неразветвленную углеродную цепь; 3) ненасыщенные кислоты имеют цис-конфигурацию; 4) в полиненасыщенных жирных кислотах растительного происхождения обнаружены со66 пряженные двойные связи: –СН=СН–СН=СН–; а в жирных кислотах животных липидов — дивинилметановые фрагменты: –СН=СН–СН2–СН=СН– Если в составе триацилглицеринов присутствуют, преимущественно, предельные кислоты, то жир имеет твёрдую консистенцию (свиной жир, сливочное масло). Если же преобладают ненасыщенные кислоты, то агрегатное состояние жира — жидкое (растительные масла). Углеводородный радикал кислоты в цис-конфигурации имеет изогнутый и укороченный вид, молекулы занимают больший объём, а при образовании кристаллов упаковываются менее плотно, чем трансизомеры. Отсюда и разница в температурах плавления и агрегатном состояниии кислот. Так, олеиновая кислота при комнатной температуре — жидкая, а её транс-изомер, элаидиновая кислота — твёрдая. а в б Рисунок – Шаростержневые модели молекул транс- (вверху) и цис- (внизу) изомеров олеиновой (а), линолевой (б), линоленовой (в) кислот. Синим цветом, отмечены атомы углерода, красным — кислорода, серым — водорода. Цис- конфигурация непредельных кислот менее устойчива, чем транс-конфигурация. Это делает пищевые жиры более подверженными катаболизму, они легче перевариваются. Реакции гидролиза. Среди химических свойств омыляемых липидов реакция гидролиза занимает особое место. С ее помощью устанавливают строение липидов. Гидролиз — первая стадия утилизации и метаболизма пищевых жиров в организме. При гидролизе нейтральных жиров образуются кислоты и глицерин. В организме эта реакция катализируется ферментами — липазами. Вне организма гидролиз жира происходит при его нагревании в присутствии кислот или щелочей (по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения SN2). В последнем случае образуются соли жирных кислот — мыла, а реакция называется омылением. Мыла, так же как и многие сложные липиды, обладают поверхностной активностью (являются ПАВ). Приведем некоторые реакции гидролиза Реакции присоединения. Липиды с остатками непредельных кислот присоединяют по двойным связям водород галогены, галогеноводороды, воду в кислой среде. На способности ненасыщенных кислот присоединять по месту двойной связи галогены основан один из методов определения степени ненасыщенности жирных кислот и масел. Жидкие жиры могут быть превращены в твердые путем гидрирования — присоединением водорода по двойным связям непредельных кислот в присутствии катализаторов: Реакция гидрирования растительных масел используется в промышленных масштабах для получения маргаринов и «мягких» масел, не содержащих холестерина. Холестерин в таких продуктах действительно отсутствует (ведь растения не вырабатывают холестерин). Однако установ67 лено, что в процессе гидрирования происходит также цис-транс- изомеризация углеводородных радикалов кислот, доля транс-изомеров в в «мягких» маслах может достигать 10 %, в дешёвых маргаринах — 50 %. Присутствие транс-изомеров увеличивает риск атеросклероза и связанных с ним сердечно-сосудистых заболеваний. Полученные в процессе катаболизма таких маргаринов транс-кислоты могут встраиваться в фосфолипиды клеточных мембран, изменяя при этом их физические свойства, что может быть причиной метаболических и функциональных расстройств. Под действием света, кислорода и влаги жиры подвергаются пероксидному окислению и расщеплению. Легче всего окисляются непредельные жирные кислоты, входящие в состав жира. Кислород, присоединяясь по месту двойной связи, образует пероксиды. Далее происходит разрыв углеродной цепи по месту бывшей связи, и образуются альдегиды и кислоты с меньшим числом атомов углерода, имеющие неприятный запах и вкус прогорклого жира: Синтез жиров в организме осуществляется из глицерина и производных жирных кислот в виде ацилкофермента: Воски. Представляют собой сложные эфиры высших одноатомных спиртов алифатического (реже ароматического) ряда и высших жирных кислот. Кроме того, природные воски содержат свободные спирты с четным числом атомов углерода n = 26-32, высшие жирные кислоты с числом атомов углерода n = 14-34, а также алканы с нечетным числом атомов углерода n = 21-37. Общее количество этих примесей может достигать 50 %. Воски составляют около 80 % всех липидов растений и выполняют в организме в основном защитную функцию, предохраняя органы и ткани от потери тепла, влаги, от механических повреждений и проникновения микроорганизмов. В состав восков входят как обычные жирные кислоты, так и специфические: карнаубовая С23Н47СООН, церотиновая С26Н53СООН. Наиболее часто в составе восков встречаются спирты: стеариновый С18Н37ОН, цетиловый СН3(СН2)14СН2ОН, мирициловый C31H63OH и др. Среди животных восков наибольшее значение имеют спермацет, ланолин и пчелиный воск. Воски подразделяют на: простые и сложные. К простым воскам относят эфиры высших жирных кислот и высших первичных спиртов. Сложные воски представляют собой эфиры разветвленных одно- и двухатомных спиртов и разветвленных жирных кислот или оксикислот. В отличие от триацилглицеринов воски более устойчивы к действию света, окислителей, нагреванию; хуже гидролизуются. Универсальным свойством восков является их высокая пластичность в нагретом состоянии при температурах, значительно ниже температур плавления. Так, большинство восков имеют температуру плавления 60-64 °С, а температуру размягчения (перехода в высокопластичное состояние) около 36-38 °С. Кроме того, большинство восков плавятся, не давая твердого остатка. Именно эти свойства обусловили, в частности, широкое применение восков в сачестве моделировочных материалов в ортопедической стоматологии. Церамиды — это N-ацилированные производные спирта сфингозина. Эти соединения в незначительных количествах присутствуют в тканях растений и животных. Церамиды — твёрдые или воскоподобные вещества хорошо растворимы в хлороформе, спирте и их смеси, склонны к реакциям внутримолекулярной циклизации. In vivo они являются предшественниками сложных липидов — сфингомиелинов, цереброзидов, ганглиозидов и др. Фосфолипиды. Являются сложными эфирами жирных кислот, фосфорной кислоты и многоатомных спиртов — глицерина (глицерофосфолипиды) или сфингозина (сфингофосфолипиды). Кроме того, их молекулы содержат сложноэфирную связь между фосфорной кислотой и какимлибо полярным соединением (чаще азотсодержащим). Фосфолипиды в организме выполняют структурную функцию, являясь компонентом внутриклеточных мембран и клеточных оболочек. 68 Благодаря особенностям химического строения, а именно дифильному характеру молекул, фосфолипиды обеспечивают одностороннюю проницаемость (полупроницаемость) мембран. В воде фосфолипиды не растворимы, но набухают в ней; быстро окисляются на воздухе. Глицерофосфолипиды имеют общее строение: где R, R' — остатки жирных кислот. Глицерофосфолипиды являются производными фосфатидовых сислот (X = Н), в которых остаток фосфорной кислоты этерифицирован одним из аминоспиртов: коламином, холином или аминокислотой серином: Молекулы глицерофосфолипидов включают гидрофильную полярную группировку и две гидрофобные неполярные углеводородные цепи, что обусловливает дифильность молекул и выраженную поверхностную активность фосфолипидов. Сфингофосфолипиды похожи по структуре на глицерофосфолипиды, но вместо глицерина используется другой спирт — сфингозин: Важную группу сфинголипидов составляют сфингомиелины, впервые обнаруженные в нервной ткани. В сфингомиелинах (в отличие от церамидов) гидроксильная группа у первого атома углерода ацилирована фосфорилхолиновой группировкой. Молекулы гликолипидов содержат остатки углеводов (чаще D-галактозы, реже D-глюкозы) и не содержат фосфорной кислоты и связанных с ней азотистых оснований. Типичные представители гликолипидов — цереброзиды и ганглиозиды. Ганглиозиды структурно схожи с цереброзидами, но вместо моносахарида содержат сложный олигосахарид. Характерной особенностью сложных липидов является их бифильность (наличие сродства как к полярным, так и к неполярным фазам). В фосфолипидах, например, углеводородные радикалы жирных кислот образуют два неполярных «хвоста», а карбоксильная, фосфатная и азотистая части — полярную «голову». На границе раздела фаз такие вещества проявляют поверхностноактивные свойства, так как одна их часть может растворяться в полярной фазе, а другая — в неполярной. 69 Липиды в организме выполняют структурную функцию, являясь, наряду с белками, компонентами внутриклеточных мембран и клеточных оболочек. За счёт гидрофобных взаимодействий углеводородные цепочки радикалов жирных кислот удерживаются рядом друг с другом в вытянутом состоянии во внутренней полости, образуя двойной углеродный слой; тогда как полярные группы взаимодействуют с белковыми молекулами и располагаются на внешней поверхности липидного бислоя. Фосфолипиды обеспечивают высокое электрическое сопротивление и одностороннюю проницаемость (полупроницаемость) мембран: мембраны непроницаемы для ионов и полярных молекул и проницаемы для неполярных веществ. Поэтому для большинства анестезирующих препаратов характерна высокая растворимость в липидах, обеспечивающая их проникновение через мембраны нервных клеток. Липиды мембран представлены в основном фосфолипидами, кроме того присутствуют сфинголипиды, гликолипиды и стероиды. Неомыляемые липиды Вместе с омыляемыми липидами в липидных фракциях, извлекаемых из материала животного или растительного происхождения, содержатся в небольшом количестве вещества, обладающие высокой биологической активностью. К ним относятся стероиды, терпены, жирорастворимые витамины, алкалоиды, объединяемые общим названием — низкомолекулярные биорегуляторы. За этими веществами закрепилось и ещё одно название — неомыляемые липиды, эти соединения не подвергаются гидролизу с образованием кислоты и спирта. Стероиды Стероиды широко распространены в природе, выполняют в организме разнообразные функции. К настоящему времени известно около 20 000 стероидов; более 100 из них применяется в медицине. Стероиды имеют циклическое строение. В основе их структуры скелет стерана, состоящий их трех конденсированных циклогексановых колец в нелинейном сочленении и циклопентанового кольца. Общая структура стероидов и нумерация атомов в стеране приведены ниже: Стероидные гормоны Гормоны – биологически активные вещества, образующиеся в результате деятельности желез внутренней секреции и принимающие участие в регуляции обмена веществ и физиологических функций в организме. Гормоны — промежуточное звено между нервной системой и ферментами. Синтезированные в железах внутренней секреции гормоны переносятся током крови к органам-мишеням и там либо повышают каталитическую активность соответствующих ферментов, либо ускоряют их биосинтез. Гормоны имеют не только стероидную структуру, они могут быть производными аминокислот, пептидов и белков. Кортикостероиды (кортикоиды) образуются в корковом веществе надпочечников и регулируют углеводный и солевой обмен. Их боковая цепь у С17 включает два атома углерода в виде гидроксикетонной группировки. Примерами служат кортикостерон и преднизолон. Кортикостерон 70 действует как антагонист инсулина, повышая содержание глюкозы в крови. Преднизолон – синтетический кортикостероид, по действию превосходящий свои природные аналоги. Используется для лечения ревматизма, бронхиальной астмы. Андрогены стимулируют развитие вторичных половых признаков, влияют на эндокринную систему, обладают сильным анаболическим эффектом. Эстрогены контролируют некоторые важные циклы в женском организме, используются при лечении гипертонии и других заболеваний. Стерины Как правило, клетки очень богаты стеринами. В зависимости от источника выделения различают зоостерины (из животных), фитостерины (из растений), микостерины (из грибов) и стерины микроорганизмов. В основе структуры стеринов лежит скелет углеводорода холестана, алифатический радикал R которого включает 8 атомов углерода. В качестве обязательного заместителя стерины содержат гидроксильную группу при С3, т. е. являются вторичными спиртами (поэтому в их названии часто присутствует окончание -ол). Примерами служат встречающиеся в животных клетках холестанол, относящийся к 5-стероидам; холестерин и др. Из общего количества холестерина, содержащегося в организме (250 г при массе тела 65 кг), только около 20 % его поступает с пищей. Основное количество холестерина синтезируется в организме. Нарушение обмена холестерина приводит к отложению его на стенках кровеносных сосудов и, как следствие, к уменьшению эластичности сосудов (атеросклерозу). Кроме того, он может накапливаться в виде желчных камней. Желчные кислоты В печени стерины, в частности холестерин, превращаются в желчные кислоты. Алифатическая боковая цепь у С17 в желчных кислотах, производных углеводорода холана, состоит из 5 атомов углерода и включает концевую карбоксильную группу. Из желчи человека выделены четыре кислоты, которые получили название холевых кислот. Наиболее распространенная — сама холевая кислота. Другие холевые кислоты отличаются отсутствием одной или двух гидроксильных групп у С7 и С12. Желчные кислоты находятся в организме также в виде амидов по карбоксильной группе (посредством пептидной связи к ним присоединены остатки глицина Н 2NСН2СООН или таурина H2NCH2CH2SO3H). Haтриевые и калиевые соли этих соединений обладают поверхностноактивными свойствами. Эмульгируя жиры пищи, они улучшают их усвоение, а также активируют липазу — фермент, катализирующий гидролиз жиров. 71 Терпены и терпеноиды Под этим названием объединяют ряд углеводородов и их кислородсодержащих производных — спиртов, альдегидов и кетонов, углеродный скелет которых построен из двух, трех и более звеньев изопрена. Сами углеводороды называют терпеновыми углеводородами, а их кислородсодержащие производные — терпеноидами. Терпенами богаты эфирные масла растений, смола хвойных деревьев и каучуконосов. К терпенам относятся и различные растительные пигменты и некоторые жирорастворимые витамины. Группировка терпенового типа (изопреноидная цепь) включена в структуру многих биологически активных соединений. Общая формула большинства терпеновых углеводородов — (C5H8)n. Они могут иметь нециклическое и циклическое строение. Терпены, содержащие две изопреновые группировки, относят к монотерпенам, три — к сесквитерпенам, четыре, шесть и восемь — к ди-, три- и тетратерпенам соответственно. Примерами ациклических терпенов служат мирцен — монотерпен, содержащийся в эфирных маслах хмеля и благородного лавра; родственный мирцену спирт гераниол, содержащийся в эфирных маслах герани и розы. Среди терпенов наиболее распространены моно- и бицикли-ческие терпены. Многие из них применяются в медицине или служат исходными продуктами для синтеза лекарственных средств. (-)-Лимонен – представитель моноциклических терпенов. Он содержится в лимонном масле и скипидаре. (+)-Лимонен входит в состав масла тмина. Рацемическая форма лимонена (дипентен) может быть получена в результате реакции диенового синтеза из изопрена при нагревании. При восстановлении оптически активного лимонена или дипентена получается ментан, а при полной их гидратации в кислой среде, протекающей в соответствии с правилом Марковникова, образуется двухатомный спирт терпин. Последний в виде гидрата применяется как отхаркивающее средство при хроническом бронхите. Замещенные дипентены (например, каннабидиол) — психоактивное начало гашиша (марихуаны). (-)-Ментол, как и лимонен, имеет скелет ментана. Он содержится в эфирном масле перечной мяты. Оказывает антисептическое, успокаивающее и болеутоляющее (отвлекающее) действие, входит в состав валидола, а также мазей, применяемых при насморке. Особую группу терпенов составляют каротиноиды – растительные пигменты. Некоторые из них играют роль витаминов или предшественников витаминов, а также участвуют в фотосинтезе. Большинство каротиноидов относится к тетратерпенам. Их молекулы содержат значительное число сопряженных двойных связей и поэтому окрашены. Для природных каротиноидов характерна транс-конфигурация двойных связей. Каротин — растительный пигмент желто-красного цвета, в большом количестве содержащийся в моркови, а также томатах и сливочном масле. Известны три его изомера, называемые -, -, и --каротинами, различающиеся числом циклов и положением двойных связей. Все они предшественники витаминов группы А. 72 Витамины Витаминами обычно называют органические вещества, присутствие которых в небольшом количестве в пище человека и животных необходимо для их нормальной жизнедеятельности. Это классическое определение в настоящее время используется с некоторыми оговорками. Термин «витамины», т. е. «амины жизни» (от лат. vita — жизнь), своим возникновением обязан тому, что первые выделенные витамины принадлежали к классу аминов. Однако позднее выяснилось, что присутствие аминогруппы в витаминах необязательно. Витамины делят на две большие группы – водорастворимые и жирорастворимые. Кроме этих групп витаминов, выделяют витаминоподобные вещества, например холин, инозит, оротовая, п-аминобензойная, линолевая, линоленовая кислоты и др. Житрорастворимые витамины Витамин А относится к сесквитерпенам, содержится в масле, молоке, яичном желтке, рыбьем жире; свиное сало и маргарин его не содержат. Это витамин роста; недостаток его в пище вызывает убыль в весе, высыхание роговицы глаз, понижение сопротивляемости к инфекции , играет ведущую роль в процессе светоощущения. В организме человека каротин превращается в витамин А. Витамины группы D относятся к классу стероидов, содержатся в рыбьем жире и яичном желтке (противорахитные). При их недостатке неправильно развивается костная ткань, нарушается обмен кальция и фосфора. Витамины группы D усиливают сопротивляемость инфекции. Витамины К и К1 (филлохинон) являются производными нафтохинона, содержатся во многих растительных продуктах, регулируют в печени синтез протромбина, обусловливающего нормальное свертывание крови. Синтетический водорастворимый аналог витаминов группы К – викасол повышает способность крови к свёртыванию. Витамины группы Е находятся в растительных маслах, молоке, яичном желтке, зародышах пшеницы, кукурузы т.п., регулируют функции половых желез (витамины размножения). Водорастворимые витамины В конце прошлого века тысячи моряков на японских судах страдали, а многие из них умирали мучительной смертью от таинственной болезни «бери-бери». Одной из загадок бери-бери было то, что моряки на судах других стран этой болезнью не болели. В 1882 г. японский морской врач Канегиро Такаки в своей работе, вполне заслуживающей названия «медицинского детектива», показал, что решение проблемы борьбы с этой болезнью заключается в правильном питании. Он обнаружил, что замена очищенного риса, составлявшего в основном рацион питания японских моряков, неочищенным не только помогает излечиться от болезни, но и предотвращает ее появление. Такаки предположил, что в рисовой шелухе содержатся какие-то важные белки, которых недоставало в пище болевших матросов. Последующая работа показала, что такое предположение правильно лишь отчасти. В рисовой шелухе действительно находится -существенно важный для правильного питания фактор, однако вещество это не является белком. Это небольшая органическая молекула, называемая тиамином, который служит коферментом, т. е. действует вместе с ферментом (являющимся белком), катализируя специфические химические реакции. Витамин В1 является производным пиримидина, содержится в дрожжах, ростках пшеницы, шпинате, капусте, моркови, бобах, в печени животных. Вырабатывается кишечной флорой. Регулирует углеводный обмен в организме, недостаток 73 его нарушает функции сердца и нервной системы. Витамин В2 (рибофлавин) – производное бензоптеридина содержится в яйцах, молоке, печени. У травоядных животных вырабатывается микробами в пищеварительном тракте. Регулирует работу ферментов, участвует в процессах тканевого дыхания. При недостатке этого витамина замедляется рост, наблюдаются воспалительные процессы слизистой оболочки языка и губ, развивается общая мышечная слабость и слабость сердечной мышцы. Витамин В6 представлен тремя формами (витамерами) – производными пиридина – пиридоксином (пиридоксолом), пиридоксалем и пиридоксамином. Он имеет важное физиологическое значение. При недостатке его в организме задерживается рост молодняка (и особенно цыплят), развивается заболевание кожи у животных (вокруг глаз, рта и носа). У человека недостаточность витамина В6 встречается реже, выражается в дерматитах. Фосфорилированные производные пиридоксаля и пиридоксамина играют роль коферментов. Драматическая история, связанная с витамином С, возвращает нас к началу XVII в. Купцымореплаватели Британской Ост-Индской компании для того, чтобы не заболеть цингой, сосали плоды цитрусовых. Отсюда и происходит кличка «лимонники», как называли в те дни английских матросов и до сих пор иногда называют англичан. Однако гораздо легче вынести обидную кличку, чем ужасные последствия болезни, связанной с недостатком витаминов. При заболевании цингой десны начинают кровоточить, происходят кровоизлияния под кожей и в суставах. Кожа становится дряблой, суставы распухают. Даже легкое прикосновение к больному может вызвать у него сильнейшую боль. Без приема витамина С неизбежно наступает смерть. В наши дни цинга не представляет серьезной проблемы, но недостаток витамина С ухудшает заживляемость ран и сопротивляемость организма инфекции. Среди болезней, причиной которых является недостаток витаминов, более серьезную проблему, чем цинга или бери-бери, представляла пеллагра. Пеллагра начинается с дерматитов и аномальной пигментации кожи и сопровождается нервными и желудочно-кишечными расстройствами, потерей памяти; в конце концов наступают тяжелое расстройство психики и смерть. То, что эта болезнь связана с недостаточным питанием, известно с 1914 г., однако вначале полагали, что ее вызывает недостаток белка в пище. В 1937 г. установили, что антипеллагрическим действием обладают никотиновая кислота и её амид – витамин РР (от итал preventive pellagra – предотвращающий пеллагру). Свое название кислота получила от никотина, окислением которого ее получают. 74 Алкалоиды К алкалоидам относят различные вещества растительного происхождения, которые содержат азотистый гетероцикл, обладающие основными свойствами и специфическим действием на животный организм. Например, атропин расширяет зрачок, возбуждает нервную систему, морфин успокаивает ее, хинин действует на плазмодии малярии. Благодаря специфичности физиологического действия многие алкалоиды стали лекарственными веществами. Различают шесть групп алкалоидов со следующими важнейшими представителями: пиридиновая (никотин), хинолиновая (хинин, стрихнин), изохинолиновая (папаверин, кураре), фенантреновая (кодеин, морфин), тропиновая (атропин) и пуриновая (кофеин). Кроме того, алкалоиды подразделяют на бескислородные (никотин, анабазин и др.) и кислородсодержащие (хинин, атропин и др.). Все алкалоиды горьки на вкус, вращают плоскость поляризации влево, плохо растворимы в воде, используются в виде солей (хлоридов или сульфатов), которые лучше растворимы. Описано более 500 алкалоидов, изучено строение многих из них, некоторые синтезированы. Чаще всего алкалоиды встречаются у высших растений (маковых, бобовых, лютиковых); алкалоиды могут находиться в различных органах: никотин – в листьях табака, хинин – в коре дерева. Растения, содержащие 1-2 % алкалоида, считают хорошим сырьем для переработки. В растениях алкалоиды связаны (в виде солей лимонной, щавелевой и других кислот). Выделение их из растительного материала весьма затруднительно. Очищают выделенные алкалоиды перекристаллизацией, распознают с помощью цветных реакций. Никотин содержится в листьях и семенах табака (от 1 до 7% в виде соединений с яблочной и лимонной кислотами), имеет вид бесцветной маслянистой жидкости, кипящей при 247 °С, обладает левым вращением, ядовит, добывается из отходов табачной промышленности, применяется как инсектицид. Изомер никотина - анабазин имеет вид бесцветного масла, кипящего при 276 °С, очень ядовит, применяется для борьбы с насекомыми (в виде сернокислой соли), чрезвычайно токсичен. Хинин содержится в коре хинного дерева, кислородсодержащий алкалоид, кристаллизуется с тремя молекулами воды, плохо растворим в ней, обладает левым вращением, применяется как антималярийное лекарство (в виде хлористоводородной или сернокислой соли). Сернокислый хинин с бромной водой и водным аммиаком дает зеленое окрашивание. Синтезирован в 1945 г. Примером алкалоида изохинолинового ряда является папаверин, применяющийся в качестве эффективного противосудорожного средства. Атропин содержится в белладонне, семенах дурмана, белене. Это кристаллическое вещество, плавящееся при 115-116 °С, ядовит, вызывает расширение зрачка, несмотря на высокую токсичность, применяется при лечении глазных заболеваний. Кокаин содержится в листьях кока, имеет вид бесцветных призм, плавящихся при 98 °С. Известен как одно из первых используемых в медицине местноанестезирующих и наркотических средств. Морфин был первым алкалоидом, выделенным в чистом виде (1806 г). Он был назван по имени сына бога сна и сновидений Морфея, его применяют как снотворное и обезболивающее средство. Кодеин – метиловый эфир морфина, используется против кашля и в качестве обезболивающего средства. Большим успехом органической химии явилось выделение и изучение антибиотиков – при75 родных веществ, синтезируемых микроорганизмами и тормозящих размножение других микроорганизмов. Антибиотики применяются для лечения и предупреждения многих инфекционных заболеваний. Получены десятки антибиотиков, отличающихся как по химическому строению, так и по силе противобактериального действия. Среди них есть и сравнительно простые вещества класса хинонов и сложные гетероциклические соединения, вещества углеводного характера, полипептидные соединения. Наибольшее медицинское значение приобрели пенициллин, стрептомицин, грамицидин, синтомицин и биомицин. Счастливая случайность позволила английскому бактериологу А. Флемингу в 1929 г. впервые наблюдать противомикробную активность пенициллина. Культуры стафилококка, выращивавшиеся на обычной питательной среде, называемой агаром случайно были заражены зеленой плесенью. Флеминг заметил, что по мере развития зеленой плесени стафилококковые палочки, находящиеся по соседству с плесенью, разрушались. Затем он обнаружил, что сама питательная среда, в которой развивалась плесень, не причиняла вреда лейкоцитам крови, и предположил, что содержащееся в плесени активное начало может быть использовано в качестве антисептика. Впоследствии было установлено, что плесень эта относится к виду Penicillium notatum, однако в то время возможность использования выделяемого ею вещества для лечения общих инфекционных заболеваний не была исследована. За несколько лет до начала второй мировой войны X. Флори и Е. Чейн в Оксфорде решили разобраться в причинах этого явления. В 1940 г. они выделили натриевую соль пенициллина, содержащую примеси. Им удалось показать, что полученное вещество обладает замечательной противостафилококковой активностью. В начале 1941 г. пенициллин был впервые опробован на человеке – им был заболевший оксфордский полицейский – и начался путь этого антибиотика к славе. Эра синтетических лекарств началась лавинообразным увеличением числа исследований во всем мире после опубликования в 1936 г. сообщения о том, что известная молекула сульфаниламида обладает почти сверхъестественной силой излечивать самые различные, часто смертельные инфекционные заболевания. Молекула сульфаниламида поразительно проста. Как же действует эта небольшая молекула, метко убивающей бактерию и не приносящей никакого вреда живым клеткам? Сульфаниламид убивает бактерии, включаясь в синтез фолиевой кислоты. Синтез фолиевой кислоты чрезвычайно важен для жизнедеятельности бактерий. Животные клетки сами не синтезируют фолиевую кислоту, однако она является необходимым компонентом в их «рационе». Сульфаниламид мешает биосинтезу фолиевой кислоты, конкурируя с п-аминобензойной кислотой за включение в молекулу фолиевой кислоты. Структура сульфаниламида близка к структуре п-аминобензойной кислоты, что позволяет молекуле сульфаниламида «ввести в заблуждение» ферменты, отвечающие за связывание всех трех частей молекулы. Таким образом, сульфаниламид занимает место п-аминобензойной кислоты, давая «ложную» молекулу фолиевой кислоты, которая, вероятно, не способна выполнять жизненные функции «истинной» фолиевой кислоты внутри бактерии. В этом заключается секрет противобактериальной активности сульфаниламида. 76
