1. Биоорганическая химия

Это наука, изучающая биологическую функцию органических веществ в организме. Она возникла во второй половине XX в. Объектами ее изучения служат биополимеры, биорегуляторы и отдельные метаболиты.

Биополимеры — высокомолекулярные природные соедине ния, которые являются основой всех организмов. Это пептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты (НК), липиды.

Биорегуляторы — соединения, которые химически регулируют обмен веществ. Это витамины, гормоны, антибиотики, алкалои ды, лекарственные препараты и др.

Знание строения и свойств биополимеров и биорегуляторов позволяет познать сущность биологических процессов. Так, уста новление строения белков и НК позволило развить представле ния о матричном биосинтезе белка и роли НК в сохранении и пе редаче генетической информации.

Основная задача биоорганической химии — выяснение взаи мосвязи структуры и механизма действия соединений.

2. Органическая химия

Это наука, изучающая соединения углерода. В настоящее вре мя насчитывается — 16 млн органических веществ.

Причины многообразия органических веществ.

1. Соединения атомов углерода (С) друг с другом и другими элементами периодической системы Д. И. Менделеева. При этом образуются цепи и циклы.

Прямая цепь

    ⎥    ⎥     ⎥     ⎥    ⎥

—С—С—С—С—С—

     ⎥    ⎥     ⎥    ⎥     ⎥

Разветвленная цепь

    ⎥    ⎥     ⎥     ⎥    ⎥

—С—С—С—С—С—

    ⎥    ⎥     ⎥     ⎥    ⎥

—С—С—

    ⎥    ⎥    

Циклы

 

 

 

 

 

 

_sp³                           _sp²                       sp

2. Атом углерода может находиться в трех разных гибридных состояниях. Тетраэдрическая конфигурация атома С → плоскост ная конфигурация атома С.
3. Гомология — это существование веществ с близкими свойствами, где каждый член гомологического ряда отличается от предыдущего на группу —СН₂—. Например, гомологический ряд предельных углеводородов:

СН₄ → С₂Н₆ → С₃Н₈ → С₄Н₁₀ → C₅H₁₂ → С₆Н₁₄

Метан → Этан → Пропан → Бутан → Пентан → Гексан.

4. Изомерия — это существование веществ, имеющих одина ковый качественный и количественный состав, но различное строение.

A. M. Бутлеров (1861 г.) создал теорию строения органических соединений, которая и по сей день служит научной основой орга нической химии. Основные положения теории строения органи ческих соединений:

1.  атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в соответствии с их валентностью;
2. атомы в молекулах органических соединений соединяются между собой в определенной последовательности, что обусло вливает химическое строение молекулы;
3. свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от хими ческого строения молекул;
4. в молекулах существует взаимное влияние как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных атомов;
5. химическое строение вещества можно определить в ре зультате изучения его химических превращений и, наоборот, по строению вещества можно охарактеризовать его свой ства.

Следует рассмотреть некоторые положения теории строения органических соединений.

Изомерия

Структурная (различный порядок соединения атомов) изомерия

1. Изомерия цепи.

С₄Н₁₀         СН₃–СН₂–СН₂–СН₃ (бутан)           СН₃–СН–СН₃

⎥ 

СН₃ (2-метилпропан)

2. Изомерия положения кратной связи и функциональных групп.

С₄Н₈ → СН₂ = СН–СН₂–СН₃ (бутен-1): СН_з–СН = СН–СНз (бутен-2)

С₃Н₇ОН → СН₃–СН₂–СН₂–ОН (пропанол-1), СН₃–СН–СН₃

⎥

ОН (пропанол-2)

3. Изомерия функциональных групп (межклассовая изомерия).

С₃Н₆О → СН₃–СН₂–С–Н (пропаналь), СН₃–С–СН₃ (пропанон-2)

⎥⎥                                                               ⎥⎥

О (пропаналь)                                         О

Стереоизомерия (различное расположение атомов в пространстве)

Пространственная изомерия (стереоизомерия) — это сущест вование изомеров, имеющих одинаковый состав и порядок соединения атомов, но отличающихся характером расположения атомов или групп атомов в пространстве.

Этот вид изомерии описали Л. Пастер (1848 г.), Я. Вант Гофф, Ле Бель (1874 г.). Пространственные изомеры делятся на два вида: конформационные и конфигурационные.

1. Конформационными называются изомеры, формы моле кул которых переходят друг в друга за счет свободного вращения атомов и групп атомов вокруг одной или нескольких б связей. Первое соединение, для которого известно существование кон формационных изомеров, является этан. Его строение в про странстве изображается перспективной формулой или формулой Ньюмена.
2. Конфигурационные изомеры. 

Это стереоизомеры, молекулы которых имеют различное рас положение атомов в пространстве без учета конформаций. 

Реоизомеры делятся на энантиомеры и диастереомеры.

Энантномеры (оптические изомеры, зеркальные изомеры антиподы) — стереоизомеры, молекулы которых соотносятся между собой, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение. Это явление называется энантиомерией. 

Все химические и физические свойства энантиомеров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность.

Условия энантиомерии:

1. атом С находится в состоянии sp₃ гибридизации;
2. отсутствие всякой симметрии;
3. наличие асимметрического (хирального) атома С, атома, имеющего четыре разных заместителя.

Многие окси  и аминокислоты обладают способностью вращать плоскость поляризации луча света влево или вправо. Это явление называется оптической активностью, а сами молекулы оптически активными. Отклонение луча света вправо отмечают знаком «+», влево — «–» и указывают угол вращения в градусах. Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико химическими методами. Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещества, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906 г.), называется веществами D и L ряда.

Равная смесь право и левовращающих изомеров одного соединения называется рацематом и оптически неактивна.

Исследования показали, что знак вращения света нельзя связывать с принадлежностью вещества к D и L рядам, его определяют только экспериментально в приборах — поляриметрах. Например, L молочная кислота имеет угол вращения +3,8°, D молочная кислота — –3,8°.

Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера. Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, которые называются мезоизомерами. Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими свойствами, называется σ- ди-а-стерео изомерами.

π - диастереомеры (геометрические изомеры) — это стереомеры, имеющие в молекуле π- связь. Они встречаются в алкенах, не предельных высших карбоновых кислотах, непредельных дикарбоновых кислотах. Биологическая активность органических веществ связана с их строением. Все природные непредельные высшие карбоновые кислоты являются цис изомерами.