II. Квантово-механическое представление в органической химии

Вид материала

Реферат

Содержание Другие примеры алкалоидов Двухосновные диаминокислоты Получение глицина Рассмотрим на примере глицерина Классификация белков XIII. Углеводы (сахара) Глюкоза («виноградный сахар») Глюкоза может существовать в виде соединений циклического характера. Фруктоза (плодовый сахар) В РНК (α-D-рибоза) Открытая цепь: Цикл 1) Сахароза (пищевой сахара) 2) Мальтоза (солодовый сахар) 3) Лактоза (молочный сахар). К ним относят Реакция образования крахмала (качественная с йодом) 2) Гликоген [(C6H10O5)n] Целлюлоза [(C6H7O2(OH)3)n].

Подобный материал:

• Етодические особенности изучения органической химии место органической химии в школьном, 462.44kb.
• Программа элективного курса «Теоретические основы органической химии», 128.29kb.
• Элективный курс по химии для 10 класса естественнонаучного профиля «Механизмы реакций, 49.19kb.
• Тематическое планирование по органической химии для 10 класс, 550.27kb.
• Примерный перечень экзаменационных вопросов по органической химии, специальность 260303, 53.85kb.
• Элективный курс по химии для 10 класса профильного уровня. Тема: «Избранные вопросы, 93.44kb.
• Новые органические лиганды n 2 s 2 ­ -типа и их комплексные соединения с ni(II), Co(II),, 232.86kb.
• Утверждаю, 425.07kb.
• Утверждаю, 318.85kb.
• Методы органической химии, 158.45kb.

Пиримидин (1,3(м)-диазин или миазин)


Н

|

C Пиримидин выглядит как бесцветные кристаллы с характерным запахом.

: N CH Производные пиримидина : тимин, урацил, цитозин. Они участвуют в передаче

|| | наследственных признаков.

HC CH

N

••


Пурин


Н

| Пурин входит в состав нуклеиновых кислот.

C N Производные пурина играют важную роль в химии природных

: N C соединений. Кофеин, например, возбуждает центральную нервную

| || CH систему.

HC C

N N

•• |

H


Аденин (6-аминопурин)


NН₂ Аденин является аминопроизводной пурина. Он выглядит как

| бесцветные кристаллы.

С N Аденин входит в состав нуклеиновых кислот.

: N C

| || СН

HC C

N N

•• |

H


Гуанин (2-амино-6-оксо-пурин или 2-аминогипоксантин)


Входит в состав нуклеиновых кислот.


Пиррол


••

NH

HC CH Пиррол содержится в хлорофилле, в гене гемоглобина и в костном

|| || масле (это масло получают путем перегонки костей).

HC CH


Алкалоиды


Алкалоиды – это вещества растительного происхождения, в редких случаях встречаются в грибах и животных. Они содержат минимум один атом азота, в следствие чего алкалоиды обладают основными свойствами.

Многие алкалоиды ядовиты, нередко они имеют горький вкус.


Пример.


C₁₀H₁₄N₂ (никотин)


Другие примеры алкалоидов: морфин, кокаин, стрихнин, валерин (вместе с хатинином содержится в валериане).


XII. Белки


Аминокислоты и белки


Белки – важнейший класс природных полимеров.

Существуют три основных класса биополимеров: полисахариды, нуклеиновые кислоты и белки.

Белки по химической природе являются полиамидами, построенные из аминокислот. В образовании белка участвует около двадцати аминокислот. Это так называемые основные, или белокобразующие (протеиногенные), аминокислоты.


В зависимости от вида радикала основные аминокислоты делят на три группы:


1) Неполярные (аланин, метионин, валин, про-лин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);


2) Полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серии, глицин, тирозин, треонин, цистеин);


3) Полярные заряженные (аргинин, гистидин, лизин — положительно; аспарагиновая и глутаминовая кислоты — отрицательно).


Общая формула аминокислот:




α O

R – CH – C

| OH

NH₂


Некоторые аминокислоты, входящие в состав белков:

1. Глицин (гликокол или аминоуксусная кислота);
   

H₂C– COOH

|

NH₂

2. Аланин (α-аминопропионовая кислота);
   

H₃C – CH – COOH

|

NH₂

3. Валин^* (α-аминоизовалериановая кислота);
   

H₃C – CH – CH – COOH

| |

CH₃ NH₂

4. Серин (α-амино-β-оксипропионовая кислота или α-амино-β-гидроксипропионовая кислота);
   

H₂C – CH – COOH

| |

OH NH₂

5. Цистеин (α-амино-β-тиопропионовая кислота или α-амино-β-сульфгидрилпропионовая кислота);
   

H₂C – CH – COOH

| |

SH NH₂

6. Двухосновные аминокислоты;
   

0. 6.1. Аспарагиновая кислота (α-аминоянтарная кислота);
   

HOOC – CH₂ – CH – COOH

|

NH₂

0. 6.2. Глутаминовая кислота (α-аминоглутаровая кислота).
   

HOOC – CH₂ – CH₂ – CH – COOH

|

NH₂

7. Одноосновные диаминокислоты;
   

Лизин (2,6-диаминогексановая кислота или α,ε-диаминокапроновая кислота)


NH₂ – (CH₂)₄ – CH – COOH

|

NH₂

8. Двухосновные диаминокислоты.
   

Цистин^* (β,β’-дитио-α-аминопропионовая кислота или ди-β-тио- α-аминопропионовая кислота, или 3,3’-дитио-бис-2-аминопропионовая кислота, или дицистеин). Цистин является дисульфидом цистиена.


HOOC – CH – CH₂ – S – S – CH₂ – CH – COOH

| |

NH₂ NH₂


Все природные кислоты (кроме глицина) имеют ассиметричный атом углерода и обладают оптической активностью. Оптически активные вещества существуют в виде двух изомерных форм (энантиомеры): L- (левовращающаяся) и D- (правовращающаяся). Молекулы относятся друг к другу как объект и его зеркальное изображение. Все природные белки построены только из L-аминокислот.


Получение глицина


1. Из уксусной кислоты;
p

NH₃

H₃C – COOH + Cl₂ H₂C – COOH H₂C – COOH

| |

Cl NH₂

2. Из формальдегида.



NH₃

HOH


О

HC + HCN HO – CH₂ – CN H₂N–CH₂ –С N H₂C – COOH

Н гидроксиацетонитрил |

NH₂

Во всех аминокислотах есть группы [NH₂] и [COOH], которые вступают в характерные для них реакции.

R – CH – COO¯ R – CH – COOH

| |

NH₃ NH₂
HNO₂

N₂ (г)



O

R – CH – C

| OH

HN – COR’


R’COHall


на [NH₂]



O

R – CH – C

| OH

NH₃⁺


HCl


R – CH – COOH

|

NH₂


O

R – CH – C

| O¯

NH₂




NaOH





NH₃


O

R – CH – C

| OR’

NH₂


R’OH


на [COOH]

R – CH₂ – CO₂¯


O

R – CH – C

| Cl

NH₂

SOCl

В кислых растворах аминокислоты присоединяют протоны (протонируют).

Аминогруппа → до NH₃⁺

В щелочах → до CO₂¯

В промежуточных значениях pH аминокислоты образуют биполярные ионы (цвиттер-ионы).


R – CH – CO2¯

|

NH₃⁺


П
T
роцесс конденсации с другими аминокислотами в живых организмах происходит с катализирующими ферментами.

измененная структуру (денатурация).

д
+ Н₂О
ипептид → полипептид → белок

смесь аминокислот

Пептиды и белки


Аминокислоты в белках соединены в длинные цепи (полипептидные связи), состоящие из полипептидов.


Рассмотрим на примере глицерина.

O

H₃N⁺– CH₂ – C + H ₃N⁺ – CH₂ – C – O¯ → H₃N⁺ – CH₂ – C – NH – CH₂ – C – O¯ + H₂O

O¯ || || ||

O O (амид) O


Образуется пептидная связь (CO – NH).

Полипептиды, содержащие больше ста аминокислот называются белками.


Классификация белков:

1. Фибриллярные;
   

Фибриллярные белки — белки, образованные полипептидными цепями, расположенными параллельно друг другу вдоль одной оси и образующие длинные волокна (фибриллы) или слои.

Молекулы таких белков имеют линейное строение. Они не растворимы в воде, устойчивы к действию кислот и щелочей.

К ним относят: кератин (волосы, ногти), коллаген (мускулы, сухожилия), эластин (кровеносные сосуды).

2. Глобулярные.
   

Глобулярные белки — белки, в молекулах которых полипептидные цепи плотно свёрнуты в компактные шарообразные структуры — глобулы (третичные структуры белка).

Такие белки имеют трехмерную сложную структуру. Действие на них кислот и щелочей приводит к денатурации белка.

К ним относят: альбумин (содержится в белке яйца); казеин (основная масса творога).


XIII. Углеводы (сахара)





C_m(H₂O)_n


Углеводы – это органические вещества природного происхождения с общей формулой C_m(H₂O)_n. В углеводах атомы углерода преимущественно связаны с атомами водорода или [OH] группой. Это полифункциональные соединения.

К ним относят: сахарозу, крахмал, целлюлозу, некоторые антибиотики и глюкозу, (простейший представитель углеводов).


Глюкоза («виноградный сахар»)


C₆H₁₂O₆


Глюкоза – шестиатомный сахар – гексоза, моносахарид^*. Также является конечным продуктом гидролиза большинства ди- и полисахаридов. Существует (+) и D-глюкоза (декстроза).

O

C

| H

H – C – OH

|

HO – C – H

|

H – C – OH

|

H – C – OH

|

H₂ – C – OH


Глюкоза может существовать в виде соединений циклического характера.

1. α-D-глюкоза;
   

«Кольцо» «Кресло»

2. β- D-глюкоза.
   

«Кольцо» «Кресло»





Образованные глюкозой кольца не плоские, так как угол между связями 110° и имеют конфигурацию «кресло».

Находящийся в состоянии равновесия водный раствор глюкозы при комнатной температуре содержит:

64% – β-колец;

36% – α-колец;

~ 0,02% – с открытой цепью.

Глюкоза содержится в растворителях, фруктах и крови животных. Сахара, благодаря наличию в их составе альдегидных или кето-групп, обладают восстановительными свойствами:


Пример.


C₆H₁₂O₆ + Cu²⁺ → C₆H₁₂O₇ + Cu₂O↓ (кирпично-красный)

Cu²⁺ – в комплексном соединении;

C₆H₁₂O₇ – глюкозная кислота.


Фруктоза (плодовый сахар)


C₅H₁₀O₅


Фруктоза — моносахарид, который в свободном виде присутствует почти во всех сладких ягодах и плодах.

CН₂ОН (–) L

|

C = O

|

HO – C – H

|

H – C – OH

|

Н – C – ОH

|

H₂ – C – OH


Пентозы

C₅H₁₀O₅


Пентозы широко распространены в природе, встречаются в свободном виде, входят в состав гликозидов, полисахаридов. Являются структурными компонентами нуклеиновых кислот (с открытой цепью).


В РНК (α-D-рибоза):


Открытая цепь: Цикл:


O

C

| H

H – C – OH

|

H – C – OH

|

H – C – OH

|

H₂ – C – OH

D-рибоза α-D-рибоза


В ДНК:


Открытая цепь: Цикл:




O

C

| H

H – C – H

|

H – C – OH

|

H – C – OH

|

H₂ – C – OH

2-дезокси-D-рибоза α-2-дезокси-D-рибоза


Дисахариды




C₁₂H₂₂O₁₁


Дисахариды – это сахара, которые образуются при реакции конденсации между двумя моносахаридами с выделением воды, обычно гексозами. В результате реакции возникает связь между моносахаридами, называемая гликозидной связью. Обычно эта связь образуется между 1-м и 4-м углеродными атомами соседних моносахаридных единиц (1,4-гликозидная связь).


К ним относят^*:


1) Сахароза (пищевой сахара);


САХАРОЗА = D-ГЛЮКОЗА + D-ФРУКТОЗА





Сахарозу выделяют из сахарного тростника и сахарной свеклы.


2) Мальтоза (солодовый сахар);


МАЛЬТОЗА = D-ГЛЮКОЗА + D-ГЛЮКОЗА




Мальтоза образуется при ферментативном гидролизе крахмала (полиглюкоза).


3) Лактоза (молочный сахар).


ЛАКТОЗА = D-ГАЛАКТОЗА + D-ГЛЮКОЗА




Лактоза – это сахар, который содержится в молоке.

Дисахариды хорошо растворяются в воде, так как [OH] образует водородную связь с молекулами воды и между собой. При кристаллизации образуются твердые кристаллы.

Фруктоза слаще сахарозы. А глюкоза менее сладкая, чем сахароза.

Полисахариды


Полисахариды – углеводы, имеющие молекулы больших размеров.


К ним относят:


1) Крахмал;


Крахмал – полисахарид, состоящий из глюкозных цепей, тысячами связанными между собой разными способами. В нем все остатки ориентированы пространственно одинаково и удерживаются кислородными мостиками между атомами углерода, находясь в положении 1-4 как для мальтозы.

Крахмал содержится в семенах и клубнях картофеля, зерне, рисе.

При частичном гидролизе крахмала образуются полисахариды, которые называются дикстринами. Их применяют как связующий компонент в лекарственных таблетках. Крахмал также входит в состав клея на почтовых марках.


Реакция образования крахмала (качественная с йодом)


Крахмал образуется в результате фотосинтеза в зеленых растениях, при участии хлорофилла, который содержит атом магния.


hν

6CO₂ (г) + 6H₂O C₆H₁₂O₆ (в) + 6O₂↑

nC₆H₁₂O₆ (в) → (C₆H₁₀O₅)n (тв) + nH₂O

∆H = +2816кДж/Моль (эндотермическая реакция)

Для превращения 1 Моля СО₂ в С₆Н₁₂О₆ необходимо несколько молей фотонов.


Фотосинтез – очень сложный процесс, механизм которого до сих пор полностью не установлен.


2) Гликоген [(C₆H₁₀O₅)_n];


Гликоген содержится в крови и во внутренних органах человека и животного (преимущественно в печени.). Он является источником легкоусвояемого питания для тканей организма. При снижении содержания глюкозы в крови, гликоген быстро гидролизуется с образованием глюкозы.

3. Целлюлоза [(C₆H₇O₂(OH)₃)_n].
   

Целлюлоза – основной структурный компонент клеточных стенок. Особо ее много в древесине. Человеческий организм вырабатывает фермент, позволяющие при пищеварении усваивать крахмал, а не целлюлозу. Гидролизовать целлюлозу могут только коровы, другие животные таких ферментов не вырабатывают.


Сахара и крахмал – высшие пищевые продукты, за счет которых человек получает бо′льшую часть необходимой ему энергии.

Растения для синтеза сахаров, крахмала и целлюлозы получают энергию в виде солнечного света. В результате фотосинтеза образуется около 10¹²г крахмала и целлюлозы, при этом в атмосферу выделяется около 1,1∙10¹²кг кислорода, который восполняет кислород, используемый в процессах дыхания и горения.