В.я. яцюк, и.в. зубкова

Кафедра биоорганической химии

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

ОСНОВЫ
БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

для студентов лечебного, педиатрического
и медико-профилактического факультетов

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru Курск – 2010


УДК: 577.1(075) Печатается по решению
ББК: 28.072 я 7 редакционно-издательского
  совета ГОУ ВПО КГМУ
  Росздрава

Яцюк В.Я., Зубкова И.В.Основы биоорганической химии (для студентов лечебного, педиатрического и медико-профилактического факультетов). - Курск: ГОУ ВПО КГМУ Росздрава, 2010. – 248 с.

Общая редакция:

зав. кафедрой биоорганической химии, доктор фармацевтических наук, профессор Яцюк В.Я.

Рецензенты:

зав. кафедрой фармацевтической химии и фармакогнозии ГОУ ВПО «Белгородский государственный университет», профессор О.О. Новиков;

профессор кафедры биологической химии ГОУ ВПО «Курский государственный медицинский университет», д.м.н., член-корр. РАЕН
Н.А. Быстрова.

Учебное пособие соответствует программе по биоорганической химии для студентов медицинских вузов (Москва, 2004) и отражает опыт чтения лекций на лечебном, педиатрическом и медико-профилактическом факультетах КГМУ.

ISBN 978-5-7487-1431-0 ББК: 28.072 я 7
   
   
ã Коллектив авторов, КГМУ, 2010  
ã ГОУ ВПО КГМУ Росздрава, 2010  

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru
ВВЕДЕНИЕ

Биоорганическая химия играет важную роль в развитии современной медицинской науки, поэтому она является важной составляющей общего образования врача.

Целью биоорганической химии как учебной дисциплины является формирование знаний взаимосвязи строения и химических свойств биологически важных классов органических соединений, биополимеров и их структурных компонентов, т.е. основы для восприятия биологических, экологических и медицинских знаний на современном молекулярном уровне. Биоорганическая химия формирует знания и умения для изучения биохимии, фармакологии, молекулярной биологии, физиологии.

В качестве исходной общетеоретической основы для характеристики свойств и механизма функционирования биологически активных соединений необходимы знания электронного строения химических связей, взаимного влияния атомов в молекулах, пространственных эффектов, сведения об электронных механизмах химических реакций. Важнейшее место отводится овладению знаниями о реакционной способности функциональных групп.

Для решения вопроса химической совместимости лекарственных средств, выбора пути их введения, предположений о пути метаболизма ксенобиотиков и выведения из организма продуктов их детоксикации необходимо изучение кислотно-основных свойств органических соединений, прогнозирование их отношения к гидролизу, окислению и т.д., исходя из знания их химических свойств.

ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-ОРГАНОГЕНОВ. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
В ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛАХ

Биоорганическая химия изучает строение и свойства соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности, во взаимосвязи с их биологическими функциями.

Основные объекты изучения биоорганической химии – это биополимеры (углеводы, пептиды и белки, нуклеиновые кислоты) и биорегуляторы (гормоны, витамины, лекарственные средства).

Биоорганическая химия неразрывно связана с органической химией, т.к. использует её методы и принципы. В основе теории органической химии, сформулированной А.М. Бутлеровым, лежит положение о зависимости свойств соединений от их химического строения и взаимного влияния атомов в молекулах. Это значит, что химические свойства органических соединений обусловлены типом химических связей, природой связываемых атомов и их взаимным влиянием. А это, в свою очередь, определяется электронным строением атомов и взаимодействием их атомных орбиталей.

Рассмотрим электронное строение атомов тех элементов, которые чаще всего встречаются в структуре органических молекул углерода, водорода, азота и кислорода.

Атомная орбиталь – это область пространства вокруг атомного ядра, в которой возможность нахождения электрона максимальна.

Водород – элемент первого периода, следовательно, его внешний электронный уровень представлен только s-орбиталью (она имеет сферическую форму). Углерод, азот и кислород – элементы второго периода, их внешний электронный уровень представлен одной s- и тремя p-орбиталями. Причём эти три p-орбитали характеризуются одинаковой формой (объёмной восьмёрки или гантели), энергией, но отличны ориентацией в пространстве (в трёхмерной системе координат – px, py и pz).

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

Электронное строение углерода в основном состоянии 1s22s22p2. В возбуждённом состоянии (т.е. при образовании связей) – 1s22s2p3.

В органической химии широко используются представления о гибридных орбиталях. Сущность гибридизации заключается в том, что из нескольких различных орбиталей, близких по энергии, образуется такое же число атомных орбиталей одинаковых по форме и энергии. Гибридные орбитали за счёт большего перекрывания затем образуют более прочные связи по сравнению с негибридными.

Атомы углерода и азота могут находиться в одном из трёх состояний гибридизации – sp3, sp2, sp. Для атома кислорода характерна sp3- и sp2-гибридизация.

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru Процесс sp3-гибридизации протекает с участием всех четырёх внешних атомных орбиталей углерода:

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru Гибридные орбитали равноценны, имеют форму неправильных объёмных восьмёрок и расположены в пространстве под углом 109о28’, т.е. направлены к углам тетраэдра. Поэтому sp3-гибридизованный атом углерода называют тетраэдрическим. У атома углерода на каждой гибридной орбитали присутствует по одному электрону.

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru Электронная конфигурация sp3-гибридизованного атома азота отличается тем, что на одной из гибридных орбиталей у него присутствуют два электрона (электронная формула азота 1s22s22p3):

Эту пару электронов называют неподелённой электронной парой, т.к. обычно она не участвует в образовании связей. Валентный угол sp3-гибридизованного азота равен 107о.

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru У sp3-гибридизованного атома кислорода (электронная формула – 1s22s22p4) две гибридные орбитали заняты неподелёнными электронными парами и валентный угол равен 104,5о :

В sp2-гибридизации участвуют s-орбиталь и две p-орбитали:

 
  в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru Одна pz-атомная орбиталь остаётся негибридизованной.
sp2-атомные орбитали расположены в одной плоскости под углом 120о, а pz-орбиталь – перпендикулярно им.

       
  в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru   в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

       
  в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru   в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru У sp2-гибридизованного атома углерода на каждой орбитали находится по одному электрону:

Распределение электронов по орбиталям (электронная конфигурация) у sp2-гибридизованного атома азота может быть различным: неподелённая электронная пара может находиться или на sp2-атомной орбитали, или на негибридной pz-орбитали.

       
  в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru   в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru
 

Известны также два типа sp2-гибридизованных атома кислорода: на pz-орбитали может находиться один электрон или неподелённая электронная пара.

 
  в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

В sp-гибридизации участвуют s- и p-атомные орбитали:

       
    в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru
  в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru
 

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

Две гибридные орбитали

расположены под углом

180о.

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru Оставшиеся негибридными py- и pz-орбитали расположены перпендикулярно осям гибридных орбиталей и перпендикулярно друг другу:

 
  в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru У sp-гибридизованного атома углерода каждая орбиталь занята одним электроном:

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru Неподелённая электронная пара sp-гибридизованного азота всегда расположена на одной из гибридных орбиталей:

Для кислорода sp-гибридизация не характерна.

Очень важно научиться определять тип гибридизации и электронную конфигурацию атомов. Это необходимо для понимания распределения электронной плотности в молекулах, определения электронных эффектов, стабильности молекул и промежуточных частиц. А это, в свою очередь, помогает определить преимущественное направление реакции, сравнить активность различных соединений в той или иной химической реакции.

Как же правильно определить тип гибридизации атомов в молекулах?

Для углерода тип гибридизации определяется по количеству σ-связей. σ-Связи образуются за счёт гибридных орбиталей, значит, сколько σ-связей у углерода, столько и гибридных орбиталей. Например, определим тип гибридизации атомов углерода в молекуле пропена CH2=CH-CH3. Первый атом углерода образовал три σ-связи (одну – с соседним углеродом и две – с двумя атомами водорода), значит, у этого углерода три гибридных орбитали, что соответствует sp2-гибридизации. Второй атом углерода также образовал три σ-связи (две – с двумя соседними атомами углерода и одну – с водородом), т.е. он также находится в sp2-гибридизации. Третий углерод образовал четыре σ-связи, имея четыре гибридных орбитали, т.е. он sp3-гибридизован.

Тип гибридизации атомов азота или кислорода определяется по соседнему углероду, например, в молекуле этиламина CH3-CH2-NH2 азот имеет sp3-гибридизацию так же, как и соседний углерод. В молекуле виниламина CH2=CH-NH2 азот sp2-гибридизован.

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru Если вы определили, что азот или кислород в какой-либо молекуле sp2-гибридизован, возникает следующая проблема. Нужно определить его электронную конфигурацию (распределение электронов по орбиталям). Другими словами, нужно определить число электронов на негибридной орбитали. Запомните, что если sp2-гибридизованный азот (или кислород) образовал только одинарные связи, на негибридной орбитали – 2 электрона (неподелённая электронная пара). Если же он образовал двойную связь, на негибридной орбитали – 1 электрон. Например, электронная конфигурация атома азота в молекуле виниламина CH2=CH-NH2 :

в.я. яцюк, и.в. зубкова - student2.ru а в молекуле имина формальдегида CH2=NH :

Наши рекомендации