Основные классы органических соединений и их реакционная способность

О.А. Журавская

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И ИХ РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

Учебное пособие

для студентов медицинских вузов

Самара 2011

УДК

Ж 91

Рецензенты:

– кандидат химических наук, доцент А.А. Данилин;

– кандидат химических наук, доцент О.К. Шаховкина.

Журавская О.А. Основные классы органических соединений и их реакционная способность:Учебное пособие для студентов медицинских вузов. – Самара, НОУ ВПО «Самарский медицинский институт «РеаВиЗ», 2011 − 52 с. ???

Изучение биоорганической химии в медицинских вузах связано с усвоением большого объема материала при малом количестве аудиторных часов.

В учебном пособии освещены вопросы строения и реакционной способности основных классов органических соединений, материал представлен в текстуальной форме, таблицах, схемах и рисунках, что позволяет оптимизировать процесс запоминания.

Пособие предназначено для студентов медицинских вузов, обучающихся по специальностям «Лечебное дело» и «Стоматология» очной и очно-заочной формы обучения.

© НОУ ВПО СМИ «РеаВиЗ», 2011

Раздел 2. Основные классы органических соединений и их реакционная способность

Реакционная способность алифатических и ароматических углеводородов

Реакционная способность алканов и циклоалканов

К предельным (или насыщенным) углеводородам относят углеводороды, в молекулах которых атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации. По строению углеродного скелета такие углеводороды делят на алканы и циклоалканы.

Алканы – это ациклические насыщенные углеводороды с общей формулой С_nH_2n+2.

Неполярные связи С–С и С–Н в алканах (и циклоалканах) не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием свободных радикалов.

Значит, для алканов характерны реакции радикального замещения S_R (от англ. substitution radicalic).

По этому механизму протекают реакции галогенирования (алканы циклоалканы С₅ – С₆):

Этапы:

1. Инициирование цепи:

свободные радикалы

Высокая реакционная способность радикалов объясняется их стремлением достроить внешний электронный уровень до устойчивого октета.

2. Развитие цепи:

В результате последовательных реакций в цепи могут образоваться:

CH₃Cl – хлористый метил (хлорметан);

CH₂Cl₂ – хлористый метилен (дихлорметан);

CHCl₃ – хлороформ (трихлорметан);

CCl₄ – четыреххлористый углерод (тетрахлорметан).

3. Обрыв цепи:

а) Cl^· + Cl^· → Cl₂

б) CH₃^· + Cl^· → CH₃Cl

в) CH₃^· + CH₃^· → CH₃ – CH₃

Реакция региоселективна.

Региоселективность – предпочтительное протекание реакции по одному из нескольких реакционных центров одинаковой химической природы.

Скорость S_R:

третичные УВ > вторичные УВ > первичные УВ

(связано со стабильностью образующихся радикалов и подвижностью водородов под влиянием +J-эффекта)

Схема механизма реакции гидратации

Примеры реакций электрофильного замещения

Роль катализатора:

Биологическая роль реакций S_E – биосинтез гормонов щитовидной железы (пример реакции S_E in vivo).

Механизм реакций S_E в ароматическом кольце

1. Генерирование электрофильной частицы

2. Образование π-комплекса

3. Образование σ-комплекса

4. Образование конечного продукта (стабилизация σ-комплекса)

Однозамещенные бензола изомеров не имеют, но если в кольце появляются заместители, то симметрия кольца нарушается и с помощью квантово-механических расчетов удалось установить, что все заместители делят на 2 группы: электронодоноры и электроноакцепторы.

Окисление

Восстановление

Присоединение хлора

Антрацена и фенантрена

Антрацен более реакционноспособен по сравнению с фенантреном.

Спирты и фенолы

Производные алифатических углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу, называют спиртами; аналогичные производные моноядерных ароматических углеводородов называют фенолами; производные нафталина – нафтолами.

Различают:

- по числу групп – ОН:

· одноатомные;

· многоатомные спирты и фенолы;

- по типу атома углерода, соединенному с группой –ОН:

· первичные

· вторичные

· третичные

Простые эфиры– это производные спиртов и фенолов, в которых атом водорода группы – ОН замещен алкильным (R-) или арильным (Ar-) радикалом (R – O – R' или R – O – Ar).

Эпоксиды Пероксиды

Свойства спиртов и фенолов.

Связь С – О в спиртах и фенолах полярна и способна к гетеролитическому разрыву.

- взаимодействуют с галогеноводородными кислотами:

- нейтральный характер спиртов и слабые кислотные свойства фенолов:

- образуют простые и сложные эфиры:

Фенолов, простых эфиров

· Введение ОН-группы повышает растворимость вещества в воде и увеличивает его физиологическую активность.

- Метанол CH₃OH – сильный яд.

- Этанол CH₃CH₂OH – антисептическое средство, используется в качестве обеззараживающего средства и для приготовления настоек.

- Бутиловые и амиловые спирты – основные компоненты сивушных масел.

· Введение ОН-группы в ароматическое ядро приводит к появлению антисептических свойств.

- Фенол (карболовая кислота) – применяется как дезинфицирующее средство (первый антисептик, введенный в хирургию).

- Крезолы (смесь 2-, 3- и 4-метилфенолов) – применяются как дезинфицирующие средства.

- Диэтиловый эфир (C₂H₅)₂O – средство для ингаляционного наркоза, используется для приготовления настоек и экстрактов; при хранении на воздухе образует взрывчатый гидропероксид.

- Эпоксиды предполагаются в качестве промежуточных продуктов при ферментативном окислении кислородом связей С=С.

- Бутилвиниловый эфир CH₂=CH–O–C₄H₉

используется для получения полимера, применяемого как ранозаживляющее средство («бальзам Шостаковского»).

Тиолы и амины

Серосодержащие аналоги спиртов (или фенолов) называют тиолами (или тиофенолами), серосодержащие аналоги простых эфиров и органических пероксидов называют сульфидамиидисульфидами:

R – SH Ar – SH R – S – R R – S – S – R

Атома углерода

Многие биологически активные органические веществ: белки, жиры, углеводы, гормоны и другие, содержат в своем составе углерод-кислородную двойную связь, называемую карбонильной группой (или оксогруппой).

Альдегидами называют соединения, в которых карбонильная группа соединена с углеводородным радикалом и атомом водорода; общая формула:

Кетоны– содержат карбонильную группу, связанную с двумя углеводородными радикалами:

Различают:

· В зависимости от строения углеводородного радикала:

алифатические	алициклические	ароматические
этаналь (ацетальдегид)   пропанон (ацетон)	циклогексанкарбальдегид   циклогексанон	бензальдегид   бензофенон

Карбонильной группы

· Электрофильный центр – карбонильный атом углерода, на котором возникновение частичного положительного заряда обусловлено полярностью связи C=O (реакции A_N).

· Основный центр – атом кислорода с неподеленными парами электронов (кислотный катализ в реакциях присоединения).

· α – СН – кислотный центр возникает за счет индуктивного эффекта карбонильной группы (реакции конденсации).

Трихлоруксусный

Альдегид (хлораль)

Галогены обладают (-)I – эффектом.

2 стадия: непрочное соединение – трихлоруксусный альдегид легко расщепляется под действием NaOH, так как оба его углерода несут частичные положительные заряды (δ⁺)

Галоформная реакция используется как способ получения карбоновых кислот и для обнаружения метилкетонов (ацетона) и ацетальдегида – йодоформная проба – в биологических жидкостях.

· Реакции присоединения – отщепления A_N – E (образование оснований Шиффа):

1 стадия: нуклеофильная атака аминами карбонильного атома углерода

2 стадия: стабилизация биполярного иона

3 стадия: отщепление (элиминирование) с образованием основания Шиффа

В организме образование оснований Шиффа идет при биосинтезе аминокислот из кетокислот и при распаде аминокислот через стадию переаминирования.

И их производных

· Входят в состав простых и сложных липидов;

· Функциональные производные карбоновых кислот – основа лекарственных препаратов, дезинфицирующих средств, консервантов. (Бензоат натрия C₆H₅COONa – отхаркивающее средство; метилизовалериат C₄H₉COOCH₃ – основа валидола)

Двухатомные фенолы

Пирокатехин (о-дигидроксибензол, катехол) – структурный фрагмент многих БАВ, в частности, катехоламинов.

Резорцин (м-дигидроксибензол) – обладает антисептическим действием, применяется в мазях, примочках при экземе.

Аминотиолы

Цистамин – радиопротектор. Повышает устойчивость организма к воздействию ионизирующей радиации. Действие основано на способности уменьшать число радикалов, ионизированных и возбужденных молекул, образующихся в тканях.

Гидроксикарбонильные соединения(гидроксиальдегиды и гидроксикетоны)

Важные метаболиты – продукты распада глюкозы при гликолизе, исходные соединения при биосинтезе моносахаридов.

Альдегидо- и кетонокислоты

Многоосновные кетонокислоты

Обе кислоты – участники цикла Кребса, щавелевоянтарная кислота, кроме того, является связующим звеном между метаболизмом углеводов и аминокислот.

Аминосульфокислоты

Таурин участвует в синтезе ряда аминокислот и энергетическом обмене в мышечных тканях, входит в состав желчных кислот, способствующих эмульгированию жиров в кишечнике. Необходим для поддержания нормального уровня холестерина в крови; предотвращает выведение калия из сердечной мышцы.

Тетрапиррольные соединения

Индол и его производные

Будучи похожими по своей химической структуре, они замещают серотонин в мозгу и нервной системе и извращают его действие. Организм такого обмена не прощает, и серотониновая система, контролирующая в нем большинство жизненно важных процессов, таких как память, поведение, интеллект и многие другие, начинает работать со сбоями, что, в конечном итоге, заканчивается психозом и полной деградацией личности.

Диэтиламид эргометрин

Лизергиновой

Кислоты

Эргометрин — лекарственный препарат, повышающий тонус мышц матки и применяющийся для остановки маточных кровотечений и для ускорения обратного развития матки в послеродовом периоде. Длительное

применение этого препарата может привести к хроническому отравлению (эрготизму) выражающемуся либо в некрозе тканей, в особенности конечностей (антонов огонь) или в судорогах или конвульсиях (злая корча).

Хинолин и его производные

Пиридиновое кольцо более устойчиво к окислению, но легче гидрируется.

Обладает бактерицидным действием.

Таутомерия пиразолонов

Обезболивающее, жаропонижающее и противовоспалительное действие. Ненаркотические анальгетики.

Библиографический список

1. Грандберг И. И. Органическая химия: учебник для студентов, обучающихся по агрохимическим специальностям. – М.: Дрофа, 2002. - 672 с.

2. Зурабян С. Е. Основы органической химии. М.: Дрофа, 2006. - 576 с.

3. Оганесян Э. Т. Важнейшие понятия и термины химии: справочное пособие. – М.: Высшая школа, 1993. - 352 с.

4. Проскурина И. К. Биохимия: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательство Владос-Пресс, 2004. - 70 с.

5. Солдатенков А. Т. Основы органической химии лекарственных веществ. М.: Мир; БИНОМ. Лаборатория занятий, 2007. - 191 с.

6. Сорочинская Е. И. Биоорганическая химия. Поли- и гетерофункциональные соединения. Биополимеры и их структурные компоненты. Учебное пособие. – СПб.: Издательство С.Петербургского университета, 1998. - 148 с.

7. Сорочинская Е. И. Биоорганическая химия. Биологически важные классы соединений. Учебное пособие. – СПб: Издательство С.Петербургского университета. - 1998.

8. Тюкавкина Н. А. Биоорганическая химия: учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2005. – 542 с.

9. Тюкавкина Н. А. Органическая химия. – м.: Дрофа, 2003. – Кн.1: Основной курс. – 640 с.

О.А. Журавская

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И ИХ РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

Учебное пособие

для студентов медицинских вузов

Самара 2011

УДК

Ж 91

Рецензенты:

– кандидат химических наук, доцент А.А. Данилин;

– кандидат химических наук, доцент О.К. Шаховкина.

Журавская О.А. Основные классы органических соединений и их реакционная способность:Учебное пособие для студентов медицинских вузов. – Самара, НОУ ВПО «Самарский медицинский институт «РеаВиЗ», 2011 − 52 с. ???

Изучение биоорганической химии в медицинских вузах связано с усвоением большого объема материала при малом количестве аудиторных часов.

В учебном пособии освещены вопросы строения и реакционной способности основных классов органических соединений, материал представлен в текстуальной форме, таблицах, схемах и рисунках, что позволяет оптимизировать процесс запоминания.

Пособие предназначено для студентов медицинских вузов, обучающихся по специальностям «Лечебное дело» и «Стоматология» очной и очно-заочной формы обучения.

© НОУ ВПО СМИ «РеаВиЗ», 2011