G-041.07.05.13-2013 Лекционный комплекс Ред. 1. Страница 1

G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 1 из 46
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Г.СЕМЕЙ
ЛЕКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС
Кредит 1.
Лекция №1.
Тема: Введение. Химическая связь и взаимное влияние атомов в молекулах органических
соединений.
Цель: Ознакомить студентов с видами связи в органических молекулах, мезомерным и
индуктивным электронными эффектами заместителей.
План лекции:
1. Введение. Типы химических связей в органических соединениях.
2. Индуктивный эффект.
3. Сопряжённые системы. Критерии ароматичности. Мезомерный эффект.
4. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Ориентанты первого и
второго рода.
Тезисы лекции:
Органическая химия – это химия соединений углерода. В настоящее время их
насчитывается около 7 млн. Молекула органического соединения представляет собой
совокупность атомов, связанных в определенном порядке ковалентными связями. В
органических соединениях имеются сигма- и пи-связи, которые могут быть как полярными,
так и неполярными, т.к. атомы могут различаться по своей электроотрицательности.
Связи между атомами углерода ковалентные и могут быть одинарными, двойными и
тройными, что влияет на реакционную способность.
Электроотрицательность – это способность атома в молекуле смещать к себе
общие электронные пары (таблица электроотрицательностей по Полингу). Неполярные
ковалентные
связи
возникают
между
атомами
с
одинаковой
величиной
электроотрицательности (ЭО), например связи С-С и С-Н. Различная ЭО атомов
способствует поляризации ковалентных связей и возникновению зарядов на атомах в
молекуле.
Индуктивный эффект - это передача электронного влияния заместителя по цепи сигма
–связей. Индуктивный эффект обозначают буквой I и графически изображают стрелкой
совпадающей с направлением сигма-связи, остриё которой направлено в сторону более ЭО
элемента. Действие индуктивного эффекта проявляется на двух ближайших к ЭО элементу
атомах углерода, а через 3-4 связи индуктивный эффект затухает.
В сопряжённых системах возникает и мезомерный эффект. Сопряжёнными
называются системы с чередующимися простыми и двойными связями или системы, в
которых у атома соседнего с двойной связью есть p-орбиталь с неподелённой парой
электронов. Сопряжённые системы бывают с открытой и замкнутой цепью сопряжения.
Пи,пи–сопряжение, например бутадиен–1,3. В его молекуле все атомы углерода находятся в
состоянии sp2-гибридизации и расположены в одной плоскости. Соединяясь между собой
сигма-связями, они образуют плоский сигма-скелет молекулы. Негибридизованные рzорбитали каждого атома углерода расположены перпендикулярно плоскости сигма-скелета и
параллельны друг другу. Происходит перекрывание рz-орбиталей и образуется единое
сопряжённое пи-электронное облако, которое равномерно распределено по всей системе возникает пи,пи-сопряжение.
р, пи-сопряжение. Рядом с двойной связью может находится гетероатом Х (О, N, S и
др.), имеющий свободную р-орбиталь с неподелённой парой электронов. Р-орбиталь
гетероатома взаимодействует с пи-связью, образуя р,пи-сопряжённую систему.
Сопряжение в открытых системах возникает при следующих условиях:
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 2 из 46
1. Все атомы, участвующие в образовании системы находятся в состоянии sp2гибридизации, соединяясь между собой сигма-связями, образуют плоский сигма-скелет
молекулы.
2. Рz- орбитали всех атомов перпендикулярны плоскости сигма-скелета и параллельны друг
другу.
Сопряженные системы с замкнутой цепью сопряжения. В циклических молекулах может
возникнуть замкнутая сопряжённая система. Примером такой системы является молекула
бензола. Замкнутая сопряжённая система является ароматической.
Критерии ароматичности установлены Хюккелем в 1931 году (Правила Хюккеля):
1. Молекула имеет циклическое строение.
2. Все атомы цикла находятся в состоянии sp2-гибридизации, образуя плоский сигма-скелет
молекулы. Рz-орбитали параллельны друг другу, и перпендикулярны плоскости сигмаскелета.
3. Существует единая сопряжённая пи-электронная система, охватывающая все атомы
цикла и содержащая (4n+2) пи-электрона (Правило Хюккеля), где n – соответствует числу
конденсированных циклов в соединении.
Бензол отвечает правилу Хюккеля: n=1, следовательно, ароматическая система
бензола содержит (4*1+2)=6 пи-электронов.
О термодинамической устойчивости сопряжённой системы судят по величине
энергии сопряжения. Энергия сопряжения - это разность полной пи-электронной энергии
несопряжённой системы и пи-электронной энергии сопряжённой системы. Энергия
сопряжения – это та энергия, которая выделяется при образовании сопряжённой системы.
Чем выше энергия сопряжения, тем стабильней система. В системах с открытой цепью, чем
длиннее цепь сопряжения, тем выше энергия сопряжения и стабильней молекула.
Мезомерный эффект – это передача электронного влияния заместителя по
сопряжённой системе. Действие мезомерного эффекта заместителей проявляется как в
открытых, так и замкнутых системах.
По суммарному действию индуктивного и мезомерного эффектов заместители в
ароматической системе делятся на ориентанты первого (электронодоноры - ЭД) и второго
(электроноакцепторы - ЭА) рода.
Ориентанты первого рода в бензольном ядре (ЭД): алкильные группы -СН3, -С2Н5;
группировки типа -ОН, -О-R, -NH2, -SH. Направляют последующие заместители в орто- и
пара-положения по отношению к себе.
Ориентанты второго рода в бензольном ядре (ЭА): галогены, группировки с
кратными связями типа -NO2, -SO3H, -C≡N. Направляют последующие заместители в метаположения по отношению к себе.
Иллюстративный и раздаточный материал
1. Мультимедийный показ лекции
2. Таблица: Шкала электроотрицательностей по Полингу, электронные эффекты
заместителей.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 3 из 46
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Какой электронный эффект передается по цепи сигма-связей?
2. Может ли в молекуле возникать только мезомерный эффект без индуктивного?
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 4 из 46
Лекция №2.
Тема: Пространственное строение органических соединений.
Цель: Ознакомить студентов с видами стереоизомерии, в том числе с оптической изомерией
– одним из видов стереоизомерии. Подчеркнуть, что свойства веществ зависят от
пространственного строения.
План лекции:
1. Изомерия. Структурная изомерия, её виды.
2. Пространственная изомерия, её виды.
3. Оптическая изомерия (энантиомерия).
4. - и -диастереомерия. Примеры их проявления у биологически активных соединений.
Тезисы лекции:
Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый количественный и качественный
состав, молекулярную массу, но отличающиеся химическим строением или расположением
атомов в молекуле, пространстве. Изомерия делится на 2 основных вида – структурную и
пространственную (стереоизомерию).
Структурные изомеры отличаются друг от друга химическим строением.
Структурная изомерия подразделяется на следующие виды:
1. Изомерия углеродной цепи (н-бутан, изобутан или 2-метилпропан)
2. Изомерия положения функциональных групп: (пропанол-1, пропанол-2).
3. Изомерия положения кратных связей: (пентен-1, пентен-2).
4. Межклассовая изомерия - одной эмпирической формуле С2Н5О отвечают а) этиловый
спирт; б) диметиловый эфир
Стереоизомерия (пространственная изомерия) включает следующие виды:
1. Конформационная
2. Энантиомерия (оптическая изомерия)
3. Диастереомерия (- и -диастереомерия). Геометрическая изомерия.
Стереоизомеры – это изомеры, имеющие одинаковый состав и химическое строение
молекулы, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов.
От пространственного строения соединений зависят их физические и химические свойства и
биологическая активность.
Конформационная изомерия – это вид изомерии, при котором различие между
изомерами (конформерами) обусловлено поворотом отдельных участков молекулы вокруг
одинарных -связей, т.е. это поворотные изомеры. Заслоненная (φ=00), заторможенная
(φ=1800), и скошенная (ГОШ-форма) конформации отличаются углом поворота.
Конформации изображаются в проекциях. Конформации открытой цепи: зигзагообразная,
клешневидная (циклическая) и нерегулярная (показать схемы). Конформации циклогексана:
кресло, лодка (ванна), твист (ГОШ).
Энантиомерия (оптическая изомерия) возможна у любых органических соединений,
имеющих асимметрический атом углерода, соединённый с четырьмя различными атомами
или группами атомов. Например, углерод №2 в молекуле молочной кислоты.
Асимметрический атом углерода называют хиральным центром. Наши руки не
содержат элементов симметрии и относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному
изображению. Они не могут быть совмещены в пространстве.
Хиральные молекулы не содержат элементов симметрии и относятся друг к другу
как предмет к своему зеркальному изображению и не могут быть полностью совмещены в
пространстве.
Энантиомеры – это стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как
предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение: Д (-) Молочная кислота и L (+).
Для обозначения относительной конфигурации энантиомеров вводится понятие о Д- и L-
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 5 из 46
формах. Энантиомеры обладают оптической активностью, т.е. способны вращать плоскость
поляризации света. Оптическая активность энантиомеров исследуется с помощью прибора –
поляриметра. Абсолютная конфигурация энантиомеров определяется экспериментально и
обозначается знак (-) - левовращающий, знак (+) - правовращающий. У энантиомеров угол
вращения плоскости поляризации света одинаковый, но направление вращения
противоположно. Один энантиомер – левовращающий, знак (-), а другой правовращающий,
знак (+).
Относительная конфигурация энантиомеров обозначается буквами D и L и
определяется по отношению к глицериновому альдегиду (оксикислотный ключ). Совпадение
конфигурации молекулы с D(+) глицериновым альдегидом относит её к D стреохимическому
ряду, овпадение конфигурации с L(-) глицериновым альдегидом - L ряду энантиомеров. Знак
вращения плоскости поляризации света не связан с принадлежностью к Д- или L-ряду. Он
определяется экспериментально. Таким образом, энантиомеры обладая одинаковыми
физическими и химическими свойствами, отличаются по оптическим свойствам и являются
оптическими антиподами.
Смесь равных количеств энантиомеров называется рацематом. Рацемат не обладает
оптической активностью. Организм избирательно относится к энантиомерам. Утомление
мышц при длительной работе обусловлено накоплением в них L (+) молочной кислоты.
Многие биологически важные соединения содержат в молекуле более одного центра
хиральности. Количество стереоизомеров для молекул, в которых несколько центров
хиральности, определяют по формуле: N=2n, где N – количество стереоизомеров, n – число
хиральных центров. Фруктоза – 3 центра хиральности – 8 стереоизомеров.
Энантиомеры каждой пары сходны между собой по физическим и химическим
свойствам, но отличаются по оптическим свойствам, являются оптическими антиподами.
Диастереоизомеры (диастереомеры) – это стереоизомеры, которые не являются
энантиомерами, т.е. «зеркальными» изомерами. -диастереомеры – это стереоизомеры,
отличающиеся друг от друга различным пространственным расположением одинаковых
заместителей относительно плоскости -связи. Например, бутандиовая кислота. Она
образует 2 -диастереомера.
Таким образом, пространственное строение органических веществ тесно связано с
проявлением ими биологической активности, а также возможностью участия в
биохимических процессах.
Иллюстративный и раздаточный материал
1. Мультимедийный показ лекции.
2. Таблица: Оксикислотный ключ.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 6 из 46
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы (обратная связь):
Какой атом углерода называется хиральным центром?
Что такое рацемат?
Как обозначают относительную конфигурацию энантиомеров?
Какие изомеры называют конформерами?
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 7 из 46
Лекция №3
Тема: Реакционная способность углеводородов.
Цель: Ознакомить студентов с реакционной способностью углеводородов: алканов,
циклоалканов, алкенов, алкадиенов, алкинов.
План лекции:
1. Реакционная способность алканов.
2. Реакционная способность циклоалканов.
3. Реакционная способность алкенов.
4. Реакционная способность алкадиенов.
5. Реакционная способность алкинов.
Тезисы лекции:
Алканы (парафины) – алифатические углеводороды, в молекулах которых атомы
углерода связаны между собой и с атомами водорода одинарной связью (сигма-связью). Алканы
называют предельными или насыщенными углеводородами. Родоначальник и простейший
представитель алканов - метан СН4. Общая формула алканов СnH2n+2. Атомы углерода в алканах
находятся в состоянии sp3-гибридизации, угол связи 109,50. В молекулах алканов цепочки
углеродных атомов имеют зигзагообразную форму.
Кислоты (серная, азотная), щелочи, окислители, металлы, в том числе и щелочные,
при обычных условиях на алканы не действуют. Отсюда и возникло их старое название
«парафины» от латинского «parum affinis» — лишенные сродства. Алканы не способны к
реакциям присоединения, так как в их молекулах все связи насыщены. В молекулах алканов
содержатся только σ-связи (С—С и С—Н), для которых характерна малая полярность и
поляризуемость. Поэтому для предельных углеводородов в первую очередь типичны реакции,
идущие по радикальному типу. Это реакции замещения, разложения, окисления.
Рассматривается галогенирование, сульфирование, окисление и нитрование алканов.
Циклоалканы или цикланы – углеводороды, содержащие в молекуле циклы (кольца),
построенные из атомов углерода (карбоциклические соединения), связанных между собой
сигма-связью. Циклоалканы входят в состав алициклических соединений. Общая формула
циклоалканов: СnH2n.
Молекулы циклоалканов, не имеющие заместителей, состоят из связанных между
собой и замкнутых в кольца метиленовых групп –СН2-, отсюда их другое название –
полиметиленовые углеводороды. Полиметиленовые углеводороды называются также
циклопарафинами. В большинстве случаев циклоалканы обладают свойствами, близкими
парафинам. Соединения с трех- и четырехчленными циклами отличаются повышенной
реакционной способностью, для них характерны реакции присоединения. Реакция присоединения галогенов к малым циклам сопровождается их разрывом (механизм АЕ). Молекула
циклопропана представляет собой жесткую систему, все три атома углерода которой лежат в
одной плоскости, из-за напряжений связи приобрели частично ненасыщенный характер и
получили название «банановых» или тау-связей
Углеводороды с циклами из пяти и более атомов углерода более устойчивы, для них
характерны реакции замещения. Взаимодействие с галогенами пятичленных и содержащих
большее количество атомов углерода циклов не сопровождается разрывом углеродуглеродных связей, а приводит к реакциям замещения, которые протекают по цепному
свободнорадикальному механизму SR.
Циклоалканы, даже циклопропан и циклобутан, довольно стойки к действию
окислителей. При повышенных температурах, под действием сильных окислителей
происходит разрыв цикла с образованием двухосновных кислот с тем же числом атомов
углерода в молекуле.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 8 из 46
Алкены, диены, алкины относятся к ненасыщенным углеводородам. Алкенами
называются ненасыщенные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь.
Алкадиенами называются ненасыщенные углеводороды, содержащие две двойные связи.
Алкинами называются ненасыщенные углеводороды, имеющие в своем составе одну
тройную связь. Общие формулы: алкены или этиленовые углеводороды СnH2n,
алкадиены или диеновые углеводороды СnH2n-2,
алкины или ацетиленовые углеводороды СnH2n-2.
Для алкенов, диенов, алкинов характерны реакции, протекающие по механизму
электрофильного присоединения.
Алкены.
Реакции
электрофильного
присоединения
Пространственная
направленность присоединения. Строение карбокатиона. Присоединение галогенов,
гидрогалогенирование, гидратация и роль кислотного катализа. Правило Марковникова.
Окисление алкенов (гидроксилирование, озонирование, эпоксидирование). Каталитическое
гидрирование.
Карбокатион – это частица с положительным зарядом на атоме углерода.
Правило Марковникова: В случае присоединения к непредельным соединениям
веществ, содержащих водород (галогенводороды, вода), водород присоединяется к наиболее
гидрированному атому углерода. Направление присоединения атома водорода определяется
индуктивным эффектом в молекуле несимметричного алкена.
Диены СnH2n-2. Сопряженные диены. Реакции электрофильного присоединения АЕ
(гидрогалогенирование, присоединение галогенов). Особенности присоединения в ряду
сопряженных диенов. Реакция с диенофилами (диеновый синтез). Диеновый синтез (алкен
диенофил присоединяется к диену с образованием циклоалкена). Диенофилы – соединения с
кратными связями, имеющие при этих связях электроноакцепторные группы
(активированная двойная связь) например, акролеин, малеиновый ангидрид.
Реакция полимеризации – это последовательное присоединение молекул
ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта –
полимера.
Алкины. СnH2n-2, НС≡СН. Реакции электрофильного присоединения, механизм АЕ
(гидрогалогенирование, присоединение галогенов). Гидратация ацетилена (реакция М.Г.
Кучерова). Реакции замещения (образование ацетиленидов) как следствие СН-кислотных
свойств алкинов. Димеризация (винилацетилен) и циклотримеризация (бензол) ацетилена.
Иллюстративный и раздаточный материал
1. Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 9 из 46
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
Чему равен угол связи в молекулах алканов?
Для какого циклоалкана характерно образование «банановых» связей?
Какие типы реакций характерны для алкенов и алкинов?
С каким свойством алкинов связано образование ацетиленидов?
1.
2.
3.
4.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 10 из 46
Лекция №4
Тема: Реакционная способность ароматических углеводородов.
Цель: Ознакомить студентов с реакционной способностью ароматических углеводородов.
План лекции:
1. Строение бензола. Ароматичность.
2. Электрофильное замещение (SЕ) в ароматическом ядре.
3. Влияние заместителей в бензоле на направление реакций SЕ.
4. Окисление аренов.
5. Нафталин. Реакции электрофильного замещения (SE).
Тезисы лекции:
Ароматические углеводороды – это все карбоциклические соединения, в молекулах
которых присутствует специфическая группировка атомов – бензольное кольцо. Эта
группировка атомов обуславливает определенные физические и химические свойства
ароматических соединений, так называемый ароматический характер. В общем виде
явление ароматичности было сформулировано немецким химиком Э.Хюккелем и известно
как правило Хюккеля. Углеводороды бензольного ряда носят общее название – арены.
Механизм реакции электрофильного замещения SE в бензольном кольце (моноядерные
арены):
H
+
+
+X Y
+
X Y
+ YX + H+
X
пи-комплекс
сигма-комплекс
Происходит быстрое образование π-комплекса и стадией определяющей скорость
реакции, является переход π-комплекса в σ-комплекс. σ-Комплекс - это нестойкий катион,
лишенный ароматической структуры, с четырьмя π-электронами, делокализованными в сфере
воздействия ядер пяти углеродных атомов. Шестой углеродный атом при образовании σкомплекса переходит из состояния sp2 в состояние sp3. Оба заместителя X и Н лежат в
плоскости, перпендикулярной к плоскости кольца. Переход пи-комплекса в σ-комплекс при
электрофильном замещении сопровождается образованием связи между заместителем
и
углеродным атомом ароматического ядра.
Рассмотреть механизм реакции на примере реакции бромирования бензола в
присутствии катализатора FeBr3. Показать строение π-комплекса и σ-комплекса. Отметить,
что образование σ-комплекса приводит к нарушению ароматичности системы. Уход протона
возвращает системе ароматичность. Показать схемы реакций: алкилирования, нитрования,
ацилирования и сульфирования бензола.
Алкилирование (SE) бензола протекает в присутствии катализатора (реакция ФриделяКрафтса) Катализаторы алкилирования кислоты Льюиса: безводный AlCl3, FeCl3, FeBr3,
SnCl4, ZnCl2 и др.
Ориентирующее действие заместителей в бензольном ядре.
Ориентирующее действие заместителей связано с нарушением (перераспределением)
электронной плотности в бензольном ядре вследствие суммарного действия индуктивного и
мезомерного эффектов.
Заместители (ориентанты) 1 рода – электронодоноры – ориентируют входящую
группу в орто- и пара-положения (в бензоле положения 2,4). Заместители первого рода
облегчают реакции SE по сравнению с незамещенным бензолом, т.е. являются
активирующими. Заместители (ориентанты) 2 рода – электроноакцепторы – ориентируют
входящую группу в мета-положение (в бензоле положения 3,5). Заместители второго рода
затрудняют реакции электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом,
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 11 из 46
т.е. являются дезактивирующими. Такие реакции проходят в более жестких условиях.
Например, при бромировании бензойной кислоты образуется 3-бромбензойная кислота.
Реакции с потерей ароматичности – не характерны для бензольных углеводородов:
Присоединение галогенов (ультрафиолетовое излучение) С6Н6 + 3 Cl2 → С6Н6Cl6;
Присоединение водорода (гидрирование) – образуются циклоалканы
Окисление аренов – арены устойчивы к окислению. Окисление боковой цепи: алкильный
радикал независимо от длины окисляется в карбоксильную группу. Число образовавшихся
карбоксильных групп равно числу боковых цепей. При очень энергичном окислении
(катализатор – смесь оксидов ванадия и молибдена, t0 = 400-450 0C), бензол окисляется
кислородом воздуха с образованием малеинового ангидрида и далее малеиновой кислоты.
Многоядерными ароматическими соединениями называются вещества, содержащие в
молекуле 2 и более связанных между собой бензольных ядер. Различают многоядерные
соединения с неконденсированными (изолированными) ядрами – дифенил, трифенилметан и
конденсированными – нафталин, антрацен.
В молекулах ароматических соединений с конденсированными ядрами бензольные
ядра имеют общие углеродные атомы.
8
C H
7
6
дифенил
трифенилметан
9
1
5 10 4
Нафталин
8
2
7
3
6
9
1
2
3
5
10
4
антрацен
Различают у нафталина α-положение (1,4,5,8) и β-положение (2,3,6,7).
Электрофильное замещение в конденсированных аренах – протекают в более мягких
условиях, чем у бензола, и заместитель почти всегда становится в альфа-положение.
Сульфокислоты нафталина получают прямым сульфированием нафталина. Они являются
промежуточными веществами в синтезе нафтолов – при их сплавлении со щелочами
образуются нафтолы.
При каталитическом гидрировании нафталина образуются тетралин и декалин
(полное гидрирование). Окисление нафталина дает фталевую кислоту.
Иллюстративный и раздаточный материал
1. Мультимедийный показ лекции.
2. Таблица: электронные эффекты заместителей.
1 Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 12 из 46
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Укажите, куда ориентируют электрофил электронодонорные заместители в бензольном
ядре?
2. Какие арены называются конденсированными?
3. Какие соединения образуются при окислении боковых цепей гомологов бензола?
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 13 из 46
Кредит 2
Лекция №1 (5)
Тема: Галогенпроизводные углеводородов. Реакции нуклеофильного замещения (S N)
и элиминирования (Е).
Цель: Сформировать знания о реакционной способности галогеноуглеводородов как
важнейшего класса органических соединений, основы многих органических синтезов.
План лекции:
1. Понятие о галогеноуглеводородах
2. Реакции нуклеофильного замещения
3. Реакции элиминирования
4. Ароматические галогеноуглеводороды
Тезисы лекции:
Галогенопроизводными называются производные углеводородов, в которых один или
несколько атомов водорода заменены атомами галогена. Общая формула класса C nH2n-1Х,
где Х-галоген. По характеру галогена различают фтор-, хлор-, бром- и йодпроизводные. По
числу атомов галогена, содержащихся в молекуле, их подразделяют на моно-, ди-,
тризамещенные и т.д. В зависимости от природы углеводородного радикала
галогенопроизводные делятся на алифатические, алициклические и ароматические.
Галогенопроизводные с атомами галогена у одного и того же атома углерода называются
геминальными, у рядом стоящих атомов углерода – вицинальными.
Галогеноуглеводороды – один из самых реакционноспособных классов органических
соединений. Наиболее характерны для них реакции нуклеофильного замещения (S N) и
реакции отщепления (Е).
Реакции нуклеофильного замещения у тетрагонального атома углерода
Повышенная способность галогеналканов к реакциям замещения связана с
особенностями строения их молекулы. Ковалентная связь между атомом углерода и
галогеном вследствие большей ЭО атома галогена (-I-эффект) поляризована см. рис.
В результате этого электронная плотность у атома углерода
_
понижается и он легко атакуется молекулами или ионами, которые
+
могут предоставлять свою электронную пару (OH-; I-; CN-; NO2-; :NH3;
C Cl
H2O).Протекает реакция нуклеофильного замещения (SN):
Nu: + R **X
R:Nu + **X
-
Реакционная способность галогенпроизводных в реакциях SN зависит от строения
углеводородного радикала, природы галогена, вида атакующего нуклеофильного агента,
характера растворителя, в среде которого взаимодействуют вещества, и условий реакции
(температура, катализатор). Все эти факторы влияют на механизм реакции.
Реакции нуклеофильного замещения могут протекать по двум механизмам, которые
обозначаются SN1 и SN2.
1. Реакция
SN2:
Обмен
галогена
на
гидроксил
(гидролиз
первичных
моногалогенопроизводных). В случае SN2 скорость реакции зависит как от
концентрации алкилгалогенида (R-X), так и от концентрации нуклеофила (Nu).
Рассмотреть механизм реакции SN2 на примере взаимодействия со щелочами
первичных моногалогенпроизводных:
С2Н5-Cl + NaOH → С2Н5-OH + NaCl
(механизм SN2)
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 14 из 46
2. Реакция
SN1:
Обмен
галогена
на
гидроксил
(гидролиз
третичных
моногалогенопроизводных). В этом случае скорость реакции зависит от концентрации
алкилгалогенида (R-X), и не зависит концентрации другого реагента нуклеофила (Nu).
Рассмотреть механизм реакций нуклеофильного замещения SN1 на примере
взаимодействия со щелочами третичных моногалогенпроизводных:
(СН3)3C-Cl + NaOH → (СН3)3C-OH+ NaCl
(механизм SN1)
3. Взаимодействие галогеналканов со спиртами с образованием простых эфиров
(алкоголиз). Механизм SN.
СН3-СН2-Br + СН3-СН2-ОН → СН3-СН2-О-СН2-СН3 + НBr
4. Взаимодействие галогеналканов с солями циановодородной кислоты с образованием
нитрилов. Механизм SN. Нитрилы содержат цианогруппу -С≡N, эту группу также
называют нитрильной
СН3-СН2-Br + КСN → СН3-СН2-СN + КBr
При гидролизе нитрилов образуются карбоновые кислоты, углеродная цепь
удлиняется на один атом углерода:
СН3-СН2-СN + 2H2O → СН3-СН2-СООН + NН3
5. Взаимодействие галогеналканов с аммиаком приводит к образованию аминов
(аммонолиз). Механизм SN (аналогично гидролизу). Для получения свободного амина
надо брать избыток аммиака.
CН3-CН2-Br + 2NН3 → CН3-CН2-NН2 + NН3Br
Реакции отщепления (элиминирования). Галогеналкилы под действием спиртовых
растворов щелочей отщепляют галогенводороды с образованием непредельного соединения
(реакции дегидрогалогенирования). Механизм Е2 и Е1.
СН3 - СН2-Br → СН2 = СН2 + НBr
(механизм Е2 для первичных производных)
(СН3)3C-Cl → (СН3)2C=СН2 + НCl механизм Е1 для третичных производных)
Правило Зайцева: в реакциях элиминирования при отщеплении воды и
галогенводорода водород отщепляется от соседнего наименее гидрогенизированного атома
углерода. Рассмотреть на примере реакции дегидрогалогенирования 2-бром-бутана.
СН3-СНBr-СН2-СН3 → СН3-СН=СН-СН3 + НBr
Конкурентность реакций нуклеофильного замещения SN и реакций элиминирования Е.
Галогенарены. Реакции SЕ (галогенирование бензола). Показать ориентирующее
действие галогенов (ориентанты 1 рода с преобладающим направлением заместителя в параположение) - бромирование бромбензола с катализатором кислотой Льюиса.
Иллюстративный и раздаточный материал
1. Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 15 из 46
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Какие механизмы реакций характерны для первичных моногалогенопроизводных?
2. Какие соединения образуются при элиминировании третичных галогенопроизводных?
3. В чем заключается сущность правила Зайцева?
Лекционный комплекс
G-041.07.05.13-2013
Ред. 1.
Страница 16 из 46
Лекция № 2 (6)
Тема: Гидроксипроизводные углеводородов. Реакции нуклеофильного замещения (SN).
Цели: Ознакомить студентов с классификацией, номенклатурой, изомерией спиртов и
фенолов, их реакционной способностью, ролью в организме и применении в медицинской
практике
План лекции:
1. Характеристика гидроксипроизводных углеводородов.
2. Реакционная способность спиртов: реакции нуклеофильного замещения.
Тезисы лекции:
Гидроксисоединения (оксисоединения) - это вещества, содержащие в своём составе –
ОН группы. К гидроксисоединениям относятся спирты, фенолы, нафтолы и другие вещества.
Спирты – это гидроксисоединения, в молекулах которых –ОН группы связаны с атомом
углерода.
Спирты классифицируют по следующим признакам:
1. По количеству –ОН групп спирты делятся на одноатомные и многоатомные.
Одноатомные спирты (R-OH): Например, Этанол, бензиловый спирт С6Н5-СН2-ОН.
Многоатомные спирты (полиолы): глицерин, ксилит, сорбит, инозит С6Н6(ОН)6.
2. По характеру углеводородного радикала спирты делят на ациклические спирты (глицерин,
сорбит, этанол) и циклические спирты (инозит).
3. По характеру связей в углеводородном радикале спирты делят на предельные спирты
(этанол, глицерин, инозит) и непредельные спирты (аллиловый, пропаргиловый).
4. В зависимости от характера звеньев атомов углерода, с которыми соединена -ОН группа
различают спирты: первичные, вторичные и третичные.
Реакции спиртов, протекающие с разрывом связи С—ОН - это реакции
нуклеофильного замещения.
Замещение гидроксильной группы в молекуле спирта на атом галогена. Для
замещения гидроксила на галоген применяют галогенводородные кислоты, галогениды
фосфора (РСl5, РС13; РI3; РОС13) или тионилхлорид (SOCl2):
Схема реакции нуклеофильного замещения (SN).
RC-Х
+
Y:
→ RС-Y + X:
субстрат
нуклеофил
продукт
нуклеофуг
В ходе реакции нуклеофильного замещения атакующий реагент (нуклеофил) отдаёт
субстрату свою пару электронов, за счёт которой образуется связь между атомом углерода и
нуклеофилом, а уходящая группа (нуклеофуг) отщепляется со своей парой электронов.
В случае первичных спиртов реакция протекает по механизму SN2 (бимолекулярному)
и не сопровождается изменением строения алкильного радикала. Механизм SN2 рассмотрим
на примере образования хлорметана из метанола и хлорид-иона (катализатор кислота Н+):
H
Cl + H C:OH
H
H
Cl
H
H
C
H
OH
Cl:C
H + OHH
1) Замещение гидроксильной группы спиртов на галоген: действием галогенводородов
(промежуточное соединение алкилоксониевый катион с катализатором Н+)
С2Н5-OH + HBr ↔ С2Н5-Br + H2O
или
R-OH + КBr + Н2SO4 → R-Br + КНSO4 + H2O
легче всего вступают в эту реакцию третичные спирты
2)действием галогенидов фосфора
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 17 из 46
С2Н5-OH + PСl5 → С2Н5-Сl + HСl + POСl3
3С2Н5-OH + PСl3 → 3С2Н5-Сl + P(OH)3
3)действием тионилхлорида (хлористого тионила)
С2Н5-OH + SOСl2 → С2Н5-Сl + HСl + SO2
4)Образование простых эфиров из алкоголятов (спиртов) и галогеналканов
С2Н5-Cl + С2Н5-ONa → С2Н5-O-С2Н5+ NaCl
СН3-СН2-Br + СН3-СН2-ОН → СН3-СН2-О-СН2-СН3 + НBr
Взаимодействию спиртов с галогенводородами способствует присутствие сильных
кислот, наличие катализаторов (хлориды цинка, алюминия, кальция) и минимальное
содержание воды в спирте. Спирты по реакционной способности при взаимодействии с
галогенводородами располагаются в следующий ряд: аллиловый > бензиловый > третичный
> вторичный > первичный > СН3ОН. Реакционная способность кислот снижается при
переходе от HI к НС1: HI > HBr > HC1.
Для третичных спиртов замещение гидроксильной группы на атом галогена протекает
по SN1 (мономолекулярному) механизму через образование протонированного спирта:
(СН3)3C-ОН + NaBr → (СН3)3C-Br + NaOH
CH3
CH3
CH3
HC
+
3
H3C C
H3C
..
O
.. H
+[H ]
+
-H 2O
H3C C O H
H3C C
+
+[Br-]
H3C C
Br
CH3
CH3H
CH3
Реакция может сопровождаться изменением строения алкильного радикала
(перегруппировка), и атом галогена не всегда оказывается связанным с тем углеродным
атомом, у которого находилась гидроксильная группа.
Некоторые особенности непредельных спиртов: Непредельные спирты могут быть
этиленового и ацетиленового ряда. Начинают ряды: СН2=СН-СН2-ОН аллиловый спирт;
НС ≡С-СН2-ОН пропаргиловый спирт.
Правило Эльтекова: Ненасыщенные спирты с гидроксилом при углероде с двойной
связью в свободном состоянии существовать не могут. Они в момент образования быстро
изомеризуются в альдегиды и кетоны, например, виниловый спирт в уксусный альдегид:
Н2С=СН-ОН → СН3-СНО.
Многоатомные спирты по реакционной способности близки к одноатомным, но
имеют повышенную подвижность гидроксильных групп. В реакциях может участвовать одна
или несколько гидроксильных групп.
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 18 из 46
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Какой механизм реакции между первичным спиртом и бромоводородной кислотой?
2. Какие спирты первичные или третичные легче вступают в реакции SN?
3. Можно ли выделить виниловый спирт в свободном состоянии, т.е. в чистом виде?
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 19 из 46
Лекция № 3(7)
Тема: Амины. Основные и нуклеофильные свойства. Диазо- и азосоединения.
Цели: Ознакомить студентов с важнейшими видами азотосодержащих органических
соединений, их реакционной способностью и свойствами.
План лекции:
1. Амины. Основные свойства; образование солей.
2. Нуклеофильные свойства аминов.
3. Диазо- и азосоединения.
Тезисы лекции:
Амины – это производные аммиака, в молекуле которого атомы водорода замещены
на углеводородные радикалы. Однозамещенные производные аммиака называют
первичными (аминогруппа -NH2), двухзамещенные – вторичными (иминогруппа =NH),
трехзамещенные – третичными аминами. Четвертичным атомом азота называется атом азота
в гидроксиде аммония и его солях.
Атом азота в алифатических аминах имеет пирамидальное (тетрагональное) строение.
В ароматических аминах атом азота имеет плоское строение, что связано с сопряжением
пары электронов азота с π-электронами бензольного кольца (р,π-сопряжение).
1. Кислотно-основные свойства
Амины - аммониевые основания более сильные, чем аммиак. Это объясняется
положительным индуктивным эффектом алкильных радикалов. В ряду третичный «амин >
вторичный амин > первичный амин > анилин» основные свойства уменьшаются в
зависимости от числа и строения углеводородных радикалов.
Образование аммониевых солей этиламина и анилина с кислотами.
Амины взаимодействуют с минеральными кислотами, образуя соли. С серной
кислотой образуется сульфаталкиламмоний или кислая сернокислая соль алкиламина:
R-NH2 + H2SO4 → [R-NH3]+ SO4HС соляной кислотой образуется солянокислый анилин или хлорид анилина:
C6H5-NH2 + HCl → [C6H5-NH3]+ ClПри действии на соли аминов едких щелочей происходит разложение солей с
выделением свободных аминов
хК-ТР3ъ+ Сд- + ТфЩР → ТфСд + хК-ТР3ъ+ ЩР- ↔ Р2Щ + К-ТР2
2. Нуклеофильные свойства аминов
Аммиак и амины участвуют в реакциях нуклеофильного замещения (с
галогеналканми, спиртами) как нуклеофилы. В результате реакции (аммиак и амины –
нуклеофилы) образуется смесь первичного, вторичного, третичного аминов и соль
четвертичного аммониевого основания. При действии избытка аммиака галогеналкан
превращается в первичный амин (первоначально образуется аммониеваю соль, которая под
действием другой молекулы аммиака образует первичный амин):

 NH 3


 C2H5-NH2
C2H5I + NH3 → C2 H 5 N H 3  I 
 NH 4 I


Образовавшийся этиламин может реагировать с еще одной молекулой йодэтана с
образованием вторичного амина – диэтиламина, алкилирование диэтиламина приведет к
третичному амину, который в свою очередь превращается в соответствующую четвертичную
аммониевую соль - тетраэтиламмонийиодид.
Эти реакции можно сматривать как реакции алкилирования аммиака и аминов
галогеналканами (механизм – нуклеофильное замещение SN).
Свободное четвертичное основание вытесняется из соли действием щелочи:
[NR4]I + NaOH → [NR4]OH + NaI
Вторичные и третичные ароматические амины получают замещением водорода в
аминогруппе на алкил:
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 20 из 46
CH3NH2 + CH3CH2-Br → CH3NH-CH2CH3 + HBr
Образование диазосоединениий (соли диазония)
Диазосоединениями называются вещества, содержащие в молекуле группировку из
двух атомов азота, связанную с одним углеводородным радикалом. Общая формула
диазосоединений R-N2X, где X - анион сильной кислоты или гидроксильная группа.
Соли диазония образуются при действии азотистой кислоты на соли первичных
ароматических аминов:
NaNO2 + HCl → HO-N=O + NaCl
[C6H5NH3+]Cl- + HO-N=O → [C6H5N2]Cl + 2H2O → [C6H5N≡N]+Cl- + 2 H2O
Реакцию получения соли диазония (диазосоединениий) из первичных ароматических
амина называют реакцией диазотирования. Реакция проводится на холоду (~ 0-5 0С ), т.к.
при более высокой температуре диазосоединения разлагаются.
Реакция солей диазония: с выделением азота. Синтетические возможности
реакции солей диазония: замещение диазогруппы на гидроксигруппу, алкоксигруппу,
водород, галогены, цианогруппу.
Реакции солей диазония без выделения азота. Азосочетание - взаимодействие
солей диазония с третичным ароматическим амином или фенолом - это реакция
электрофильного замещения. Азосоединениями называются вещества, содержащие в
молекуле азогруппу —N=N—, связанную с двумя радикалами. Радикалы могут быть
алифатические, ароматические и гетероциклические. Наиболее широкое применение имеют
ароматические диазо- и азосоединения. Ядро азобензола С6Н5—N=N— С6Н5 содержится во
всех азокрасителях. Первый компонент красителя – ароматический амин, который
превращается в солшь диазония. Второй компонент красителя – амин или фенол, который
сочетается с солью дизония.
[C6H5-N≡N]+Cl- + Н-C6H4-N(СН2)2 +NaOH→ C6H5-N=N-C6H4-N(СН2)2 + НCl
Катион диазония в реакции азосочетания всегда направляется присоединяется в параположение амина или фенола. Если п-положение занято, то сочетание идет в о-положение.
При азосочетании с фенолами в щелочной среде образуется оксиазобензол –
азокраситель оранжевого цвета:
[C6H5-N≡N]+Cl- + Н-C6H4-ОН +NaOH→ C6H5-N=N-C6H4-ОН + NаCl + Н2О
Азосоединения играют большую роль в производстве красителей, в том числе
индикаторов (метиловый оранжевый).
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 21 из 46
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Какие амины участвуют в образовании солей диазония?
2. Между какими веществами проходит реакция диазотирования?
3. С какими веществами вступают диазосоединения в реакцию азосочетания?
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 22 из 46
Лекция №4(8)
Тема: Альдегиды и кетоны. Реакции нуклеофильного присоединения (АN).
Цели: Ознакомить студентов с важнейшими классами карбонильных соединений и
реакциями нуклеофильного присоединения к тригональному атому углерода
План лекции:
1. Альдегиды и кетоны как оксосоединения. Строение карбонильной группы.
2. Реакции нуклеофильного присоединения (АN)
Тезисы лекции:
Альдегидами и кетонами называют соединения, содержащие в молекуле
карбонильную (оксо-) группу =С=О. Поэтому альдегиды и кетоны называют карбонильными
соединениями. Общая формула альдегидов R-CHO и кетонов R-CO-R1.
Альдегиды и кетоны являются наиболее реакционноспособными органическими
соединениями, причем альдегиды активнее кетонов. В карбонильной группе связь между
атомами углерода и кислорода осуществляется двумя парами электронови состоит из σ- и πсвязей. Вследствие большей ЭО атома кислорода электронная плотность π-связи смещена к
кислороду. В результате этого у атома кислорода карбонильной группы повышенная
электронная плотность (-δ), он становится нуклеофильным. Атом углерода карбонильной
группы приобретает электрофильные свойства (+δ), и активно взаимодействует с
нуклеофильными реагентами. Часть молекулы, содержащая карбонильную группу плоская,
т.к. углерод находится в sp2-гибридизации. Поэтому для карбонильной группы характерны
реакции нуклеофильного присоединения АN.
На реакционную способность оксогруппы влияет характер заместителей и их объем. По
убыванию химической активности образуется ряд:формальдегид>ацетальдегид >ацетон/
1. Присоединение воды (гидратация). Гидраты альдегидов присутствуют только в
растворах, при выделении они теряют воду, превращаясь в альдегиды. Воду присоединяют
только самые активные оксосоединения. Формальдегид в водных растворах находится в
гидратированной форме. Жидкий хлораль присоединяет воду, образуя кристаллический
хлоральгидрат. Гидраты ведут себя как альдегиды. Реакция присоединения воды к кетонам
не протекает.
2. Присоединение спиртов (образование полуацеталей и ацеталей). Реакции
образования полуацеталей и ацеталей протекают в кислой среде. Кислота во всех реакциях
присоединения АN повышает электрофильность углерода альдегидной группы и
способствует образованию карбокатиона.
Образование полуацеталя происходит при недостатоке спирта. В полуацеталях при одном
углеродном атоме находятся гидроксильная и алкоксильная группы. Полуацетали неполные простые эфиры от гидратной формы альдегидов. С кетонами эта реакция
протекает аналогично; образуются полукетали.
При нагревании альдегидов со спиртами в присутствии газообразного HCl образуется
ацетали (полные простые эфиры от гидратной формы альдегидов). С кетонами эта реакция
протекает аналогично; образуются кетали.
3 . Присоединение гидросульфита натрия. Эта реакция дает возможность выделять
альдегиды и очищать их, т.к. гидросульфитные соединения альдегидов R-CH(OH)-SO3Na
плохо растворимы в концентрированном растворе гидросульфита натрия. С кетонами эта
реакция протекает аналогично. Полученные бисульфитные соединения легко разлагаются
под действием разбавленного раствора кислоты или соды с выделением свободного
альдегида или кетона.
4.Присоединение циановодорода (цианид-ион – активный нуклеофил) – происходит
образование оксинитрилов (циангидринов) R-CH(OH)-СN. Реакция протекает в присутствии
щелочей, которые обладают каталитическим действием. После омыления нитрила
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 23 из 46
образуются карбоновые кислоты с увеличением длины С-цепи на 1 углеродный атом.
Реакция применяется для получения α-окси и α-аминокислот.
5. Образование иминов (оснований Шиффа) взаимодействие с аминами.
Амины и другие азотсодержащие соединения общего вида NH2-X реагируют с
альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала образуются продукты реакции
нуклеофильного
присоединения
(карбиноламины),
которые
затем,
вследствие
неустойчивости, отщепляют воду и превращаются в имины (основания Шиффа). Имины
являются промежуточными продуктами в способе получения аминов из альдегидов и
кетонов (восстановительное аминирование).
Образование оксимов (с гидроксиламином NH2OH), гидразонов (с гидразином NH2NH2), арилгидразонов (с фенилгидразином С6Н5-NH-NH2), семикарбазонов (с
семикарбазидом NH2-N-СО-NH2), тиосемикарбазонов (с тиосемикарбазидом NH2-N-СS-NH2)
протекают аналогично. Реакции альдегидов с семикарбазидом и с тиосемикарбазидом
используют для открытия альдегидов и выделения из смеси. По существу это реакции
присоединения АN с последующим отщеплением от образовавшегося продукта молекулы
воды (Е – элиминирование). Аналогично альдегидам с указанными веществами
взаимодействуют кетоны.
6.Взаимодействие альдегидов с аммиаком (гексаметилентетрамин) – образование
альдегидоаммиака (альдимин). Ацетальдимин (3 молекулы) полимеризуется в цикл с
образованием альдегидоаммиака. Кетоны в аналогичных условиях с аммиаком не
взаимодействуют.
7. Присоединение металлорганических соединений (образование первичных,
вторичных и третичных спиртов). В результате присоединения магнийорганического
соединения и дальнейшем разложении образовавшихся продуктов получаются спирты.
Подбирая соответствующие карбонилсодержащие соединения, синтезируют первичные,
вторичные и третичные спирты.
8.Полимеризация альдегидов, параформ, паральдегид.
Линейная полимеризация: При стоянии 40% водного раствора формальдегида
(формалин) происходит самопроизвольное образование линейных высокомолекулярных
соединений – полиоксиметилена или параформа.
Тримеризация с образованием циклов: а) 3 молекулы ацетальдегида → паральдегид;
б) 3 молекулы формальдегида → триоксиметилен. Реакции полимеризации характерны
только для альдегидов, кетоны не полимеризуются.
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 24 из 46
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы (обратная связь):
Какие реакции характерны для альдегидов по оксогруппе?
С каким классом соединений альдегиды образуют полуацетали?
В каких синтезах образование оксинитрилов является промежуточной реакцией?
Для каких целей применяют реакцию альдегидов и кетонов с гидросульфитом натрия?
Лекционный комплекс
G-041.07.05.13-2013
Ред. 1.
Страница 25 из 46
Кредит 3
Лекция №1 (9)
Тема: Карбоновые кислоты и их производные.
Цель: Сформировать знания реакционной способности карбоновых кислот, а так же знания
свойств и применения производных карбоновых кислот, служащих основой многих
органических синтезов.
План лекции:
1. Карбоновые кислоты. Строение карбоксильной группы и карбоксилат-иона.
2. Кислотные свойства карбоновых кислот; образование солей.
3. Реакции нуклеофильного замещения в карбоксильной группе.
4. Производные карбоновых кислот.
Тезисы лекции:
Карбоновые кислоты – это вещества, которые в своем составе содержат
карбоксильную группу и отвечают общей формуле R-COOH. Карбоновые кислоты
классифицируют по количеству карбоксильных групп на 1. Одноосновные или
монокарбоновые кислоты; 2. Поликарбоновые кислоты, содержащие две или более
карбоксильные группы:
По строению углеродного скелета различают алифатические, алициклические,
ароматические и гетероциклические карбоновые кислоты: акриловая, фталевая,
никотиновая.
Строение карбоксильной группы
Карбоксильная группа представляет собой плоскую сопряженную систему, в которой
возникает р,-сопряжение, которое способствует равномерному распределению
отрицательного заряда в карбоксилат-ионе, образующемся при отщеплении протона.
Наличие р,-сопряжения в карбоксильной группе повышает кислотные свойства
карбоновых кислот по сравнению со спиртами. Атом водорода становится подвижным, что
способствует образованию солей карбоновых кислот (механизм реакции SE).
В радикале кислоты электронодонорные заместители уменьшают кислотные свойства,
а электроноакцепторные заместители увеличивают кислотные свойства.
В карбоновых кислотах активность атома водорода при альфа-углероде повышена, т.е.
имеет место СН-кислотность.
Реакции кислот по карбоксильной группе. (Реакции нуклефильного замещения у
sр2-гибридизованного атома углерода).
Для карбоновых кислот наиболее характерны реакции нуклеофильного замещения ОНгруппы в карбоксиле (механизм SN). Нуклеофилы являются донорами электронов: OH-, RO-,
CN-, -NH2, R-O-R, R-OH и т.д. В реакциях SN, как показано на схеме, от молекулы
отщепляется атом (или группы атомов) с отрицательным зарядом
и заменяется
нуклеофилом:
R-C
O
X
+ :Nu
Nu
..
R-C O
X
R-C
O
+ :X
Nu
Чем стабильнее уходящий ион (:Х), тем легче идут реакции нуклеофильного замещения.
Сами карбоновые кислоты проявляют не очень высокую способность к реакциям S N,
поэтому, чтобы ускорить реакции SN у карбоновых кислот применяют катализаторы или
окисленные нуклеофилы.
Реакции нуклеофильного замещения гидроксила у sp2-гибридизованного атома углерода
приводят к образованию функциональных производных карбоновых кислот, имеющих
огромное значение в осуществлении органических синтезов.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 26 из 46
В общей формуле функциональных производных карбоновых кислот «Х» в
карбоксильной группе – это атом галогена (Х = Cl, Br, I), группы OCOR; OR1;
NH2; и другие. Другими словами, производные карбоновых кислот образуются
X
при замещении гидроксила на нуклеофил.
Одновалентный кислотный остаток, образовавшийся после удаления гидроксильной
группы, называется кислотным радикалом или ацилом.
Галогенангидриды кислот - это производные, в которых гидроксильная группа
карбоксила замещена на галоген. В общей формуле галогенангидридов карбоновых кислот Х
– фтор, хлор, бром, йод. Галогенангидриды образуются при действии на кислоту галогенидов
фосфора (PCl5, PCl3) или тионилхлорида (SOCl2). Галогенангидриды применяются в
различных синтезах как активные ацилирующие агенты для введения в молекулу вещества
остатка кислоты. Галогенангидриды – это высокоактивные нуклеофилы.
Ангидриды карбоновых кислот. Ангидриды монокарбоновых кислот получаются
при отнятии молекулы воды от двух молекул карбоновых кислот или взаимодействием
хлорангидридов с солями этих кислот. Ангидриды карбоновых кислот применяются в
реакциях ацилирования, но являются менее активными, чем хлорангидриды.
Сложные эфиры - это производные карбоновых кислот, образовавшиеся в результате
замещения гидроксильной группы в карбоксиле кислоты на остаток спирта (-OR). В
сложных эфирах ацильная группа связана с алкоксильной группой. Реакция этерификации
идет при нагревании кислот со спиртами в присутствии водоотнимающих веществ. Реакция
обратима и протекает до установления равновесия, относится к реакциям SN. Катализатором
реакций ацилирования является кислота (протон). Роль кислотного катализатора рассмотреть
на примере механизма реакции этерификации.
Амиды карбоновых кислот – продукт замещения гидроксила в карбоксиле остатком
аммиака – аминогруппой NH2. Амидная группа – р,π-сопряженная система. Низкая
ацилирующая способность амидов по сравнению с другими функциональными
производными карбоновых кислот объясняется тем, что частичный положительный заряд на
карбонильном атоме углерода амидов меньше, чем у других функциональных производных
карбоновых кислот за счет сильного +М-эффекта аминогруппы.
Нитрилы (цианиды) карбоновых кислот получают алкилированием солей синильной
кислоты или дегидратацией аммониевых солей – реакция проходит в две стадии: сначала
образуются амиды, а из амидов – нитрилы. Ароматические нитрилы получают сплавлением
солей сульфокислот с цианидом калия.
O
R-C
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 27 из 46
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Какие реакции характерны для карбонильной группы карбоновых кислот?
2. По какому механизму протекает реакция этерификации?
3. Хлорангидриды или амиды кислот являются более сильными ацилирующими агентами?
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 28 из 46
Лекция №2 (10)
Тема: Гетерофункциональные органические соединения.
Цель: Сформировать знания реакционной способности гетерофункциональных карбоновых
кислот и их производных, являющихся основой многих органических синтезов.
План лекции:
1. Гетерофункциональные карбоновые кислоты.
2. Реакционная способность оксикислот (гидроксикислот).
3. Реакционная способность оксокислот.
4. Ацетоуксусный эфир.
Тезисы лекции:
Гетерофункциональные карбоновые кислоты и их производные имеют большое
практическое значение, т.к. являются основой многих синтезов и участвуют в процессах
метаболизма. Структурная изомерия гетерофункциональных (ГФ) кислот связана с
особенностями строения углеродного скелета (изомерия скелета), наличием функциональных
групп и их взаимным расположением. В зависимости от положения функциональной группы
по отношению к карбоксильной различают α-, β-, γ- т.д. гетерофункциональные кислоты:
Химическое поведение гетерофункциональных соединений определяется природой
функциональных групп, содержащихся в молекуле.
Оксикислотами (гидроксикислотами) называются производные углеводородов, содержащие в молекуле два вида функциональных групп: гидроксильные -ОН и карбоксильные СООН. Оксикислоты: гликолевая, молочная, яблочная, винная, лимонная, галловая
салициловая и пара-гидроксибензойная.
Оксикислоты вступают в химические реакции, характерные для кислот и спиртов.
Строение углеводородного радикала также сказывается на их химическом поведении ароматические оксикислоты вступают во многие превращения, характерные для
соответствующих производных бензола. В одних химических реакциях каждая из указанных
функциональных групп может участвовать независимо друг от друга, в других - характер
образующихся продуктов зависит от их взаимного влияния групп, в некоторых случаях оксии карбоксильная группы могут взаимодействовать между собой.
Кислотные свойства. Введение в молекулу кислоты оксигруппы повышает силу кислоты:
оксикислоты - более сильные кислоты, чем соответствующие им карбоновые кислоты.
Оксикислоты могут образовывать соли, сложные эфиры, амиды, галогенангидриды. В
реакции с РСl5 может взаимодействовать карбоксильная и спиртовая группы.
Спиртовые свойства: окисление вторичной спиртовой группы с образованием
кетокислоты; замена спиртовой группы на атом галогена; образование простых эфиров;
образование сложных эфиров.
Отличие в поведении α-, β-, γ- и δ-оксикислот.
Дегидратация oксикислот. При нагревании α-оксикислот выделяется вода и образуется
циклический сложный эфир – лактид.
β-Оксикислоты при нагревании теряют воду с образованием непредельных кислот.
γ- и δ-оксикислоты при нагревании образуют внутренние сложные эфиры - лактоны.
Альдегидо- и кетокислотами называются гетерофункциональные соединения,
содержащие в молекуле две функциональные группы: кислотную (карбоксильную) и
альдегидную или кетонную. Свойства кетокислот определяются их функциональными
группами. Альдегидо- и кетокислоты: глиоксалевая (глиоксиловая), пировиноградная,
ацетоуксусная, щавелевоуксусная, альфа-кетоглутаровая.
Типичной реакцией α-кетокислот является их декарбоксилирование под действием
разбавленной H2SO4 при слабом нагревании: СН3 -СО-СООН → СН3–СНО + СО2.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 29 из 46
β-оксокислоты, например ацетоуксусная кислота, легко декарбоксилируется с
образованием ацетона: СН3 -СО-СН2-СООН → СН3–СО-СН3 + СО2
В
организме
кетокислоты
участвуют
в
реакциях
переаминирования
(трансаминирования): СН3-СО-СООН + НООС-СН2–СH(NH2)-СООН →
→ СН3-СH(NH2)-СО-СООН + НООС-СН2 – СО-СООН
Ацетоуксусный эфир (этиловый эфир ацетоуксусной кислоты) - имеет важное значение,
как в разработке теоретических представлений в органической химии, так и в препаративном
отношении. Получают его сложноэфирной конденсацией (конденсация Кляйзена) взаимодействием двух молекул этилового эфира уксусной кислоты в присутствии
металлического натрия, его алкоголята, амида или гидрида:
СН3-СО-ОС2Н5 + СН3-СО-ОС2Н5 -С2Н5ОН→ СН3-СО-СН2-СО-ОС2Н5
Ацетоуксусный эфир - классический пример органического соединения, для которого
характерно явление кето-енольной таутомерии - подвижной, динамической изомерии:
Равновесие между кетонной и енольной формами ацетоуксусного эфира зависит от
растворителя и температуры. При обычных условиях соотношение кетонной и енольной форм
составляет примерно 93 : 7.
В химическом отношении ацетоуксусный эфир способен давать реакции как для кетонной,
так и для енольной формы.
Реакции кетонной формы: восстановление водородом; присоединение синильной
кислоты; взаимодействие с гидросульфитом натрия; реакция с гидроксиламином.
Реакции енольной формы: качественная реакция на енолы - образование краснофиолетового окрашивания при взаимодействии с раствором хлорида железа (III) (за счет
сложных внутрикомплексных соединений железа); присоединение брома по двойной связи
(образующийся дибромид, легко теряет бромистый водород, превращается в производное
кетонной формы); ацилирование енольного гидроксила - получают соответствующее Оацетилпроизводное ацетоуксусного эфира
Образование натрийацетоуксусного эфира (от енольной формы) происходит при
взаимодействии с металлическим натрием, алкоголятом натрия или щелочью.
Натрийацетоуксусный эфир имеет широкое применение в органическом синтезе для
получения различных соединений.
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 30 из 46
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Какие соединения называют гетерофункциональными?
2. Назовите альфа-гидроксикислоту.
3. Какое соединение образуется при нагревании бета-гидроксикислот?
4. Какой вид таутомерии характерен для ацетоуксусного эфира?
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 31 из 46
Лекция № 3(11)
Тема: Аминокислоты, пептиды, белки.
Цель: Сформировать знания реакционной способности аминокарбоновых кислот как
важнейшего класса органических соединений и основы белков живых организмов.
План лекции:
1. Аминокислоты: понятие, классификация и изомерия АМК.
2. Химические свойства.
3. Понятие о пептидах и белках.
Тезисы лекции:
Аминокислоты (АМК) – это производные карбоновых кислот, в радикале которых один
или несколько атомов водорода замещены на аминогруппы.
По положению аминогруппы в углеродной цепи относительно карбоксильной группы
различают α-, β-, γ-аминокислоты. α-аминокислоты (α-АМК) являются мономерами белка.
Аминокислоты классифицируют: 1. По числу амино- и карбоксильных групп
(моноаминомонокарбоновые,
моноаминодикарбоновые
и
диаминомонокарбоновые
кислоты). 2. По природе радикала (алифатические, ароматические, гетероциклические
ароматические аминокислоты, гетероциклические иминокислоты).
Изомерия аминокислот связана с положением функциональных групп и со строением
углеродного скелета. Все альфа-аминокислоты, входящие в состав белков, (кроме ГЛИ)
являются оптически активными веществами, т.к. содержат асимметричный атом углерода и
существуют в виде энантиомеров, т.е. в виде D– и L- оптических изомеров. В белках
животного происхождения содержатся L-АМК; D-АМК встречаются в некоторых белках
микроорганизмов.
Химические свойства аминокислот
Аминокислоты – твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде.
Многие АМК имеют сладкий вкус. Как и все соединения со смешанными функциями
аминокислоты проявляют свойства и кислот и аминов, а также специфические свойства,
обусловленные совместным присутствием указанных групп.
1.Амфотерные свойства аминокислот.
1.В водных растворах АМК существуют в виде внутренних солей (биполярных
ионов). Водные растворы моноаминомонокарбоновых кислот на лакмус нейтральны, т.к. в
их молекулах содержится равное число -NН2 и -СООН групп.
Значение рН при котором общий заряд молекулы АМК равен 0, называется
изоэлектрической точкой АМК (ИЭТ или pIАК).
Водные растворы моноаминодикарбоновых кислот обладают кислой реакцией среды, их
изоэлектрическая точка находится в кислой среде; такие АМК называют кислыми.
Диаминомонокарбоновые кислоты обладают в водных растворах основными свойствами
(участие
воды
в
процессе
диссоциации
показывать
обязательно).
ИЭТ
диаминомонокарбоновых кислот находится в при рН>7, эти АМК называют основными.
ИЭТ является важной характеристикой пептидов и белков.
2. Являясь биполярными ионами, аминокислоты проявляют амфотерные свойства: они
способны образовывать соли как с кислотами, так и с основаниями.
2. Реакции аминокислот по карбоксильной группе
1. Образование комплексов с металлами - ион металла связан дополнительными донорноакцепторными связями с NH2– группами, в результате образуется комплексный ион. Эти
соединения относятся к внутрикомплексным солям - хелаты.
2.Подобно другим кислотам аминокислоты образуют: Сложные эфиры; галогенангидриды;
амиды кислот;
3.Реакция декарбоксилирования АМК – в результате реакции образуются амины.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 32 из 46
3. Реакции аминокислот по аминогруппе
3.1. Взаимодействие с формальдегидом (альдегидами) – образование иминов. Реакция
используется для количественного определения аминокислот (метод Сёренсена).
3.2. Взаимодействие с азотистой кислотой – выделение азота и образование
гидроксикислоты. По объему выделившегося азота определяют количественное содержание
азота в исследуемом объекте (метод Ван–Слайка).
3.3. Ацилирование аминокислот – образование N-ацильных производных аминокислот.
Аминогруппу ацилируют хлорангидридами или ангидридами кислот при комнатной
температуре. Ацильные производные АМК широко используются при изучении
последовательности их в белках и в синтезе пептидов (защита аминогруппы).
3.4. При нагревании β-аминокислот они отщепляют аммиак и образуют непредельную
кислоту с двойной связью в α-β-положении. Причиной реакции является подвижность
атомов водорода при α-углеродном атоме АМК. Это специфическое свойство β-аминокислот.
4. Реакции, связанные с наличием и взаимным влиянием амино- и карбоксильной
групп.
4.1. При нагревании α-аминокислот образуются циклические амиды- дикетопиперазины.
4.2. При нагревании γ- и δ-аминокислот образуются внутренние циклические амиды –
лактамы. По строению лактамов устанавливают положение аминогруппы в аминокислоте.
4.3. Пептиды – это амиды, образующиеся при взаимодействии аминогрупп и карбоксилов
аминокислот. Амидная или пептидная связь - трехцентровая р,-сопряженная система.
В зависимости от числа аминокислотных остатков в молекуле различают ди-, три-,
тетрапептиды и т.д. вплоть до полипептидов (до 100 остатков АМК). Олигопептиды
содержат от 2 до 10 остатков АМК, белки - более100 остатков АМК.
Где R1, R2, … Rn – радикалы аминокислот.
Все природные белки образуются из мономеров – 20 аминокислот. При гидролизе
простых белков образуется смесь АМК. Белки имеют структуры: первичную
(последовательность АМК), вторичную (правозакрученная -спираль или складчатая структура), третичную структура (сложная пространственная организация макромолекулы –
глобулярные и фибриллярные белки) и четвертичную (структура известна для некоторых
белков, заключается в объединении нескольких субъедениц, например гемоглобин).
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 33 из 46
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы (обратная связь):
Для каких АМК специфической реакцией является образование дикетопиперазинов?
Какие соединения образуются при взаимодействии АМК с кислотами и щелочами?
Что понимают под изоэлектрической точкой пептида?
Для каких целей применяют реакцию Ван-Слайка?
Лекционный комплекс
G-041.07.05.13-2013
Ред. 1.
Страница 34 из 46
Лекция № 4(12)
Тема: Углеводы.
Цель: Сформировать знания о строении, изомерии и химических свойствах углеводов как
важнейшего класса органических соединений.
План лекции:
1. Углеводы: понятие, строение и изомерия.
2. Химические свойства моносахаридов.
3. Понятие о сложных углеводах.
Тезисы лекции:
Класс углеводов делят на две группы: 1) простые углеводы (моносахариды) или монозы и
2) сложные углеводы (гомополисахара и гетерополисахара)
Простые углеводы не способны гидролизоваться, а сложные углеводы гидролизуются с
образованием простых углеводов.
Моносахариды - это гетерофункциональные соединения. Они представляют собой
альдегиды и кетоны многоатомных спиртов (или их циклические полуацетали). В
зависимости от наличия альдегидной или кетонной группы различают альдозы и кетозы.
Моносахариды содержат в молекуле от 3 до 10 углеродных атомов. По числу углеродных
атомов их делят на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.
Для моносахаридов характерно явление изомерии. Различают D- и Lстереохимические ряды моносахаридов. Принадлежность моносахаридов к D- или L- ряду
определяется по правилу М.А. Розанова: т.е. по конфигурации самого удаленного от старшей
(карбонильной) группы асимметричного атома углерода (пентозы С-4, гексозы С-5). В
организме человека чаще встречаются гексозы и пентозы D- ряда.
Изомерия моносахаридов связана с наличием альдегидной и кетонной групп. Из
кетогексоз наибольший интерес представляет фруктоза. Линейные альдегидные и кетонные
формулы моноз называют карбонильными формулами Э. Фишера или оксоформулами.
Оптическая изомерия связанна с наличием в молекулах гексоз асимметрических
углеродных атомов: альдогексозы имеют хиральных центра, число оптических изомеров
равно 16 (N =24); кетогексозы - 3 хиральных центра - число изомеров- 8. Сахара, отличающие
конфигурацией только одного углеродного атома, называют эпимерами. Эпимеризация
моносахаридов происходит в присутствии разбавленных щелочей на холоду и заключается
во взаимопревращении моносахаридов альдо-формы в кето-форму через енольную форму.
CHO
H
H
H
OH
OH
OH
CH 2OH
HOH 2C
O
OH
OH
OH
H
HO
H
H
CHO
OH
H
OH
OH
CH 2OH
6
CH 2OH
5
4
OH
O
1
OH
3
2
OH
OH
CH 2OH
C O
HO
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
6
O
HOH 2C
OH
OH 2
5
4
OH
3
CH 2OH
1
D-рибоза
D-глюкоза
D-фруктоза
-Д-рибоза
-D-глюкоза
-D-фруктоза
Гликозидный гидроксил находится у атома С1 глюкозы и у атома С2 фруктозы.
Исходя из функционального состава, моносахариды проявляют свойства
многоатомных спиртов, карбонильных соединений, циклических полуацеталей и
специфические свойства.
Реакции полуацетального гидроксила. Моносахариды в виде циклических полуацеталей
при взаимодействии со спиртами в присутствии кислотного катализатора в безводных
условиях, образуют полные ацетали. При этом в молекуле моносахарида на остаток спирта алкоксигруппу OR - замещается только полуацетальный гидроксил. Полученные
циклические ацетали называют гликозидами. Монозы могут образовывать О-, N- и S-
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 35 из 46
гликозиды. Гликозиды - это невосстанавливающая форма сахаров. N-гликозидная связь
характерна для нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Наиболее известный из
тиогликозидов (S-гликозидов) синигрин, содержащийся в горчице. Гликозиды, как и все
ацетали, гидролизуются в кислой среде, устойчивы к действию разбавленных щелочей.
Реакции спиртовых гидроксильных групп. Как многоатомные спирты моносахариды
способны растворять гидроксид меди (II). При этом образуется хелатное соединение синего цвета.
Реакция используется для обнаружения моносахаридов и гликозидов.
Простые эфиры образуются при взаимодействии с галогеналканами или диметилсульфатом
(СН3)2SО4 за счет спиртовых групп. Одновременно со спиртовыми гидроксильными группами в
реакцию вступает и полуацетальный гидроксил, в результате чего получается простой эфир
гликозида.
Сложные эфиры образуются при этерификации спиртовых ОН-групп кислородсодержащими кислотами (органическими и неорганическими) или их ангидридами.
Биологическое значение имеют эфиры фосфорной кислоты – фосфаты.
Восстановление моносахаридов по карбонильной группе м водородом
(катализатор никель или палладий) приводит к образованию многоатомных спиртов
(альдитов): глюкоза – сорбит (D-глюцит), манноза - маннит, D-ксилоза - ксилит, галактоза дульцит.
Окисление моносахаридов. Схема реакции Сх(Н2О)у + хО2  хСО2 + уН2О + Q
соответствует процессу полного окисления (сгорания) углеводов.
В зависимости от условий окисления моносахаридов образуются гликоновые,
гликаровые и гликуроновые кислоты.
а) Нейтральная среда (мягкое окисление) - образование глюконовой (гликоновой)
кислоты НОСН2-(СНОН)4-СООН, которая в виде кальциевых солей (глюканат кальция)
широко применяется в практической медицине (при аллергиях, повышенной проницаемости
кровеносных сосудов и т.д.).
б) Кислая среда - с разбавленной азотной кислотой одновременно окисляются
альдегидная и первичная спиртовая группа, образуются двухосновные гидроксикислоты
НООС-(СНОН)4-СООН (гликаровые кислоты):
в) Щелочная среда - при нагревании с реактивом Толленса (аммиачный раствор оксида
серебра) или реактивом Фелинга (меди (II) в виде комплексной соли) моносахариды
претерпевают глубокие изменения с расщеплением углеродной цепи. В реакции оксид
серебра (реакция «серебряного зеркала») и гидроксид меди (II) Сu(OH)2 восстанавливаются
до металлического серебра и оксида меди (I).
В тканях организма человека при окислении глюкозы образуется глюкуроновая
кислоты; галактозы - галактуроновая кислота (альдегидная группа защищена и сохраняется,
окисляется только первичная спиртовая группа), которые выполняют в печени человека
защитную роль. Декарбоксилирование уроновых кислот приводит к образованию пентоз
(глюкуроновая кислота → ксилоза):
Образование озазонов происходит при нагревании моносахаридов с фенил-гидразином.
Образование озазонов протекает в несколько стадий. Реакцию образования озазонов широко
используют для открытия (установления подлинности) сахаров, а также для выделения их из
смесей.
Сложные углеводы
Олигосахариды – при гидролизе образуют небольшое число моносахаридов (2-10).
Дисахариды образуются их двух моносахаридов. Важнейшими дисахаридами
являются мальтоза, лактоза, сахароза, целлобиоза, их общая эмпирическая формула
С12Н22О11. При названии по систематической номенклатуре, окончание моносахарида,
участвующего в образовании гликозидной связи своим полуацетальным гидроксилом,
приобретает окончание «озил».
Мальтоза (солодовый сахар) – остатков 2-х молекул D-глюкопиранозы связанных
альфа-1,4-гликозидной связью; при гидролизе расщепляется на две D-глюкозы (Dглюкопиранозы). Восстанавливающий дисахарид.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 36 из 46
Систематическое название мальтозы: α-D-глюкопиранозил-1,4-α-D-глюкопираноза
Лактоза (молочный сахар). Содержится в молоке млекопитающих. При гидролизе
образует 2 моносахарида: β-D-галактопиранозу (β-D-галактозу) и D-глюкозу. Лактоза по
систематической номенклатуре называется: β-D-галактопиранозил-1,4-β-D-глюкопираноза.
Она является восстанавливающим дисахаридом. Лактоза отличается от других сахаров
отсутствием гигроскопичности. Это свойство находит большое практическое применение в
фармации для приготовления порошков, содержащих легко гидролизующееся лекарственное
вещество.
Сахароза (тростниковый сахар, свекловичный сахар) - это наиболее известный и широко
распространенный сахар. При гидролизе сахароза расщепляется на α–глюкозу и β-фруктозу.
α–1,β-2-гликозидная связь образована полуацетальными гидроксилами α–глюкозы и βфруктозы,
поэтому
нет
возможности
для
цикло-оксотаутомерии.
Сахароза
невосстанавливающий дисахарид. Сахароза по систематической номенклатуре называется:
-Д-глюкопиранозил-1,2--D-фруктофуранозид.
Целлобиоза – восстанавливающий дисахарид. Его можно получить при гидролизе
целлюлозы (клетчатки). Она по систематической номенклатуре называется: -Dглюкопиранозид-1,4--D-глюкопираноза.
Полисахариды - это высокомолекулярные углеводы, по химической природе
относящиеся к полигликозидам, т.е. являются продуктам поликонденсации моносахаридов,
связанных между собой гликозидными связями. По составу полисахариды делят на
1. гомополисахариды - биополимеры, образованные из остатков одного моносахарида;
2. гетерополисахариды - биополимеры, образованные из остатков разных моносахаридов.
К биологически важным гомополисахаридам относятся крахмал, гликоген, декстраны
клетчатка, состоящие из остатков глюкозы.
Гетерополисахариды, имеющие важное биологическое значение:
Гиалуроновая кислота - полисахарид соединительной ткани.
Хондроитинсульфаты - составная частью хрящей, содержатся в коже, роговице, костной
ткани.
Гепарин – впервые был выделен из печени - препятствует свертыванию крови, являясь
естественным антикоагулянтом.
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы (обратная связь):
Назовите самые распространенные гексозы?
Какой гидроксил называют гликозидным?
В чем заключается принципиальное отличие моноз от сложных углеводов?
В какой среде при окислении глюкозы образуется глюконовая кислота?
Назовите дисахарид, при гидролизе которого образуются галактоза и глюкоза.
Страница 37 из 46
Лекционный комплекс
G-041.07.05.13-2013
Ред. 1.
Страница 38 из 46
Кредит 4.
Лекция № 1(13)
Тема: Пятичленные гетероциклические соединения.
Цель: Сформировать знания по строению и реакционной способности пятичленных
гетероциклов с одним и двумя гетероатомами.
План лекции:
1. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом: фуран, пиррол, тиофен.
2. Реакционная способность пиррола, фурана, тиофена.
3. Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.
Тезисы лекции:
Гетероциклические соединения – это соединения циклического строения, в цикле которых
кроме атомов углерода содержатся атомы других элементов (гетероатомы). Гетероатом в
составе цикла должен иметь валентность 2 и более.
N
4 3
4 3
43
43
43
51 2
51 2
51 2
N
H
пиррол
O
S
фуран
тиофен
5
1
2
N
N
H
пиразол
5
1
2
N
H
имидазол
4
5
1
3
N
2
O
оксазол
N
4 3
5 1 2
S
тиазол
Пятичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом: пиррол, фуран,
тиофен. Эти соединения являются ароматическими. Степень ароматичности пятичленных
гетероциклов ниже, чем у бензола. Это связано с тем, что ЭО гетероатомов больше ЭО
углерода. Пиррол, фуран и тиофен называют «π-избыточными» системами, т.к. у них
электронная плотность на атомах углерода несколько выше, чем в бензоле, и сосредоточена
на α-атомах углерода. Стабильность ароматической системы у пятичленных гетероциклов с
одним гетероатомом уменьшается в направлении: Тиофен > фуран > пиррол. Ароматический
характер фурана выражен слабее, чем у других пятичленных гетероциклов. Это связано с
высокой ЭО атома кислорода, поэтому фуран в некоторых реакциях ведет себя как
ненасыщенное (диеновое) соединение, т.е. вступает в реакции присоединения.
Взаимные превращения пиррола, фурана и тиофена протекают, если нагревать их
пары (400 0С) с парами воды, с сероводородом или с аммиаком в присутствии нагретого
катализатора Al2O3. Эти реакции открыты советским химиком Ю.К. Юрьевым.
Повышенная электронная плотность на атомах углерода приводит к тому, что эти
гетероциклические соединения легко вступают в реакции электрофильного замещения SE.
Пиррол - родоначальник важных природных соединений, к которым принадлежат гем
(компонент гемоглобина крови) и хлорофилл. Пиррол обладает ацидофобностью
(кислотобоязнь) - осмоляется при действии на него минеральных кислот. Пиррол проявляет
кислотно-основные свойства: слабо выраженные основные свойства (как вторичный амин) и
слабокислотные свойства (N-H кислотность) - при действии металлического калия или
концентрированного раствора КОН образуется пирролкалий.
Для пиррола характерны реакции SE (на примере одной из реакций разобрать
механизм электрофильного замещения). Для устранения прямого действия кислоты реакции
осуществляют с помощью реагентов, не содержащих протон. Так, нитрование пиррола
проводят алкилнитратом или ацетилнитратом СН3СООNO2. При сульфировании пиррола в
качестве электрофильного реагента используют комплекс пиридина с оксидом серы (VI) SO3
– пиридинсульфотриоксид C5H5NּSО3 - образуется пиррол-2-сульфокислота. Пиррол легко
вступает в реакцию ацилирования по Фриделю-Крафтсу. Пиррол можно ацилировать
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 39 из 46
ангидридами кислот при нагревании даже без катализатора – образуется 2-ацетилпиррол.
Пиррол и фуран в виду их ацидофобности галогенируют хлористым сульфурилом SO 2Cl2 образуется α-хлорпиррол.
Пиррол способен восстанавливаться в присутствии катализаторов (Pd, Pt, Ni и др.) с
образованием насыщенного гетероцикла пирролидина. Пирролидин - это циклический
вторичный амин, он проявляет более сильные основные свойства, чем аммиак. Цикл
пирролидина встречается во многих природных соединениях, например, алкалоиды никотин,
атропин, кокаин, аминокислота пролин.
Фуран - бесцветная легкокипящая жидкость (т. кип. 31 °С), по химическим
свойствам напоминающая пиррол. Фуран также ацидофобен, как и пиррол. Реакции SE нитрование, сульфирование, ацилирование - протекают для фурана аналогично пирролу. При
гидрировании фурана образуется тетрагидрофуран. Одним из важнейших производных
фурана является фурфурол (фуран-2-карбальдегид). По химическим свойствам фурфурол
напоминает бензальдегид. ЭА альдегидная группа понижает электронную плотность на
атомах углерода цикла, что дает возможность проводить с фурфуролом те превращения,
которые для ацидофобного фурана трудноосуществимы. В медицине находят применение
производные 5-нитрофурфурола – бактерицидные средства (фурацилин).
Тиофен среди пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом в наибольшей степени
проявляет ароматические свойства и по свойствам напоминает бензол. Тиофен как «πизбыточная» система легче бензола вступает в реакции SE. В отличие от пиррола и фурана,
тиофен неацидофобен из-за своей высокой ароматичности. Тиофен легко сульфируется
концентрированной серной кислотой при комнатной температуре с образованием тиофен-2сульфокислоты. Так же легко протекают для тиофена реакции нитрования (азотной
кислотой), ацилирования (ангидридами кислот в присутствии катализаторов),
галогенирования - образуются дигалогенопроизводные.
Азолы – пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.
Ароматические представители: пиразол, имидазол, тиазол, оксазол. Кислотно-основные
свойства проявляют пиразол и имидазол. Для азолов характерны реакции электрофильного
замещения - нитрование, сульфирование. Ядро имидазола входит в состав соединений:
гистидин, гистамин, конденсированного цикла пурин, некоторых алкалоидов
Пиразолон-5 и его таутомерия. Лекарственные средства на основе пиразолона-5
(жаропонижающие, болеутоляющие, успокаивающие): антипирин, амидопирин, анальгин.
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 40 из 46
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы (обратная связь):
Назовите пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом?
Что такое «ацидофобность»?
Какие реакции открыты химиком Ю.К. Юрьевым?
Какое применение находят медицине производные 5-нитрофурфурола?
Какие соединения называют азолами?
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 41 из 46
Лекция № 2(14)
Тема: Шестичленные гетероциклические соединения. Конденсированные
гетероциклы.
Цель: Сформировать знания о строении и реакционной способности шестичленных и
конденсированных гетероциклических соединений.
План лекции:
1. Шестичленные гетероциклы с одним атомом азота: пиридин, хинолин, изохинолин.
2. Шестичленные гетероциклы с двумя атомами азота: пиридазин, пиримидин, пиразин.
3. Конденсированные гетероциклы: пурин, хинолин.
Тезисы лекции:
Шестичленные гетероциклы с одним атомом азота в цикле называют азинами.
Ароматические представители шестичленных гетероциклов с одним атомом азота пиридин, хинолин, изохинолин, акридин.
4
5
4
Положения в пиридиновом
6
3
5
3
ядре, которое обозначают
2
1 N
2
6
греческими буквами α, α´,
7
2
N
N
соответствует атому углерода
8
1
1
номер 2, 6; β и β´ - 3, 5; γ - 4.
пиридин
хинолин
изохинолин
По строению пиридин напоминает бензол, в молекуле которого одна группа =СНзамещена на атом азота. Свободная пара электронов атома азота не взаимодействует с πэлектронами кольца: ароматический секстет π-электронов образован пятью электронами
углеродных атомов и одним электроном атома азота. Пиридин имеет плоское строение. Атом
азота связан с двумя соседними углеродными атомами sp2-гибридизованными связями. Атом
азота в пиридине более электроотрицателен, чем группа =СН- в бензоле и поэтому
электронная плотность у атома азота пиридинового кольца больше, чем у атомов углерода.
Пиридин – бесцветная жидкость с сильным неприятным запахом. С водой и со многими
органическими растворителями смешивается в любых соотношениях. Водные растворы
пиридина окрашивают лакмус в синий цвет, так как пиридин образует с водой соединение,
обладающее основными свойствами аналогично гидроксиду аммония NH4OH.
Пиридин и его гомологи (пиридиновые основания) присоединяют галогеналкилы
образуя галогеналкилаты, которые называют солями пиридиния: N-метилпиридиний йодид.
Для пиридина характерны реакции электрофильного замещения SE
(сульфирование, нитрование и галогенирование), заместитель направляется в β –положение.
Для пиридина возможны реакции нуклеофильного замещения SN: Аминирование
пиридина – (реакция Чичибабина) взаимодействие с амидом натрия - можно получать α- и γаминопиридины; Гидроксилирование (А.Е. Чичибабин) – действие паров пиридина на сухое
едкое кали при 250-300 0С и последующий гидролиз – образуется 2-гидроксипиридин.
Гомологи пиридина – это α-, β- и γ-пиколины. При их окислении окисляются только
боковые цепи и получаются пиридинкарбоновые кислоты.
Никотиновая кислота. Амид никотиновой кислоты (витамин РР) или предупреждает
развитие пеллагры, участвует в ОВ процессах. Изоникотиновая кислота. Противотуберкулезные препараты тубазид, фтивазид - производные изоникотиновой кислоты.
Каталитическое восстановление пиридина с образованием пиперидина. У пиперидина
основные свойства проявляются сильнее, чем у пиридина, т.к. система неароматическая – нет
сопряжения. Пиперидин входит в состав болеутоляющего средства промедол.
Шестичленные гетероциклы с двумя атомами азота в цикле называют диазинами.
Ароматические представители диазинов: пиридазин, пиримидин пиразин - являются
пи-недостаточными ароматическими соединениями.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 42 из 46
В пиримидине наиболее удобным
N
43
43
5
5
местом для реакции электрофильного
6 2
6 2
6 2
замещения SE является положение 5.
1 N
1
1
N
N
N
Нуклеофильные реагенты в пиридине
пиримидин
пиридазин
пиразин
легко атакуют положения 2, 4, 6.
Записать схемы реакций галогенирования, сульфирования, алкилирования,
ацилирования и нитрования пиридина.
Гидрокси- и аминопроизводные пиримидина: урацил, тимин, цитозин - компоненты
нуклеозидов. Лактим-лактамная таутомерия пиримидиновых оснований.
Барбитуровая кислота – 2,4,6-триоксипиримидин – проявляет кислотные свойства за
счет таутомерной кислотной формы, в которой ОН-группа подобна фенольной.
Медицинские препараты группы барбитуратов применяются в качестве снотворных средств.
O
O
O
O
C2H5
C
H
2
5
R'
C
C
C
H N1 C
H
H
6 5 CH2
N
C
N
C
N
C
CH
R''
C
H
4
2
2
5
C 3 C
C
C 2 5
C
C
C
C
N
O
O
O
O
O N
NaO N
N
O
O
H
H
H
H
5
4
3
N
Барбитуровая
общая формула
Барбитал (веронал)
барбитал-натрий
кислота
барбитуратов
(мединал)
Пурин – это конденсированное бициклическое соединение пиримидина и имидазола.
Пуриновая система ароматична, т.к. в соответствии с правилом Хюккеля включает в
сопряжение 10 электронов: 8 π-электронов двойных связей и неподеленную пару электронов
атома азота в положении 9 (в изомерной форме – положение 7).
Гидроксипроизводные пурина: гипоксантин, ксантин, мочевая кислота. Биологически
активными производными ксантитна являются метилированные ксантины: кофеин,
теофиллин, теобромин.
Аминопроизводные пурина: аденин, гуанин – нуклеиновые основания.
Продукт конденсации ядер бензола и пиридина гетероциклические соединения хинолин
и изохинолин.
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. В какое положение в пиридине происходит электрофильное замещение?
2. Назовите нуклеиновые пиримидиновые основания.
3. Какой вид изомерии характерен для пиримидиновых оснований?
4. Производным какого гетероцикла является барбитуровая кислота?
5. Укажите, производным каких гетероциклов является пурин.
Страница 43 из 46
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 44 из 46
Лекция № 3(15)
Тема: Липиды.
Цели: Сформировать знания о строении и свойствах омыляемых липидов.
План лекции:
1. Липиды, их классификация.
2. Основные природные высшие жирные кислоты, входящие в состав липидов.
3. Нейтральные липиды. Триацилглицерины.
4. Фосфолипиды.
Тезисы лекции:
Липидами называется сложная смесь органических веществ, выделяемых из объектов
растительного, животного и микробиологического происхождения, обладающая близкими
физико-химическими свойствами. Липиды – это обширная группа органических
соединений, проявляющая одинаковые физико-химические свойства: ограниченная
растворимость в воде и хорошая растворимость в неполярных растворителях. Липиды
выполняют роль структурных компонентов клетки, запасных и защитных веществ.
Классификация липидов (см. слайд). Липиды по их отношению к щелочам делят на две
группы: омыляемые и неомыляемые. Омыляемые липиды - это простые и сложные липиды,
которые при взаимодействии со щелочами гидролизуются с образованием солей
высокомолекулярных кислот (мыло). К группе неомыляемых липидов относятся соединения,
не подвергающиеся щелочному гидролизу (стерины, жирорастворимые витамины, терпены и
т.д.). По химическому составу омыляемые липиды делят на две группы: простые и сложные.
Простые липиды - ацилглицерины, воски, алкильные липиды, плазмалогены.
По своим функциям в живом организме липиды делятся на структурные и запасные. В
состав структурных липидов входят фосфолипиды, глико-, сульфо- и некоторые другие
липиды. Запасные липиды (в основном ацилглицерины) являются энергетическим резервом
организма и участвуют в обменных процессах.
Глицеридами (ацилглицеринами или нейтральными липидми) называются сложные
эфиры трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных (жирных) карбоновых
кислот. Триглицериды составляют основную массу липидов и являются жирами.
Наиболее распространенные в жирах кислоты (жирные кислоты): насыщенные –
пальмитиновая и стеариновая; ненасыщенные – олеиновая, линолевая, линоленовая.
Кислоты, входящие в состав жиров, являются монокарбоновыми, построены из
неразветвленных углерод-углеродных цепей, содержат чётное число углеродных атомов.
Ненасыщенные кислоты липидов имеет цис-конфигурацию по двойным связям. В жирах
животных присутствует арахидоновая кислота (содержит четыре двойные связи), представитель простагландинов. Природные жиры содержат смешанные триглицериды,
включающие остатки различных кислот. В природных растительных триглицеридах 1-е и 3-е
положения заняты предпочтительно остатками насыщенных кислот, 2-е - ненасыщенной.
Химические свойства. Глицериды вступают во все химические реакции, характерные
для сложных эфиров и непредельных кислот.
Гидролиз триглицеридов проходит под влиянием фермента липазы, кислот или
щелочей с образованием жирных кислот и глицерина.
Гидрогенизация глицеридов. Гидрирование молекулярным водородом приводит к
превращению масел жиры, которые служат основой маргарина и кулинарного жира.
Окисление жиров. Жиры и масла, особенно содержащие радикалы - ненасыщенных
жирных кислот, окисляются кислородом воздуха. Начальными продуктами окисления являются
разнообразные по строению перекиси и гидроперекиси. (См. плакаты: 1- Пероксидное окисление
липидов – ненасыщенные жирные кислоты; 2- бета-окисление насыщенных жирных кислот).
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 45 из 46
В результате сложных превращений перекисей образуются вторичные продукты
окисления: спирты, альдегиды, кетоны, кислоты с углеродной цепочкой различной длины, а
также их производные. Скорость, направление и глубина окисления зависят от состава жиров.
В практике состав и качество жиров и масел характеризуют с помощью разнообразных
«чисел», например, число кислотное, омыления, йодное.
Йодное число - показатель, характеризующий непредельность жирных кислот в
составе жира. Выражается числом граммов йода, которое может присоединиться к 100 г
жира. Чем больше йодное число, тем больше степень ненасыщенности жира. У масел йодное
число больше 70. Йодное число применяется для определения вида жира, способности его к
«высыханию», расчета потребного количества водорода на его гидрогенизацию.
Воска – сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатомных спиртов
(цетиловый спирт С16Н33ОН; мирициловый спирт С30Н61ОН).
Линетол представляет собой смесь: этиловых эфиров ненасыщенных жирных кислот.
Линетол применяется для профилактики и лечения атеросклероза.
Твины – это синтетические продукты, представляющие одновременно сложные и простые
эфиры, образованные много атомным спиртом сорбитом (его циклической формой – циклический
спирт сорбитан), высшей жирной кислотой и полимерными ангидридами полиэтиленгликоля.
Плазмалогены - производные глицерина с простой эфирной связью (1алкенильноэфирные липиды) – являются производными высших жирных альдегидов. Они
составляют до 10 % от общего количества липидов центральной нервной системы.
Фосфолипиды. Фосфолипидами называется группа сложных липидов, отщепляющих
фосфорную кислоту при гидролизе.
Глицерофосфолипиды - главный липидный компонент клеточных мембран.
Природные глицерофосфолипиды являются производными L-глицеро-3-фосфата. В
природных фосфатидах в положении 1 глицериновой цепи находится остаток насыщенной
кислоты, в положении 2 - ненасыщенной кислоты, а один из гидроксилов фосфорной
кислоты этерифицирован многоатомным спиртом или аминоспиртом. Примерами
фосфатидов служат фосфатидилсерины, фосфатидилэтаноламины и фосфатидилхолины.
Сфинголипиды — структурные аналоги глицерофосфолипидов, где вместо глицерина
используется сфингозин — ненасыщенный длинноцепочечный двухатомный аминоспирт.
Примером сфинголипидов служат церамиды — N-ацильные призводные сфингозина, аминогруппа в которых ацилирована жирной кислотой. Важную группу сфинголипидов
составляют сфингомиелины, впервые обнаруженные в нервной ткани.
Иллюстративный и раздаточный материал
1.Мультимедийный показ лекции.
Литература:
Основная литература:
1. Елемесова, Ж Г.. Биоорганикалық химия ,учебное пособие ,Семей ,2013.
2. Биоорганикалық химия, Қ. Патсаев , Т. С. Сейтімбетов, С. А. Шитыбаев., Алматы, 2012.
3. Болысбекова С. М., Химия биогенных элементов : учебное пособие, Семей, 2012.
4. Сейтембетов Т.С. Химия : учебник / Т. С. Сейтембетов. - Алматы , 2010.
Дополнительная литература:
1. Патсаев Ә.Қ.,Органикалық химия негіздері. (Теориялық негіздері және көмірсутектер) ,
Шымкент, 2005.
2. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Көмірсутектердің функционалдық
туындылары), Шымкент, 2005.
3. Патсаев Ә.Қ. ,Органикалық химия негіздері.(Гетероциклді қосылыстар. Алкалоидтар.
Биополимерлер. Липидтер), Шымкент, 2005.
G-041.07.05.13-2013
Лекционный комплекс
Ред. 1.
Страница 46 из 46
4. Патсаев Ә.К., Биоорганикалық химия, Шымкент, 2005
5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии, учебное пособие, Дрофа,
2003.
6. Биобейорганикалық, физикалық және коллоидтық химия Алматы,1999
7. Сейтембетов Т.С. ,Химия,Алматы,1994
8. Беремжанов Б. ,Общая химия ,Алматы,1992
9. Тюкавкина Н.А.,Биоорганическая химия , Медицина,1991
Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Какие соединения называют триацилглицеринами?
2. Назовите ненасыщенные жирные кислоты.
3. Что образуется при гидрогенизации масел?
4. Какие компоненты образуются при гидролизе глицерофосфолипидов?