Kratak sažetak teorije hemijske strukture organskih supstanci. Teorija strukture organskih jedinjenja A.M. Butlerov

Teorija strukture organskih jedinjenja: homologija i izomerija (strukturna i prostorna). Međusobni utjecaj atoma u molekulima

Teorija hemijske strukture organskih jedinjenja A. M. Butlerova

Kao za ne organska hemija Osnova za razvoj je periodični zakon i periodni sistem hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva; za organsku hemiju, teorija strukture organskih jedinjenja A. M. Butlerova postala je fundamentalna.

Glavni postulat Butlerovljeve teorije je stav o hemijska struktura supstance, koji se odnosi na red, redosled međusobnog povezivanja atoma u molekule, tj. hemijska veza.

Hemijska struktura se odnosi na red kombinacije atoma hemijskih elemenata u molekulu prema njihovoj valenciji.

Ovaj redoslijed se može prikazati pomoću strukturnih formula u kojima su valencije atoma označene crticama: jedna crtica odgovara jedinici valencije atoma kemijskog elementa. Na primjer, za organsku supstancu metan, koja ima molekularnu formulu $CH_4$, strukturna formula izgleda ovako:

Glavne odredbe teorije A. M. Butlerova

1. Atomi u molekulima organska materija su međusobno povezani prema svojoj valentnosti. Ugljik u organskim jedinjenjima uvijek je četverovalentan, a njegovi atomi mogu se kombinirati jedni s drugima, formirajući različite lance.
2. Svojstva supstanci određuju se ne samo njihovim kvalitativnim i kvantitativnim sastavom, već i redoslijedom povezivanja atoma u molekuli, odnosno kemijskom strukturom tvari.
3. Svojstva organskih spojeva ne ovise samo o sastavu tvari i redoslijedu povezivanja atoma u njegovoj molekuli, već i o međusobnom utjecaju atoma i grupa atoma jedni na druge.

Teorija strukture organskih jedinjenja je dinamična doktrina koja se razvija. Kako su se razvila saznanja o prirodi hemijskih veza i uticaju elektronske strukture molekula organskih materija, počeli su da se koriste, pored empirijski I strukturni, elektronski formule. Takve formule ukazuju na smjer pomicanja elektronskih parova u molekuli.

Kvantna hemija i hemija strukture organskih jedinjenja potvrdile su doktrinu o prostornom pravcu hemijskih veza ( cis- I trans izomerizam), proučavao energetske karakteristike međusobnih prijelaza u izomerima, omogućavajući nam da prosudimo međusobni utjecaj atoma u molekulima razne supstance, stvorio je preduslove za predviđanje tipova izomerizma i pravca i mehanizma hemijskih reakcija.

Organske supstance imaju niz karakteristika:

1. Sve organske tvari sadrže ugljik i vodik, pa pri sagorijevanju stvaraju ugljični dioksid i vodu.
2. Organske tvari su složene i mogu imati ogromnu molekularnu težinu (proteini, masti, ugljikohidrati).
3. Organske supstance se mogu poredati u nizove homologa sličnih po sastavu, strukturi i svojstvima.
4. Za organske supstance je karakteristično izomerizam.

Izomerija i homologija organskih supstanci

Svojstva organskih supstanci ne zavise samo od njihovog sastava, već i od redosleda povezivanja atoma u molekulu.

Izomerizam- ovo je fenomen postojanja različitih supstanci - izomera istog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, tj. sa istom molekularnom formulom.

Postoje dvije vrste izomerizma: strukturalni I prostorni (stereoizomerizam). Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po redoslijedu vezanja atoma u molekuli; stereoizomeri - raspored atoma u prostoru sa istim redosledom veza između njih.

Razlikuju se sljedeće vrste strukturne izomerije: izomerija ugljičnog skeleta, pozicijska izomerija, izomerija razne klase organska jedinjenja (međuklasna izomerija).

Strukturni izomerizam

Izomerizam ugljeničnog skeleta je zbog različitog reda veza između atoma ugljika koji formiraju kostur molekule. Kao što je već pokazano, molekularna formula $C_4H_(10)$ odgovara dva ugljovodonika: n-butanu i izobutanu. Za ugljovodonik $S_5N_(12)$ moguća su tri izomera: pentan, izopentan i neopentan:

$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(pentan)-CH_2-CH_3$

Kako se broj atoma ugljika u molekulu povećava, broj izomera se brzo povećava. Za ugljovodonik $S_(10)N_(22)$ već postoji 75$, a za ugljovodonik $S_(20)N_(44)$ - 366,319$.

Izomerizam položaja zbog različitog položaja višestruke veze, supstituenta, funkcionalne grupe sa istim ugljikovim skeletom molekula:

$CH_2=(CH-CH_2)↙(buten-1)-CH_3$ $CH_3-(CH=CH)↙(buten-2)-CH_3$

$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(n-propil alkohol(propanol-1))$

Izomerizam različitih klasa organskih jedinjenja (međuklasni izomerizam) je uzrokovan različitim položajima i kombinacijama atoma u molekulima tvari koje imaju istu molekulsku formulu, ali pripadaju različitim klasama. Dakle, molekulska formula $C_6H_(12)$ odgovara nezasićenom ugljovodoniku heksenu-1 i cikličkom ugljovodoniku cikloheksanu:

Izomeri su ugljovodonik srodan alkinima - butin-1 i ugljovodonik sa dve dvostruke veze u butadien-1,3 lancu:

$CH≡C-(CH_2)↙(butin-1)-CH_2$ $CH_2=(CH-CH)↙(butadien-1,3)=CH_2$

Dietil etar i butil alkohol imaju istu molekularnu formulu $C_4H_(10)O$:

$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"dietil eter")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"n-butil alkohol (1-butanol)")$

Strukturni izomeri su aminooctena kiselina i nitroetan, koji odgovaraju molekularnoj formuli $C_2H_5NO_2$:

Izomeri ovog tipa sadrže različite funkcionalne grupe i pripadaju različitim klasama supstanci. Stoga se po fizičkim i kemijskim svojstvima razlikuju mnogo više od izomera ugljičnog skeleta ili pozicijskih izomera.

Prostorni izomerizam

Prostorni izomerizam podijeljen je u dvije vrste: geometrijski i optički. Geometrijska izomerija je karakteristična za jedinjenja koja sadrže dvostruke veze i ciklička jedinjenja. Budući da je slobodna rotacija atoma oko dvostruke veze ili u prstenu nemoguća, supstituenti se mogu nalaziti ili na jednoj strani ravnine dvostruke veze ili prstena ( cis-pozicija), ili na suprotnim stranama ( trans-pozicija). Oznake cis- I trans- obično se naziva par identičnih supstituenata:

Geometrijski izomeri se razlikuju po fizičkim i hemijskim svojstvima.

Optički izomerizam nastaje kada je molekul nekompatibilan sa svojom slikom u ogledalu. To je moguće kada atom ugljika u molekuli ima četiri različita supstituenta. Ovaj atom se zove asimetrično. Primjer takvog molekula je molekul $α$-aminopropionske kiseline ($α$-alanin) $CH_3CH(NH_2)COOH$.

Molekul $α$-alanina ne može se poklopiti sa svojom slikom u ogledalu bez obzira na to kako se kreće. Takvi prostorni izomeri se nazivaju ogledalo, optički antipodi, ili enantiomeri. Sva fizička i skoro sva hemijska svojstva takvih izomera su identična.

Proučavanje optičke izomerije je neophodno kada se razmatraju mnoge reakcije koje se javljaju u tijelu. Većina ovih reakcija odvija se pod djelovanjem enzima – bioloških katalizatora. Molekuli ovih supstanci moraju odgovarati molekulima spojeva na koje djeluju, poput ključa od brave, stoga su prostorna struktura, relativni raspored presjeka molekula i drugi prostorni faktori od velike važnosti za tok ove reakcije. Takve reakcije se nazivaju stereoselektivni.

Većina prirodnih spojeva su pojedinačni enantiomeri, a njihovo biološko djelovanje oštro se razlikuje od svojstava njihovih optičkih antipoda dobivenih u laboratoriju. Sličnu razliku u biološkoj aktivnosti ima velika vrijednost, jer je u osnovi najvažnijeg svojstva svih živih organizama - metabolizma.

Homologna serija je niz supstanci raspoređenih u rastućem redosledu njihovih relativnih molekulskih masa, sličnih po strukturi i hemijskim svojstvima, pri čemu se svaki član razlikuje od prethodnog po homološkoj razlici $CH_2$. Na primjer: $CH_4$ - metan, $C_2H_6$ - etan, $C_3H_8$ - propan, $C_4H_(10)$ - butan, itd.

Vrste veza u molekulima organskih tvari. Hibridizacija atomskih orbitala ugljika. Radikalan. Funkcionalna grupa.

Vrste veza u molekulima organskih tvari.

U organskim jedinjenjima ugljenik je uvijek četverovalentan. U pobuđenom stanju, par $2s^3$ elektrona je slomljen u njegovom atomu i jedan od njih se pomiče na p-orbitalu:

Takav atom ima četiri nesparena elektrona i može sudjelovati u formiranju četiri kovalentne veze.

Na osnovu date elektronske formule za nivo valencije atoma ugljika, moglo bi se očekivati ​​da sadrži jedan $s$-elektron (sferna simetrična orbitala) i tri $p$-elektrona koji imaju međusobno okomite orbitale ($2r_h, 2r_u, 2p_z $- orbitalna). U stvarnosti, sva četiri valentna elektrona atoma ugljika potpuno ekvivalentan a uglovi između njihovih orbitala jednaki su $109°28"$. Osim toga, proračuni pokazuju da svaka od četiri hemijske veze ugljika u molekuli metana ($CH_4$) iznosi $25%$ $s-$ i $75%$ $p $-veza, tj. dešava se miješanje$s-$ i $p-$ stanja elektrona. Ovaj fenomen se zove hibridizacija, i mješovite orbitale - hibrid.

Atom ugljenika u $sp^3$-valentnom stanju ima četiri orbitale, od kojih svaka sadrži jedan elektron. U skladu sa teorijom kovalentnih veza, ima sposobnost formiranja četiri kovalentne veze sa atomima bilo kojeg monovalentnog elementa ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) ili sa drugim atomima ugljika. Takve veze se nazivaju $σ$-veze. Ako atom ugljika ima jednu $C-C$ vezu, onda se zove primarni($N_3S-SN_3$), ako su dva - sekundarno($N_3S-SN_2-SN_3$), ako su tri - tercijarni (), a ako četiri - kvartarni ().

Jedna od karakterističnih karakteristika atoma ugljika je njihova sposobnost da formiraju hemijske veze dijeljenjem samo $p$ elektrona. Takve veze se nazivaju $π$-veze. $π$ veze u molekulima organskih jedinjenja nastaju samo u prisustvu $σ$ veza između atoma. Tako su u molekuli etilena $H_2C=CH_2$ atomi ugljika povezani $σ-$ i jednom $π$ vezom, u molekuli acetilena $HC=CH$ - jednom $σ-$ i dvije $π$ vezom . Hemijske veze nastale uz učešće $π$ veza nazivaju se višestruki(u molekulu etilena - duplo, u molekuli acetilena - trostruko), i jedinjenja sa višestrukim vezama - nezasićeni.

Fenomen$sp^3$-, $sp^2$- I$sp$ - hibridizacija atoma ugljika.

Kada se formiraju $π$ veze, mijenja se hibridno stanje atomskih orbitala atoma ugljika. Budući da do formiranja $π$-veza dolazi zbog p-elektrona, onda će u molekulima s dvostrukom vezom elektroni imati $sp^2$-hibridizaciju (bilo je $sp^3$, ali jedan p-elektron ide u $π$- orbitala), a sa trostrukom - $sp$-hibridizacijom (dva p-elektrona otišla su na $π$-orbitalnu). Priroda hibridizacije mijenja smjer $σ$-veza. Ako tokom $sp^3$-hibridizacije formiraju prostorno razgranate strukture ($a$), onda tokom $sp^2$-hibridizacije svi atomi leže u istoj ravni i uglovi između $σ$-veza su jednaki $120° $(b) , a sa $sp$-hibridizacijom molekul je linearan (c):

U ovom slučaju, ose $π$-orbitala su okomite na osu $σ$-veze.

I $σ$- i $π$-veze su kovalentne, što znači da se moraju karakterizirati dužinom, energijom, prostornim smjerom i polaritetom.

Karakteristike jednostrukih i višestrukih veza između C atoma.

Radikalan. Funkcionalna grupa.

Jedna od karakteristika organskih jedinjenja je da u hemijskim reakcijama njihovi molekuli ne razmenjuju pojedinačne atome, već grupe atoma. Ako se ova grupa atoma sastoji samo od atoma ugljika i vodika, onda se zove ugljovodonični radikal, ako ima atome drugih elemenata, onda se zove funkcionalna grupa. Tako, na primjer, metil ($SN_3$-) i etil ($S_2N_5$-) su ugljikovodični radikali, a hidroksi grupa (-$ON$), aldehidna grupa ( ), nitro grupa (-$NO_2$), itd. su funkcionalne grupe alkohola, aldehida i jedinjenja koja sadrže azot, respektivno.

Tipično, funkcionalna grupa određuje hemijska svojstva organskog jedinjenja i stoga je osnova za njihovu klasifikaciju.

Predavanje 15

Teorija strukture organskih supstanci. Glavne klase organskih jedinjenja.

organska hemija - nauka koja proučava organsku materiju. Inače se može definirati kao hemija jedinjenja ugljenika. Potonji zauzima posebno mjesto u periodnom sistemu D.I. Mendeljejeva po raznovrsnosti jedinjenja, kojih je poznato oko 15 miliona, dok je broj neorganskih jedinjenja petsto hiljada. Čovječanstvu su od davnina poznate organske tvari, kao što su šećer, biljne i životinjske masti, boje, mirisne i ljekovite tvari. Postepeno su ljudi učili preradom ovih supstanci da dobijaju razne vredne organske proizvode: vino, sirće, sapun itd. Napredak organske hemije zasniva se na dostignućima u oblasti hemije proteinskih supstanci, nukleinske kiseline, vitamini itd. Velika vrijednost organska hemija je važna za razvoj medicine, budući da su ogromna većina lijekova organska jedinjenja ne samo prirodnog porijekla, već i dobivena uglavnom sintezom. Izuzetan značaj visoke molekularne težine organska jedinjenja (sintetičke smole, plastike, vlakna, sintetičke gume, boje, herbicidi, insekticidi, fungicidi, defolijanti...). Organska hemija je od velikog značaja za proizvodnju hrane i industrijskih proizvoda.

Savremena organska hemija duboko je prodrla u hemijske procese koji se dešavaju tokom skladištenja i prerade prehrambenih proizvoda: procese sušenja, užeglosti i saponifikacije ulja, fermentacije, pečenja, fermentacije, proizvodnje pića, u proizvodnji mlečnih proizvoda itd. Otkriće i proučavanje enzima i parfema i kozmetike također je odigralo veliku ulogu.

Jedan od razloga za široku raznolikost organskih spojeva je jedinstvenost njihove strukture, koja se očituje u stvaranju kovalentnih veza i lanaca od strane atoma ugljika, različite vrste i dužine. Štoviše, broj vezanih atoma ugljika u njima može doseći desetine hiljada, a konfiguracija ugljikovih lanaca može biti linearna ili ciklična. Pored atoma ugljika, lanci mogu sadržavati kisik, dušik, sumpor, fosfor, arsen, silicijum, kalaj, olovo, titan, željezo itd.

Manifestacija ovih svojstava ugljikom je zbog nekoliko razloga. Potvrđeno je da su energije C–C i C–O veza uporedive. Ugljik ima sposobnost formiranja tri tipa orbitalne hibridizacije: četiri sp 3 - hibridne orbitale, njihova orijentacija u prostoru je tetraedarska i odgovara jednostavno kovalentne veze; tri hibridne sp 2 orbitale locirane u istoj ravni, u kombinaciji sa nehibridnom orbitalom, formiraju dvostruki višekratnici veze (─S = S─); također uz pomoć sp - hibridnih orbitala linearne orijentacije i nehibridnih orbitala između ugljikovih atoma nastaju trostruki višestruki veze (─ C ≡ C ─) Štaviše, atomi ugljenika formiraju ove vrste veza ne samo međusobno, već i sa drugim elementima. dakle, moderna teorija Struktura materije objašnjava ne samo značajan broj organskih jedinjenja, već i uticaj njihove hemijske strukture na njihova svojstva.

Također u potpunosti potvrđuje osnove teorije hemijske strukture, koji je razvio veliki ruski naučnik A.M. Butlerov. Njegove glavne odredbe:

1) u organskim molekulima atomi su međusobno povezani određenim redosledom prema njihovoj valenci, što određuje strukturu molekula;

2) svojstva organskih jedinjenja zavise od prirode i broja atoma koji su u njima sastavni, kao i od hemijske strukture molekula;

3) svaka hemijska formula odgovara određenom broju mogućih izomernih struktura;

4) svako organsko jedinjenje ima jednu formulu i određena svojstva;

5) u molekulima postoji međusobni uticaj atoma jedan na drugog.

Klase organskih jedinjenja

Prema teoriji, organska jedinjenja dijele se u dvije serije - aciklična i ciklična jedinjenja.

1. Aciklična jedinjenja.(alkani, alkeni) sadrže otvoreni, nezatvoreni ugljikov lanac - ravan ili razgranat:

N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N H─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N │ N

Normalni butan izobutan (metilpropan)

2. a) Aliciklična jedinjenja– jedinjenja koja imaju zatvorene (ciklične) ugljične lance u svojim molekulima:

ciklobutan cikloheksan

b) aromatična jedinjenja,čiji molekuli sadrže benzenski kostur - šestočlani prsten s naizmjeničnim jednostrukim i dvostrukim vezama (areni):

c) Heterociklična jedinjenja– ciklična jedinjenja koja pored atoma ugljenika sadrže azot, sumpor, kiseonik, fosfor i neke elemente u tragovima, koji se nazivaju heteroatomi.

furan pirol piridin

U svakom redu organske supstance su raspoređene u klase - ugljovodonici, alkoholi, aldehidi, ketoni, kiseline, estri u skladu sa prirodom funkcionalne grupe njihovih molekula.

Postoji i klasifikacija prema stepenu zasićenosti i funkcionalnim grupama. Prema stepenu zasićenosti razlikuju se:

1. Izuzetno zasićeno– ugljenični kostur sadrži samo jednostruke veze.

─S─S─S─

2. Nezasićeno nezasićeno– u ugljeničnom skeletu postoje višestruke (=, ≡) veze.

─S=S─ ─S≡S─

3. Aromatično– nezasićeni ciklusi sa konjugacijom prstena (4n + 2) π-elektrona.

Po funkcionalnim grupama

1. Alkoholi R-CH 2 OH

2. Fenoli

3. Aldehidi R─COH Ketoni R─C─R

4. Karboksilne kiseline R─COOH O

5. Esteri R─COOR 1

Tema: Osnovni principi teorije strukture organskih jedinjenja A. M. Butlerova.

Teoriju o hemijskoj strukturi organskih jedinjenja, koju je izneo A. M. Butlerov u drugoj polovini prošlog veka (1861), potvrdili su radovi mnogih naučnika, uključujući Butlerovljeve učenike i njega samog. Pokazalo se da je na njegovoj osnovi moguće objasniti mnoge pojave koje do tada nisu imale tumačenje: homologiju, ispoljavanje tetravalencije atoma ugljika u organskim supstancama. Teorija je također ispunila svoju prediktivnu funkciju: na njenoj osnovi naučnici su predvidjeli postojanje još uvijek nepoznatih spojeva, opisali njihova svojstva i otkrili ih. Dakle, 1862–1864. A. M. Butlerov je ispitao propil, butil i amil alkohol, odredio broj mogućih izomera i izveo formule ovih supstanci. Njihovo postojanje kasnije je eksperimentalno dokazano, a neke od izomera sintetizirao je sam Butlerov.

Tokom 20. vijeka. odredbe teorije hemijske strukture hemijskih jedinjenja razvijene su na osnovu novih pogleda koji su se širili u nauci: teorije strukture atoma, teorije hemijskih veza, ideja o mehanizmima hemijskih reakcija. Trenutno je ova teorija univerzalna, odnosno vrijedi ne samo za organske tvari, već i za neorganske.

Prva pozicija. Atomi u molekulima se kombinuju određenim redosledom prema njihovoj valentnosti. Ugljik u svim organskim i većini neorganskih spojeva je četverovalentan.

Očigledno, posljednji dio prve pozicije teorije može se lako objasniti činjenicom da su atomi ugljika u jedinjenjima u pobuđenom stanju:

Četverovalentni atomi ugljika mogu se kombinirati jedni s drugima kako bi formirali različite lance:

Redoslijed povezivanja ugljikovih atoma u molekulama može biti različit i ovisi o vrsti kovalentne kemijske veze između atoma ugljika - jednostruke ili višestruke (dvostruke i trostruke):

Druga pozicija. Svojstva supstanci ne zavise samo od njihovog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, već i od strukture njihovih molekula.

Ova pozicija objašnjava fenomen.

Supstance koje imaju isti sastav, ali različite hemijske ili prostorne strukture, a samim tim i različita svojstva, nazivaju se izomeri.

Glavne vrste:

Strukturni izomerizam, u kojem se tvari razlikuju po redoslijedu vezanja atoma u molekulama: ugljični kostur

pozicije višestrukih obveznica:

poslanika

pozicije funkcionalnih grupa

Treća pozicija. Svojstva supstanci zavise od međusobnog uticaja atoma u molekulima.

Na primjer, u octenoj kiselini samo jedan od četiri atoma vodika reagira s alkalijom. Na osnovu ovoga, može se pretpostaviti da je samo jedan atom vodika vezan za kisik:

S druge strane, iz strukturne formule sirćetne kiseline možemo zaključiti da ona sadrži jedan mobilni atom vodika, odnosno da je jednobazna.

Glavni pravci razvoja teorije strukture hemijskih jedinjenja i njen značaj.

Za vrijeme A.M. Butlerova, organska hemija je bila široko korištena

empirijske (molekularne) i strukturne formule. Potonji odražavaju redoslijed povezivanja atoma u molekulu prema njihovoj valenciji, što je označeno crticama.

Radi lakšeg snimanja, često se koriste skraćene strukturne formule u kojima crtice označavaju samo veze između atoma ugljika ili ugljika i kisika.

I vlakna, proizvodi od kojih se koriste u tehnici, svakodnevnom životu, medicini i poljoprivredi. Značaj teorije hemijske strukture A. M. Butlerova za organsku hemiju može se uporediti sa značajem periodični zakon i Periodni sistem hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva za neorgansku hemiju. Nije uzalud da obje teorije imaju toliko zajedničkog u načinima svog formiranja, pravcima razvoja i općem naučnom značaju.

Sve tvari koje sadrže atom ugljika, osim karbonata, karbida, cijanida, tiocijanata i ugljične kiseline, su organska jedinjenja. To znači da ih živi organizmi mogu stvoriti od atoma ugljika putem enzimskih ili drugih reakcija. Danas se mnoge organske tvari mogu sintetizirati umjetno, što omogućava razvoj medicine i farmakologije, kao i stvaranje polimernih i kompozitnih materijala visoke čvrstoće.

Klasifikacija organskih jedinjenja

Organska jedinjenja su najbrojnija klasa supstanci. Ovdje postoji oko 20 vrsta supstanci. Imaju različite hemijske osobine, različite fizičkih kvaliteta. Njihova tačka topljenja, masa, isparljivost i rastvorljivost, kao i njihovo stanje agregacije u normalnim uslovima su takođe različiti. Među njima:

• ugljovodonici (alkani, alkini, alkeni, alkadieni, cikloalkani, aromatični ugljovodonici);
• aldehidi;
• ketoni;
• alkoholi (dihidrični, monohidrični, polihidrični);
• eteri;
• esteri;
• karboksilne kiseline;
• amini;
• amino kiseline;
• ugljikohidrati;
• masti;
• proteini;
• biopolimeri i sintetički polimeri.

Ova klasifikacija odražava karakteristike hemijske strukture i prisustvo specifičnih atomskih grupa koje određuju razliku u svojstvima određene supstance. Općenito, klasifikacija, koja se temelji na konfiguraciji ugljičnog skeleta i ne uzima u obzir karakteristike kemijskih interakcija, izgleda drugačije. Prema njegovim odredbama, organska jedinjenja se dijele na:

• alifatska jedinjenja;
• aromatike;
• heterocikličke supstance.

Ove klase organskih jedinjenja mogu imati izomere u različitim grupama supstanci. Osobine izomera su različite, iako su atomski sastav može biti isto. Ovo proizilazi iz odredbi koje je postavio A.M. Butlerov. Također, teorija strukture organskih jedinjenja je vodeća osnova za sva istraživanja u organskoj hemiji. Postavljen je na isti nivo kao i Mendeljejevljev periodični zakon.

Sam koncept hemijske strukture uveo je A.M. Butlerov. Pojavio se u istoriji hemije 19. septembra 1861. godine. Ranije je bilo u nauci različita mišljenja, a neki naučnici su potpuno negirali prisustvo molekula i atoma. Stoga nije bilo reda u organskoj i neorganskoj hemiji. Štaviše, nije bilo obrazaca po kojima bi se mogla suditi o svojstvima određenih supstanci. Istovremeno, postojala su jedinjenja koja su, sa istim sastavom, pokazivala različita svojstva.

Izjave A.M. Butlerova su u velikoj mjeri usmjerile razvoj hemije u pravom smjeru i stvorile za to vrlo čvrstu osnovu. Kroz njega je bilo moguće sistematizirati nagomilane činjenice, naime, kemijska ili fizička svojstva određenih tvari, obrasci njihovog ulaska u reakcije itd. Čak je i predviđanje načina dobivanja spojeva i prisutnost nekih općih svojstava postalo moguće zahvaljujući ovoj teoriji. I što je najvažnije, A.M. Butlerov je pokazao da se struktura molekula tvari može objasniti s gledišta električnih interakcija.

Logika teorije strukture organskih supstanci

Budući da su prije 1861. mnogi u hemiji odbacivali postojanje atoma ili molekula, teorija organskih jedinjenja postala je revolucionarni prijedlog za naučni svijet. A kako sam A. M. Butlerov polazi samo od materijalističkih zaključaka, uspio je opovrgnuti filozofske ideje o organskoj materiji.

Bio je u stanju da pokaže da se molekularna struktura može eksperimentalno prepoznati kroz hemijske reakcije. Na primjer, sastav bilo kojeg ugljikohidrata može se odrediti spaljivanjem određene količine i brojanjem rezultirajuće vode i ugljičnog dioksida. Količina azota u molekulu amina se takođe izračunava tokom sagorevanja merenjem zapremine gasova i izolovanjem hemijske količine molekularnog azota.

Ako Butlerovljeve prosudbe o hemijskoj strukturi zavisnoj od strukture razmotrimo u suprotnom smjeru, nameće se novi zaključak. Naime: poznavajući hemijsku strukturu i sastav supstance, empirijski se mogu pretpostaviti njena svojstva. Ali što je najvažnije, Butlerov je objasnio da u organskoj tvari postoji ogroman broj tvari koje pokazuju različita svojstva, ali imaju isti sastav.

Opće odredbe teorije

Razmatrajući i proučavajući organska jedinjenja, A. M. Butlerov je izveo neke od najvažnijih principa. Kombinovao ih je u teoriju koja objašnjava strukturu hemijskih supstanci organskog porekla. Teorija je sljedeća:

• u molekulima organskih supstanci atomi su međusobno povezani u strogo određenom nizu, koji zavisi od valencije;
• hemijska struktura je neposredni red prema kojem su atomi u organskim molekulima povezani;
• hemijska struktura određuje prisustvo svojstava organskog jedinjenja;
• ovisno o strukturi molekula s istim kvantitativnim sastavom, mogu se pojaviti različita svojstva tvari;
• sve atomske grupe koje učestvuju u formiranju hemijskog jedinjenja međusobno utiču jedna na drugu.

Sve klase organskih jedinjenja izgrađene su prema principima ove teorije. Nakon što je postavio temelje, A. M. Butlerov je uspio proširiti hemiju kao naučnu oblast. On je objasnio da je zbog činjenice da u organskim supstancama ugljenik pokazuje valencu četiri, određena raznolikost ovih jedinjenja. Prisustvo mnogih aktivnih atomskih grupa određuje da li supstanca pripada određenoj klasi. I upravo zbog prisustva specifičnih atomskih grupa (radikala) pojavljuju se fizička i hemijska svojstva.

Ugljovodonici i njihovi derivati

Ova organska jedinjenja ugljika i vodika su po sastavu najjednostavniji među svim supstancama u grupi. Predstavljeni su podklasom alkana i cikloalkana (zasićeni ugljovodonici), alkeni, alkadieni i alkatrieni, alkini (nezasićeni ugljovodonici), kao i podklasom aromatičnih supstanci. U alkanima su svi atomi ugljika povezani samo jednom C-C vezom, zbog čega se u sastav ugljikovodika ne može ugraditi niti jedan atom H.

U nezasićenim ugljovodonicima, vodonik se može ugraditi na mjesto dvostruke C=C veze. Takođe, C-C veza može biti trostruka (alkini). To omogućava ovim tvarima da uđu u mnoge reakcije koje uključuju redukciju ili dodavanje radikala. Radi lakšeg proučavanja njihove sposobnosti da reaguju, sve ostale supstance se smatraju derivatima jedne od klasa ugljikovodika.

Alkoholi

Alkoholi su organska hemijska jedinjenja koja su složenija od ugljovodonika. Sintetiziraju se kao rezultat enzimskih reakcija u živim stanicama. Najtipičniji primjer je sinteza etanola iz glukoze kao rezultat fermentacije.

U industriji se alkoholi dobijaju iz halogenih derivata ugljovodonika. Kao rezultat zamjene atoma halogena hidroksilnom grupom, nastaju alkoholi. Monohidrični alkoholi sadrže samo jednu hidroksilnu grupu, polihidrični alkoholi sadrže dvije ili više. Primjer dihidričnog alkohola je etilen glikol. Polihidrični alkohol je glicerin. Opšta formula alkohola je R-OH (R je ugljenični lanac).

Aldehidi i ketoni

Nakon što alkoholi uđu u reakcije organskih jedinjenja koje su povezane sa apstrakcijom vodika iz alkoholne (hidroksilne) grupe, dvostruka veza između kiseonika i ugljika se zatvara. Ako se ova reakcija odvija kroz alkoholnu grupu koja se nalazi na terminalnom atomu ugljika, rezultira stvaranjem aldehida. Ako se atom ugljika s alkoholom ne nalazi na kraju ugljičnog lanca, tada je rezultat reakcije dehidracije proizvodnja ketona. Opšta formula ketona je R-CO-R, aldehida R-COH (R je ugljikovodični radikal lanca).

Estri (jednostavni i složeni)

Hemijska struktura organskih jedinjenja ove klase je komplikovana. Eteri se smatraju produktima reakcije između dva molekula alkohola. Kada se voda ukloni iz njih, formira se spoj uzorak R-O-R. Mehanizam reakcije: apstrakcija vodikovog protona iz jednog alkohola i hidroksilne grupe iz drugog alkohola.

Esteri su produkti reakcije između alkohola i organske karboksilne kiseline. Mehanizam reakcije: eliminacija vode iz grupe alkohola i ugljenika oba molekula. Od kiseline se odvaja vodonik (na hidroksilnoj grupi), a sama OH grupa se odvaja od alkohola. Dobiveni spoj je prikazan kao R-CO-O-R, gdje bukva R označava radikale - preostale dijelove karbonskog lanca.

Karboksilne kiseline i amini

Karboksilne kiseline su posebne supstance koje igraju važnu ulogu u funkcionisanju ćelije. Hemijska struktura organskih jedinjenja je sljedeća: ugljikovodični radikal (R) sa karboksilnom grupom (-COOH) vezanom za njega. Karboksilna grupa se može nalaziti samo na najudaljenijem atomu ugljenika, jer je valencija C u (-COOH) grupi 4.

Amina je više jednostavne veze, koji su derivati ​​ugljovodonika. Ovdje se na bilo kojem atomu ugljika nalazi radikal amina (-NH2). Postoje primarni amini u kojima je grupa (-NH2) vezana za jedan ugljenik (opšta formula R-NH2). U sekundarnim aminima, azot se kombinuje sa dva atoma ugljenika (formula R-NH-R). U tercijarnim aminima, dušik je povezan s tri atoma ugljika (R3N), gdje je p radikal, ugljikov lanac.

Amino kiseline

Aminokiseline su kompleksna jedinjenja koja pokazuju svojstva i amina i kiselina organskog porekla. Postoji nekoliko vrsta njih, ovisno o položaju aminske grupe u odnosu na karboksilnu grupu. Najvažnije su alfa aminokiseline. Ovdje se aminska grupa nalazi na atomu ugljika za koji je vezana karboksilna grupa. Ovo omogućava stvaranje peptidne veze i sintezu proteina.

Ugljikohidrati i masti

Ugljikohidrati su aldehidni alkoholi ili keto alkoholi. To su jedinjenja linearne ili ciklične strukture, kao i polimeri (škrob, celuloza i drugi). Njihova najvažnija uloga u ćeliji je strukturna i energetska. Masti, odnosno lipidi, obavljaju iste funkcije, samo što sudjeluju u drugim. biohemijski procesi. Sa stanovišta hemijske strukture, mast je estar organskih kiselina i glicerola.

1. Osnovni principi teorije hemijske strukture A.M. Butlerov

1. Atomi u molekulima povezani su jedni s drugima u određenom nizu prema svojim valencijama. Redoslijed međuatomskih veza u molekulu naziva se njegova kemijska struktura i odražava se jednom strukturnom formulom (formulom strukture).

2. Hemijska struktura se može odrediti hemijskim metodama. (Trenutno se koriste i moderne fizikalne metode).

3. Svojstva supstanci zavise od njihove hemijske strukture.

4. Na osnovu svojstava date supstance može se odrediti struktura njenog molekula, a na osnovu strukture molekula mogu se predvideti svojstva.

5. Atomi i grupe atoma u molekulu međusobno utiču jedni na druge.

Molekul organskog jedinjenja je skup atoma povezanih određenim redom, obično kovalentnim vezama. U ovom slučaju, vezani atomi mogu se razlikovati po elektronegativnosti. Vrijednosti elektronegativnosti u velikoj mjeri određuju tako važne karakteristike veze kao što su polaritet i snaga (energija formiranja). Zauzvrat, polaritet i snaga veza u molekulu, u velikoj mjeri, određuju sposobnost molekula da uđe u određene hemijske reakcije.

Elektronegativnost atoma ugljika ovisi o njegovom hibridizacijskom stanju. To je zbog udjela s orbitale u hibridnoj orbitali: manji je za sp3 a više za sp2 i sp hibridne atome.

Svi atomi koji čine molekul su međusobno povezani i podložni su međusobnom utjecaju. Ovaj uticaj se prenosi uglavnom kroz sistem kovalentnih veza, koristeći takozvane elektronske efekte.

Elektronski efekti se nazivaju pomaci u gustini elektrona u molekulu pod uticajem supstituenata.

Atomi povezani polarnom vezom nose djelomične naboje, označene grčkim slovom delta (d). Atom koji "vuče" gustinu elektrona s-veze u svom pravcu dobija negativni naboj d-. Kada se razmatra par atoma povezanih kovalentnom vezom, elektronegativniji atom naziva se akceptor elektrona. Njegov partner na s-vezi će prema tome imati deficit elektronske gustine jednake veličine, tj. parcijalni pozitivni naboj d+ će se zvati donor elektrona.

Pomak elektronske gustine duž lanca s-veza naziva se induktivni efekat i označava se I.

2. Izomerizam- postojanje jedinjenja (uglavnom organskih), identičnih po elementarnom sastavu i molekulskoj težini, ali različitih fizičkih i hemijskih svojstava. Takva jedinjenja nazivaju se izomeri.

Strukturni izomerizam- rezultat razlika u hemijskoj strukturi. Ova vrsta uključuje:

Izomerizam ugljičnog skeleta, zbog različitog reda vezivanja atoma ugljika. Najjednostavniji primjer je butan CH3-CH2-CH2-CH3 i izobutan (CH3)3CH. Drugi primjeri: antracen i fenantren (formule I i II, respektivno), ciklobutan i metilciklopropan (III i IV).

Valentni izomerizam je posebna vrsta strukturne izomerije u kojoj se izomeri mogu pretvoriti jedan u drugi samo preraspodjelom veza. Na primjer, valentni izomeri benzena (V) su bicikloheksa-2,5-dien (VI, “Dewar benzen”), prizman (VII, “Ladenburg benzen”) i benzvalen (VIII).

Izomerizam funkcionalne grupe - Razlikuje se po prirodi funkcionalne grupe; na primjer, etanol (CH3-CH2-OH) i dimetil etar (CH3-O-CH3).

Izomerizam položaja- Vrsta strukturne izomerizma, koju karakteriše razlika u položaju identičnih funkcionalnih grupa ili dvostrukih veza sa istim ugljeničnim skeletom. Primjer: 2-klorobutanska kiselina i 4-klorobutanska kiselina.

Enantiomeri (optički izomeri, zrcalni izomeri) su parovi optičkih antipoda - tvari koje karakteriziraju suprotne po predznaku i jednake po veličini rotacije ravnine polarizacije svjetlosti uz istovjetnost svih ostalih fizičkih i kemijskih svojstava (osim reakcija s drugim optički aktivnim). supstance i fizička svojstva u kiralnom okruženju). Neophodan i dovoljan razlog za pojavu optičkih antipoda je da molekul pripada jednoj od sledećih grupa tačkaste simetrije: Cn, Dn, T, O ili I (kiralnost). Češće mi pričamo o tome o asimetričnom atomu ugljika, odnosno atomu povezanom s četiri različita supstituenta.

3. sp³-hibridizacija - Javlja se kada su jedna s i tri p orbitale pomiješane. Pojavljuju se četiri identične orbitale, locirane jedna u odnosu na drugu pod tetraedarskim uglovima od 109° 28' (109,47°), dužine 0,154 nm.

Za atom ugljika i druge elemente 2. perioda, ovaj proces se odvija prema sljedećoj shemi:

2s + 2px + 2py + 2pz = 4 (2sp3)

Alkanes(zasićeni ugljovodonici, parafini, alifatska jedinjenja) - aciklični ugljovodonici linearne ili razgranate strukture, koji sadrže samo jednostavne veze i formiraju homologni niz sa opštom formulom CnH2n+2 .Hemijska struktura alkina(redoslijed povezivanja atoma u molekulima) najjednostavnijih alkana - metana, etana i propana - prikazan je njihovim strukturnim formulama datim u odjeljku 2. Iz ovih formula je jasno da postoje dvije vrste hemijskih veza u alkanima:

S-S i S-N. C-C veza je kovalentna nepolarna. C-H veza je kovalentna, slabo polarna, jer ugljik i vodonik su bliski po elektronegativnosti

P-orbitala koja nije uključena u hibridizaciju, smještena okomito na ravan σ obveznice, koristi se za formiranje π veza s drugim atomima. Ova geometrija ugljenika je karakteristična za grafit, fenol itd.

Vezni ugao- ugao formiran pravcima hemijskih veza koje izlaze iz jednog atoma. Poznavanje veznih uglova je neophodno za određivanje geometrije molekula. Spojni uglovi zavise od oba individualne karakteristike vezanih atoma, i od hibridizacije atomskih orbitala centralnog atoma. Za jednostavne molekule, ugao veze, kao i drugi geometrijski parametri molekula, može se izračunati pomoću metoda kvantne hemije. Oni se određuju eksperimentalno iz vrijednosti momenata inercije molekula dobivenih analizom njihovih rotacijskih spektra (vidi Infracrvena spektroskopija, Molekularni spektri, Mikrovalna spektroskopija). Ugao veze složenih molekula određen je metodama difrakcijske strukturne analize.

4. sp2-Hibridizacija (planarno-trigonalna) Jedna s i dvije p orbitale se miješaju kako bi formirale tri ekvivalentne sp2 hibridne orbitale smještene u istoj ravni pod uglom od 120° (označeno plavom bojom). Mogu formirati tri σ veze. Treća p-orbitala ostaje nehibridizirana i orijentirana je okomito na ravan lokacije hibridnih orbitala. Ovaj p-AO je uključen u formiranje π veze . Za elemente 2. perioda, proces sp2 hibridizacije odvija se prema sljedećoj shemi:

2s + 2px + 2py = 3 (2sp2)

Drugo valentno stanje atoma ugljika. Postoje organske tvari u kojima je atom ugljika vezan ne za četiri, već za tri susjedna atoma, dok ostaje četverovalentan

5. sp-Hibridizacija (linearna) Jedna s i jedna p orbita se miješaju da formiraju dvije jednake sp orbitale smještene pod uglom od 180, tj. na jednoj osi. Hibridne sp orbitale su uključene u formiranje dvije σ veze. Dvije p-orbitale nisu hibridizirane i nalaze se u međusobno okomitim ravninama. -Orbitali formiraju dvije π veze u jedinjenjima.

Za elemente 2. perioda, sp-hibridizacija se odvija prema sljedećoj shemi:

2s + 2px= 2 (2sp)

2py- i 2pz-AO se ne mijenjaju.

Acetilen— nezasićeni ugljovodonik C2H2. Ima trostruku vezu između atoma ugljika, pripada klasi alkina

Atomi ugljika u acetilenu su sp-hibridizirani. Povezani su jednom ili dvije veze, max. čije se gustine nalaze u dva međusobno okomita područja, tvoreći cilindrično. oblak elektronske gustine; izvan njega postoje H atomi.

METHYLACETYLENE(propin, alilen) CH3C=CH. Prema hemiji Sveti M. je tipičan predstavnik acetilenskih ugljovodonika. Lako ulazi u elektrof., nukleof. i radikalno dodavanje kod trostruke veze, na primjer. prilikom interakcije sa metanolom formira metil izopropenil etar.

6. Vrste komunikacije - Metalna veza, Kovalentna veza, Jonska veza, Vodikova veza

Jonska veza- jaka hemijska veza nastala između atoma sa velikom razlikom u elektronegativnosti, u kojoj se zajednički elektronski par potpuno prenosi na atom sa višom elektronegativnošću. Primjer je jedinjenje CsF, u kojem je “stepen ionnosti” 97%.

ekstremni slučaj polarizacije polarne kovalentne veze. Formira se između tipičnog metala i nemetala. U ovom slučaju, elektroni iz metala se u potpunosti prenose na nemetal. Nastaju joni.

Ako se kemijska veza formira između atoma koji imaju vrlo veliku razliku u elektronegativnosti (EO > 1,7 prema Paulingu), tada se zajednički elektronski par potpuno prenosi na atom s većim EO. Rezultat toga je stvaranje spoja suprotno nabijenih jona.

Kovalentna veza(atomska veza, homeopolarna veza) - hemijska veza nastala preklapanjem (dijeljenjem) para oblaka valentnih elektrona. Elektronski oblaci (elektroni) koji pružaju komunikaciju nazivaju se zajedničkim elektronskim parom.

Jednostavna kovalentna veza se formira od dva nesparena valentna elektrona, po jedan iz svakog atoma:

Kao rezultat socijalizacije, elektroni formiraju ispunjen energetski nivo. Veza se formira ako je njihova ukupna energija na ovom nivou manja nego u početnom stanju (a razlika u energiji neće biti ništa više od energije veze).

Ispunjavanje atomskih (na rubovima) i molekularnih (u centru) orbitala u molekuli H2 elektronima. Vertikalna os odgovara energetskom nivou, elektroni su označeni strelicama koje odražavaju njihove spinove.

Prema teoriji molekularnih orbitala, preklapanje dvije atomske orbitale dovodi, u najjednostavnijem slučaju, do formiranja dvije molekularne orbitale (MO): vezujuće MO i antivezujuće (antivezujuće) MO. Zajednički elektroni se nalaze na donjoj energetskoj veznoj MO.

7. Alkanes- aciklični ugljovodonici linearne ili razgranate strukture, koji sadrže samo jednostavne veze i formiraju homologni niz sa opštom formulom CnH2n+2.

Alkani su zasićeni ugljikovodici i sadrže najveći mogući broj atoma vodika. Svaki atom ugljika u molekulama alkana je u stanju sp³-hibridizacije - sve 4 hibridne orbitale C atoma su jednake po obliku i energiji, 4 elektronska oblaka su usmjerena na vrhove tetraedra pod uglovima od 109°28". na jednostruke veze između C atoma, slobodna rotacija oko ugljične veze.Tip ugljične veze je σ-veza, veze su niskopolarne i slabo polarizabilne.Dužina ugljične veze je 0,154 nm.

Izomerizam zasićenih ugljikovodika posljedica je najjednostavnijeg tipa strukturne izomerizma - izomerizma ugljičnog skeleta. Homologno razlika - -CH2-. Alkani sa više od tri atoma ugljenika imaju izomere. Broj ovih izomera raste ogromnom brzinom kako se povećava broj atoma ugljika. Za alkane sa n = 1...12, broj izomera je 1, 1, 1, 2, 3, 5, 9, 18, 35, 75, 159, 355.

nomenklatura - Racionalno. Odabire se jedan od atoma ugljikovog lanca, smatra se supstituiranim metanom, a na njemu se temelji naziv alkil1alkil2alkil3alkil4metan

Potvrda. Redukcija halogeniranih alkana. Smanjenje alkohola. Redukcija karbonilnih jedinjenja. Hidrogenacija nezasićenih ugljovodonika. Kolbeova sinteza. Gasifikacija čvrstog goriva. Wurtz reakcija. Fischer-Tropsch sinteza.

8. Alkanes imaju nisku hemijsku aktivnost. Ovo se objašnjava činjenicom da su pojedinačne veze C-H i C-C relativno jake i teško ih je prekinuti.

Reakcije radikalne supstitucije.

Halogenacija alkana odvija se kroz radikalan mehanizam. Za pokretanje reakcije, mješavina alkana i halogena mora se ozračiti UV svjetlom ili zagrijati. Kloriranje metana ne prestaje u fazi dobijanja metil hlorida (ako se uzmu ekvimolarne količine hlora i metana), već dovodi do stvaranja svih mogućih supstitucijskih produkata, od metil hlorida do ugljen-tetrahlorida.

Nitracija (Konovalov reakcija)

Alkani reagiraju s 10% otopinom dušične kiseline ili dušikovog oksida N2O4 u plinovitoj fazi da nastaju nitro derivati:

RH + HNO3 = RNO2 + H2O

Svi dostupni podaci ukazuju na mehanizam slobodnih radikala. Kao rezultat reakcije nastaju mješavine proizvoda.

Reakcije oksidacije. Sagorijevanje

Glavno hemijsko svojstvo zasićenih ugljovodonika, koje određuje njihovu upotrebu kao goriva, je reakcija sagorevanja. Primjer: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q

U slučaju nedostatka kisika umjesto njega nastaje ugljični dioksid ugljen monoksid ili ugalj (ovisno o koncentraciji kisika).

Općenito, jednadžba reakcije sagorijevanja za bilo koji ugljovodonik, CxHy, može se napisati na sljedeći način: CxHy + (x + 0,5y)O2 → xCO2 + 0,5yH2O

Katalitička oksidacija

Mogu se formirati alkoholi, aldehidi i karboksilne kiseline.

Termičke transformacije alkana. Raspadanje

Reakcije raspadanja nastaju samo pod uticajem visokih temperatura. Povećanje temperature dovodi do pucanja ugljikovih veza i stvaranja slobodnih radikala.

Primjeri: CH4 → C + 2H2 (t > 1000 °C); C2H6 → 2C + 3H2

Pucanje

Kada se zagriju iznad 500 °C, alkani se podvrgavaju pirolitičkoj razgradnji i formiraju složenu smjesu proizvoda čiji sastav i omjer ovise o temperaturi i vremenu reakcije.

Dehidrogenacija

Formiranje alkena i evolucija vodika

Uslovi protoka: 400 - 600 °C, katalizatori - Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3;C2H6 → C2H4 + H2

izomerizacija - Pod utjecajem katalizatora (na primjer, AlCl3), dolazi do izomerizacije alkana, na primjer:

butan (C4H10) u interakciji sa aluminijum hloridom (AlCl3) se pretvara iz n-butana u 2-metilpropan.

Konverzija metana

CH4 + H2O → CO + H2 - Ni katalizator ("CO + H2" "singas")

Alkani ne stupaju u interakciju sa kalijum permanganatom (KMnO4) i bromnom vodom (Br2).

9.Alkeni(inače olefini ili etilenski ugljovodonici) su aciklički nezasićeni ugljovodonici koji sadrže jednu dvostruku vezu između atoma ugljika, formirajući homologni niz s općom formulom CnH2n. Atomi ugljenika na dvostrukoj vezi su u stanju sp² hibridizacije i imaju ugao veze od 120°. Najjednostavniji alken je eten (C2H4). Prema IUPAC nomenklaturi, nazivi alkena se formiraju od imena odgovarajućih alkana zamjenom sufiksa “-ane” sa “-ene”; Položaj dvostruke veze označen je arapskim brojem.

Alkeni sa više od tri ugljikova atoma imaju izomere. Alkene karakterizira izomerija ugljičnog skeleta, položaj dvostrukih veza, međuklasni i prostorni. eten (etilen) C2H4, propen C3H6, buten C4H8, penten C5H10, heksen C6H12,

Metode za dobijanje alkena - Glavna industrijska metoda za proizvodnju alkena je katalitički i visokotemperaturni kreking ugljovodonika nafte i prirodnog plina. Za proizvodnju nižih alkena također se koristi reakcija dehidracije odgovarajućih alkohola.

U laboratorijskoj praksi najčešće se koristi metoda dehidracije alkohola u prisustvu jakih mineralnih kiselina, dehidrohalogenacija i dehalogenacija odgovarajućih halogenih derivata; sinteze Hoffmanna, Chugaeva, Wittiga i Copea.

10. Hemijska svojstva alkena Alkeni su hemijski aktivni. Njihova hemijska svojstva su uglavnom određena prisustvom dvostruke veze. Najčešće reakcije za alkene su reakcije elektrofilne adicije i radikalne adicije. Reakcije nukleofilne adicije obično zahtijevaju prisustvo jakog nukleofila i nisu tipične za alkene.

Alkene također karakteriziraju reakcije cikloadicije i metateze.

Alkeni lako prolaze kroz reakcije oksidacije, hidrogeniraju se jakim redukcijskim agensima ili vodonikom pod djelovanjem katalizatora u alkane, a također su sposobni za supstituciju alilnih radikala.

Elektrofilne reakcije adicije. U ovim reakcijama, čestica koja napada je elektrofil Glavni članak: Elektrofilne reakcije adicije

Halogenacija alkena, odvija se u odsustvu pokretača radikalnih reakcija - tipična reakcija elektrofilni dodatak. Izvodi se u okruženju nepolarnih inertnih otapala (na primjer: CCl4):

Reakcija halogenacije je stereospecifična - adicija se događa na suprotnim stranama u odnosu na ravan molekule alkena

Hidrohalogenacija. Elektrofilno dodavanje halogenovodonika u alkene odvija se prema Markovnikovovom pravilu:

Hidroboracija. Dodavanje se dešava u više koraka sa formiranjem srednjeg ciklično aktiviranog kompleksa, a dodavanje bora se dešava suprotno Markovnikovom pravilu - najhidrogenizovanijem atomu ugljenika.

Hidratacija. Dodavanje vode alkenima se dešava u prisustvu sumporne kiseline

Alkilacija. Dodavanje alkana alkenima u prisustvu kiselog katalizatora (HF ili H2SO4) na niske temperature rezultira stvaranjem ugljikovodika veće molekularne težine i često se koristi u industriji

11. Alkine(inače acetilenski ugljovodonici) su ugljikovodici koji sadrže trostruku vezu između atoma ugljika, s općom formulom CnH2n-2. Atomi ugljika na trostrukoj vezi su u stanju sp-hibridizacije.

Alkine karakteriziraju reakcije adicije. Za razliku od alkena, koji prolaze kroz reakcije elektrofilne adicije, alkini također mogu biti podvrgnuti reakcijama nukleofilne adicije. To je zbog značajnog s-karaktera veze i, kao posljedica, povećane elektronegativnosti atoma ugljika. Osim toga, visoka pokretljivost atoma vodika na trostrukoj vezi određuje kisela svojstva alkina u reakcijama supstitucije.

Glavna industrijska način dobijanja acetilen je elektro- ili termičko krekiranje metana, piroliza prirodnog gasa i karbidna metoda

12. DIEN UGLJOVODONIKI(dieni), nezasićeni ugljovodonici sa dve dvostruke veze. Alifatich. dienes SnN2n_2 zove alkadieni, aliciklični SnN2n_4 - cikloalkadieni. U članku se razmatraju dienski ugljovodonici s konjugiranim dvostrukim vezama [konjugirani dieni; vidi tabelu]. Dieni sa izolovanim dvostrukim vezama prema hemiji. Uglavnom ti sveti ne razlikuje se od olefina. O vezi sa kumuliranim dvostrukim vezama, vidi Allens. U dienskim ugljovodonicima, sva četiri atoma ugljenika konjugovanog sistema imaju sp2 hibridizaciju i leže u istoj ravni. Četiri p-elektrona (po jedan iz svakog atoma ugljika) se kombinuju i formiraju četiri p-molekularne orbitale (dvije vezne - zauzete i dva antivezujuća - slobodne), od kojih je samo najniži delokaliziran nad svim atomima ugljika. Djelomična delokalizacija p-elektrona uzrokuje efekat konjugacije, koji se manifestuje u smanjenju energije sistema (za 13-17 kJ/mol u odnosu na sistem izolovanih dvostrukih veza), izjednačavanju međuatomskih udaljenosti: dvostruke veze su nešto duže ( 0,135 nm), a jednostruke veze su kraće (0,146 nm) nego kod molekula bez konjugacije (0,133 i 0,154 nm, respektivno), povećane polarizabilnosti, egzaltacije molekularne refrakcije itd. fizičke. efekti. Dienski ugljikovodici postoje u dvije konformacije koje se pretvaraju jedna u drugu, pri čemu je s-transform stabilniji

13. Alkoholi su spojevi koji sadrže jednu ili više hidroksilnih grupa. Prema svom broju alkoholi se dijele na monohidrične, dvoatomne, troatomne itd. Dužine veze i uglovi veze u metil alkoholu.

Za alkohole, postoji nekoliko načina da ih imenujemo. U modernoj IUPAC nomenklaturi, nazivu ugljovodonika za naziv alkohola dodaje se završetak "ol". Najduži lanac koji sadrži OH funkcionalnu grupu numerisan je od kraja kojem je hidroksilna grupa najbliža, a supstituenti su označeni prefiksom.

Potvrda. Hidratacija alkena. Kada alkeni reaguju sa razblaženim vodenim rastvorima kiselina, glavni proizvod je alkohol.

Hidroksimerkuracija-demerkuracija alkena. Ova reakcija nije praćena preuređivanjem i dovodi do stvaranja pojedinačnih alkohola. Smjer reakcije odgovara Markovnikovom pravilu; reakcija se izvodi u blagim uvjetima s prinosima bliskim kvantitativnim.

Hidroboracija alkena i naknadna oksidacija borana sa rastvorom vodikovog peroksida u alkalnom mediju na kraju dovodi do anti-Markovnikovog proizvoda dodavanja vode na dvostruku vezu.

Redukcija aldehida i ketona litij aluminij hidridom ili natrijum borohidridom

LiAlH4 i NaBH4 redukuju aldehide u primarne alkohole, a ketone u sekundarne, a natrijum borohidrid je poželjniji zbog veće sigurnosti u rukovanju: može se koristiti čak i u vodenim i alkoholnih rastvora. Litijum aluminijum hidrid reaguje eksplozivno sa vodom i alkoholom i eksplozivno se raspada kada se zagreje iznad 120° u suvom stanju.

Redukcija estera i karboksilnih kiselina u primarne alkohole. Primarni alkoholi nastaju redukcijom estera i karboksilnih kiselina sa litij-aluminijum hidridom u eter ili THF. Metoda redukcije estera litijum-aluminijum hidridom je posebno pogodna sa preparativne tačke gledišta. Treba napomenuti da natrijum borohidrid ne redukuje esterske i karboksilne grupe. Ovo omogućava selektivnu redukciju karbonilne grupe sa NaBH4 u prisustvu estarskih i karboksilnih grupa. Prinosi proizvoda oporavka rijetko su ispod 80%. Litijum borohidrid, za razliku od NaBH4, redukuje estre u primarne alkohole.

14. Polihidrični alkoholi. Glicerol- hemijsko jedinjenje sa formulom HOCH2CH(OH)-CH2OH ili C3H5(OH)3. Najjednostavniji predstavnik trihidričnih alkohola. To je viskozna prozirna tečnost. Lako nastao hidrolizom prirodnih (biljnih ili životinjskih) masti i ulja (triglicerida), prvi ga je dobio Karl Scheele 1779. godine tokom saponifikacije masti.

Fizička svojstva. Glicerol- bezbojna, viskozna, higroskopna tečnost, beskonačno rastvorljiva u vodi. Slatkog je ukusa, zbog čega je i dobio ime (glycos – slatko). Dobro otapa mnoge supstance.

Hemijska svojstva glicerol su tipični za polihidrične alkohole.Interakcija glicerola sa halogenovodonicima ili fosfornim halogenidima dovodi do stvaranja mono- i dihalohidrina.Glicerol se esterifikuje sa karboksilnim i mineralnim kiselinama da bi se formirali odgovarajući estri. Da, sa azotne kiseline glicerin formira trinitrat - nitroglicerin (dobio ga je 1847. godine Ascanio Sobrero), koji se trenutno koristi u proizvodnji bezdimnog baruta.

Kada je dehidriran, stvara akrolein:

HOCH2CH(OH)-CH2OH H2C=CH-CHO + 2 H2O,

Etilen glikol, HO—CH2—CH2—OH je najjednostavniji predstavnik polihidričnih alkohola. Kada se prečisti, to je bistra, bezbojna tečnost blago uljane konzistencije. Bez mirisa je i slatkog je ukusa. Toksicno. Gutanje etilen glikola ili njegovih otopina može dovesti do nepovratnih promjena u tijelu i smrti.

U industriji etilen glikol dobijene hidratacijom etilen oksid na 10 atm i 190-200°C ili na 1 atm i 50-100°C u prisustvu 0,1-0,5% sumporne (ili fosforne) kiseline, dostižući prinos od 90%. Nusproizvodi su dietilen glikol, trietilen glikol i mala količina viših polimernih homologa etilen glikola.

15. Aldehidi- alkohol bez vodonika; organska jedinjenja koja sadrže karbonilnu grupu (C=O) sa jednim supstituentom.

Aldehidi i ketoni su vrlo slični, razlika je u tome što potonji imaju dva supstituenta na karbonilnoj grupi. Polarizacija dvostruke veze ugljik-kisik prema principu mezomerne konjugacije omogućava nam da zapišemo sljedeće rezonantne strukture:

Ovo razdvajanje naboja je potvrđeno fizičkim istraživačkim metodama i u velikoj mjeri određuje reaktivnost aldehida kao izraženih elektrofila. Generalno, hemijska svojstva aldehida su slična ketonima, međutim, aldehidi pokazuju veću aktivnost, što je povezano sa većom polarizacijom veze. Osim toga, aldehide karakteriziraju reakcije koje nisu karakteristične za ketone, na primjer, hidratacija u vodenoj otopini: u metanalu je zbog još veće polarizacije veza potpuna, a kod ostalih aldehida djelomična:

RC(O)H → RC(OH)2H, gdje je R H, bilo koji alkil ili aril radikal.

Najjednostavniji aldehidi imaju oštar, karakterističan miris (na primjer, benzaldehid ima miris badema).

Pod uticajem hidroksilamina se pretvaraju u oksime: CH3CHO + NH2OH = CH3C(=NOH)H + H2O

Formaldehid (od latinskog formica - mrav), mravlji aldehid, CH2O, prvi član homolognog niza alifatskih aldehida; bezbojni gas oštrog mirisa, dobro rastvorljiv u vodi i alkoholu, tačka ključanja - 19 °C. U industriji, fosfor se proizvodi oksidacijom metil alkohola ili metana atmosferskim kisikom. F. lako polimerizira (posebno na temperaturama do 100°C), pa se skladišti, transportuje i koristi uglavnom u obliku formaldehida i čvrstih niskomolekularnih polimera - trioksana (vidi Trioksimetilen) i paraforma (vidi Paraformaldehid).

F. je vrlo reaktivan; mnoge njegove reakcije su u osnovi industrijskih metoda za dobijanje niza važnih proizvoda. Tako, u interakciji sa amonijakom, F. formira urotropin (vidi Heksametilentetramin), sa ureom - urea-formaldehidne smole, sa melaminom - melamin-formaldehidne smole, sa fenolima - fenol-formaldehidne smole (vidi Fenol-formaldehidne smole - sa smolama), i naftalen sulfonske kiseline - štavljenje, sa ketenom - b-propiolakton. F. se takođe koristi za proizvodnju polivinilformala (vidi Polivinil acetali), izoprena, pentaeritritola, lekovitih supstanci, boja, za štavljenje kože i kao dezinfekciono i dezodorirajuće sredstvo. Polimerizacijom poliformaldehida dobija se poliformaldehid. F. je toksičan; maksimalno dozvoljena koncentracija u vazduhu je 0,001 mg/l.

Acetaldehid, acetaldehid, CH3CHO, organsko jedinjenje, bezbojna tečnost oštrog mirisa; tačka ključanja 20,8°C. Tačka topljenja - 124°C, gustina 783 kg/m3", meša se u svim aspektima sa vodom, alkoholom, etrom. A. ima sva tipična svojstva aldehida. U prisustvu mineralnih kiselina, polimerizuje se u tečni trimerni paraldehid (CH3CHO )3 i kristalni tetramerni metaldehid (CH3CHO) 4. Kada se oba polimera zagriju u prisustvu sumporne kiseline, oslobađa se A.

Jedan od glavnih odavno poznatih načina da se dobije A. se sastoji od dodavanja vode acetilenu u prisustvu živinih soli na temperaturi od oko 95°C

16. Ketoni- to su organske tvari u čijim je molekulima karbonilna grupa povezana s dva ugljikovodična radikala.

Opšta formula ketona je R1-CO-R2. Među ostalim karbonilnim spojevima, prisutnost u ketonima točno dva atoma ugljika direktno vezana za karbonilnu grupu razlikuje ih od karboksilnih kiselina i njihovih derivata, kao i od aldehida.

Fizička svojstva. Ketoni su isparljive tekućine ili topljive čvrste tvari koje se dobro miješaju s vodom. Nemogućnost formiranja međumolekularnih vodikovih veza uzrokuje da je njihova hlapljivost nešto veća od one kod alkohola i karboksilnih kiselina iste molekulske mase.

Metode sinteze. Oksidacija sekundarnih alkohola.

Od tercijarnih peroksoetera Krigeovim rearanžiranjem.

Cikloketoni se mogu dobiti Ružičkinom ciklizacijom.

Aromatični ketoni se mogu dobiti Friedel-Craftsovom reakcijom

Hemijska svojstva. Postoje tri glavne vrste ketonskih reakcija.

Prvi je povezan s nukleofilnim napadom na atom ugljika karbonilne grupe. Na primjer, interakcija ketona sa cijanidnim anjonom ili organometalnim jedinjenjima. Isti tip (nukleofilna adicija) uključuje interakciju karbonilne grupe sa alkoholima, što dovodi do acetala i hemiacetala.

Interakcija sa alkoholima:

CH3COCH3 + 2C2H5OH → C2H5—O—C(CH3)2—O—C2H5

sa Grignardovim reagensima:

C2H5—C(O)—C2H5 + C2H5MgI → (C2H5)3OMgI → (C2H5)3OH, tercijarni alkohol. Reakcije sa aldehidima, a posebno sa metanalom, primetno su aktivnije, pri čemu se sekundarni alkoholi formiraju sa aldehidima, a primarni alkoholi sa metanalom.

Ketoni također reagiraju s dušičnim bazama, na primjer, s amonijakom i primarnim aminima da nastaju imini:

CH3—C(O)—CH3 + CH3NH2 → CH3—C(N—CH3)—CH3 + H2O

Drugi tip reakcije je deprotonacija beta atoma ugljika u odnosu na karbonilnu grupu. Nastali karbanion se stabilizuje zbog konjugacije sa karbonilnom grupom, povećava se lakoća uklanjanja protona, stoga su karbonilna jedinjenja relativno jake CH kiseline.

Treća je koordinacija elektrofila na usamljenom paru atoma kisika, na primjer, Lewisove kiseline kao što je AlCl3

Posebna vrsta reakcije uključuje redukciju ketona - Leuckart redukciju sa prinosima bliskim kvantitativnim.

17.uporedi pitanja 15 i 16.

18. Jednobazne zasićene karboksilne kiseline(monobazične zasićene karboksilne kiseline) - karboksilne kiseline u kojima je zasićeni ugljikovodični radikal vezan za jednu karboksilnu grupu -COOH. Svi imaju opštu formulu SnH2n+1COOH, gde je n = 0, 1, 2, ...

Nomenklatura. Sistematski nazivi jednobaznih zasićenih karboksilnih kiselina dati su imenom odgovarajućeg alkana uz dodatak sufiksa -ova i riječi kiselina.

Skeletni izomerizam u ugljovodoničnom radikalu se manifestuje, počevši od butanske kiseline, koja ima dva izomera:

CH3-CH2-CH2-COOH n-butanska kiselina; CH3-CH(CH3)-COOH 2-metilpropanska kiselina.

Međuklasni izomerizam se pojavljuje počevši od octene kiseline:

CH3-COOH sirćetna kiselina; H-COO-CH3 metil format (metil estar mravlje kiseline); HO-CH2-COH hidroksietanal (hidroksisirćetni aldehid); HO-CHO-CH2 hidroksietilen oksid.

19. Esteri- organska jedinjenja, derivati ​​karboksilnih ili mineralnih kiselina, u kojima je hidroksilna grupa -OH kiselinske funkcije zamenjena ostatkom alkohola. Razlikuju se od etera u kojima su dva ugljikovodična radikala povezana atomom kisika (R1-O-R2).

Masti ili trigliceridi- prirodna organska jedinjenja, puni estri glicerola i monobazni masne kiseline; pripadaju klasi lipida. Uz ugljikohidrate i proteine, masti su jedna od glavnih komponenti ćelija životinja, biljaka i mikroorganizama. Tečne masti biljnog porijekla obično se nazivaju uljima, baš kao i puter.

Ugljične kiseline- klasa organskih jedinjenja čije molekule sadrže jednu ili više funkcionalnih karboksilnih grupa -COOH. Kisela svojstva se objašnjavaju činjenicom da ova grupa može relativno lako da apstrahuje proton. Uz rijetke izuzetke, karboksilne kiseline su slabe. Na primjer, sirćetna kiselina CH3COOH ima konstantu kiselosti od 1,75·10-5. Di- i trikarboksilne kiseline su jače od monokarboksilnih kiselina.

Masnoća je dobar toplotni izolator, pa se kod mnogih toplokrvnih životinja taloži u potkožnom masnom tkivu, smanjujući gubitak toplote. Posebno debeo potkožni masni sloj karakterističan je za vodene sisare (kitove, morževe, itd.). Istovremeno, kod životinja koje žive u vrućim klimama (deve, jerboas) se talože rezerve masti

Strukturna funkcija

Fosfolipidi čine osnovu dvosloja ćelijskih membrana, holesterol - regulatori fluidnosti membrane. Kod arheja, membrane sadrže derivate izoprenoidnih ugljikovodika. Voskovi formiraju kutikulu na površini nadzemnih organa (listova i mladih izdanaka) biljaka. Proizvode ih i mnogi insekti (na primjer, pčele od njih grade saće, a ljuskavi i ljuskavi insekti formiraju zaštitne pokrivače).

Regulatorno

Vitamini - lipidi (A, D, E)

Hormonski (steroidi, eikozanoidi, prostaglandini, itd.)

kofaktori (dolihol)

Signalni molekuli (digliceridi, jasmonska kiselina; MP3 kaskada)

Zaštitni (apsorbuje udarce)

Debeli sloj masti štiti unutrašnje organe mnoge životinje od oštećenja uslijed udara (na primjer, morski lavovi teški do tone mogu skočiti na kamenitu obalu sa litica visokih 4-5 m).

20-21-22. Jednobazne nezasićene kiseline- derivati ​​nezasićenih ugljikovodika u kojima je jedan atom vodika zamijenjen karboksilnom grupom.

Nomenklatura, izomerizam. U grupi nezasićenih kiselina najčešće se koriste empirijski nazivi: CH2=CH-COOH - akrilna (propenska) kiselina, CH2=C(CH3)-COOH - metakrilna (2-metilpropenska) kiselina. Izomerizam u grupi nezasićenih jednobaznih kiselina povezan je sa:

a) izomerija ugljeničnog skeleta; b) položaj dvostruke veze; c) cis-trans izomerizam.

Metode dobijanja.1. Dehidrohalogenacija halogeniranih kiselina:

CH3-CH2-CHCl-COOH ---KOH(konc)---> CH3-CH=CH-COOH

2. Dehidracija hidroksi kiselina: HO-CH2-CH2-COOH -> CH2=CH-COOH

Fizička svojstva. Niže nezasićene kiseline su tečnosti rastvorljive u vodi sa jakim oštrim mirisom; viši - čvrste, u vodi netopive tvari bez mirisa.

Hemijska svojstva nezasićene karboksilne kiseline su zbog svojstava karboksilne grupe i svojstava dvostruke veze. Specifična svojstva imaju kiseline sa dvostrukom vezom bliskom karboksilnoj grupi - alfa, beta-nezasićene kiseline. U ovim kiselinama, dodavanje halogenovodonika i hidratacija su protiv Markovnikovovog pravila: CH2 = CH-COOH + HBr -> CH2Br-CH2-COOH

Pažljivom oksidacijom nastaju dihidroksi kiseline: CH2 = CH-COOH + [O] + H20 -> HO-CH2-CH(OH)-COOH

Tokom snažne oksidacije, dvostruka veza se prekida i formira se smjesa različiti proizvodi, iz koje se može odrediti položaj dvostruke veze. Oleinska kiselina C17H33COOH je jedna od najvažnijih viših nezasićenih kiselina. To je bezbojna tečnost koja se stvrdne na hladnom. Njegova strukturna formula: CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH.

23. Dvobazne zasićene karboksilne kiseline(dvobazične zasićene karboksilne kiseline) - karboksilne kiseline u kojima je zasićeni ugljikovodični radikal vezan za dvije karboksilne grupe -COOH. Svi imaju opću formulu HOOC(CH2)nCOOH, gdje je n = 0, 1, 2, ...

Nomenklatura. Sistematski nazivi dvobaznih zasićenih karboksilnih kiselina dati su imenom odgovarajućeg alkana sa dodatkom sufiksa -dioična i riječi kiselina.

Skeletni izomerizam u ugljikovodičnom radikalu pojavljuje se počevši od butandiojeve kiseline, koja ima dva izomera:

HOOC-CH2-CH2-COOH n-butandioična kiselina (etan-1,2-dikarboksilna kiselina);

CH3-CH(COOH)-COOH etan-1,1-dikarboksilna kiselina.

24-25. KISELINE (hidroksikarboksilne kiseline), imaju u molekulu, uz karboksilnu grupu - COOH, hidroksilnu grupu - OH, na primjer. HOCH2COOH (glikolna kiselina). Sadrži u biljnim i životinjskim organizmima (mliječna, limunska, vinska i druge kiseline).

Rasprostranjenost u prirodi

Hidroksi kiseline su veoma rasprostranjene; Tako se vinska, limunska, jabučna, mliječna i druge kiseline klasificiraju kao hidroksi kiseline, a njihov naziv odražava primarni prirodni izvor u kojem je supstanca pronađena.

Metode sinteze

Reformatsky reakcija je metoda za sintezu estera β-hidroksikarboksilne kiseline.

"Voćne kiseline." Mnoge hidroksi kiseline se koriste u kozmetici kao keratolitici. Međutim, trgovci su malo promijenili ime - kako bi bili privlačniji u kozmetologiji, često se nazivaju "voćne kiseline".

26-27. KISELINE KISELINE (alkoholne kiseline), spojevi s dvostrukom funkcijom, i alkoholi i kiseline, koji sadrže i vodeni ostatak i karboksilnu grupu. U zavisnosti od položaja OH u odnosu na COOH (jedan pored drugog, na jednom, dva, tri mesta) razlikuju se a-, /?-, y-, b-hidroksi kiseline. Za dobijanje kiseonika postoji mnogo metoda, od kojih su najvažnije pažljiva oksidacija glikola: CH3.CH(OH).CH2.OH + 02 = CH3. .CH(OH).COOH; saponifikacija oksinitrila CH3.CH(OH).CN -* CH3.CH(OH).COOH; izmjena halogena u halogenim kiselinama za OH: CH2C1.COOH + KOH = CH2(OH).COOH + + KS1, efekat HN02 na aminokiseline: CH2(NH2). COOH + HN02 = CH2(OH) + N2 + + H20. U životinjskom tijelu, hidroksi kiseline nastaju tokom deaminacije (vidi) aminokiselina, tokom oksidacije masnih kiselina (vidi Acetonska tijela, Metabolizam—proteini), tijekom glikolize (vidi), fermentacije (vidi) i drugih hemikalija. procesi. Hidroksi kiseline su guste tečnosti ili kristalne. supstance. In chem. u odnosu na O. reaguju i kao alkohol i kao droga: daju npr. i eteri i estri; pod uticajem halogenih jedinjenja fosfora, oba OH se zamenjuju halogenom; Halovodične kiseline reaguju samo sa alkoholom OH.—Posebne reakcije karakterišu a-, i)-, y- i b-hidroksi kiseline: a-hidroksi kiseline, gubeći vodu iz dva molekula, daju ciklične estre, laktide: 2CH2(OH).COOH = 2H20 + CH2.O.CO (glikolid); s.o.sn2 /Z-O., oslobađajući vodu, formiraju nezasićena jedinjenja: CH2(OH).CH2.COOH-H20 = CH2:CH. .COOH; y- i d-hidroksi kiseline formiraju anhidride - laktone: CH3.CH(OH).CH2.CH2.COOH= =H2O+CH3.CH.CH2.CH2.CO. O. su široko rasprostranjene u životinjskim i biljnim organizmima. Predstavnici alifatskog a-O. su glikolna kiselina, CH2OH.COOH(hidroksisirćetna kiselina), mliječna kiselina; od /?-hidroksi kiselina - hidrakrilna, CH2OH.CH2COOH, /9-hidroksi-maslačna kiselina; U-O. su nepoznati u slobodnom obliku, jer gube vodu i postaju laktoni. Među dvobaznim O. važna je jabučna kiselina (hidroksijamber); COOH.CHON.CH2.COOH, široko rasprostranjen u biljkama; ima lijevu rotaciju u slabim rješenjima, desnu rotaciju u jakim; sintetički su neaktivni. Dvobazične tetraatomske kiseline uključuju vinsku kiselinu (dioksijantarne kiseline). Od drugog O.—limuna, HO.CO.CH2. .(SON)(COOH).CH2.COOH, vrlo čest u flora(u grožđu, limunu) i nalazi se u životinjama (u mlijeku); u obliku željeznog citrata koristi se u medicini. Od aromatičnih kiselina (fenolnih kiselina) u medicini su važne salicilna kiselina, galna kiselina i njihovi derivati; fenil ester salicilne kiseline (salol), sulfosalicilna kiselina, C6H3.OH.S03H.COOH (proteinski reagens), acetilsalicilna kiselina (aspirin). U biljkama postoji mnogo različitih O. aromatičnog niza, čiji derivati ​​uključuju, između ostalog, tanini, koji su od tehničkog značaja. O biol. značaj pojedinačnih O. i metode njihovog kvantitativnog određivanja — vidi. Acetonska tijela, bro-glikoliza, deaminacija, krv, mliječna kiselina, urin, mišići, beta(^)-hidroksimaslačna kiselina.

28-29. u molekuli amonijaka, sukcesivno zamjenjujući atome vodika ugljovodoničnim radikalima, dobijate spojeve koji pripadaju klasi amina. Prema tome, amini su primarni (RNH2), sekundarni (R2NH), tercijarni (R3N). -NH2 grupa se naziva amino grupa.

Postoje alifatski, aromatični, aliciklični i heterociklični amini u zavisnosti od toga koji su radikali povezani sa atomom dušika.

Imena amina se konstruišu dodavanjem prefiksa amino- imenu odgovarajućeg ugljikovodika (primarni amini) ili završetka -amin navedenim nazivima radikala povezanih s atomom dušika (za bilo koji amin).

Načini dobijanja:1. Hofmanova reakcija. Jedna od prvih metoda za proizvodnju primarnih amina bila je alkilacija amonijaka alkilhalidima. . 2. Zininova reakcija- pogodan način za dobivanje aromatičnih amina redukcijom aromatičnih nitro spojeva. Kao redukcioni agensi se koriste: H2 (na katalizatoru). Ponekad se vodik stvara direktno u vrijeme reakcije, za koju se metali (cink, željezo) tretiraju razrijeđenom kiselinom.

Fizička svojstva amina. Prisustvo usamljenog elektronskog para na atomu dušika uzrokuje više visoke temperature tačka ključanja od odgovarajućih alkana. Amini imaju neprijatan, oštar miris. Na sobnoj temperaturi i atmosferski pritisak Prvi predstavnici niza primarnih amina su plinovi koji se dobro otapaju u vodi. Kako se ugljični radikal povećava, temperatura ključanja se povećava, a rastvorljivost u vodi se smanjuje.

Hemijska svojstva amina. Osnovna svojstva amina

Amini su baze jer atom dušika može obezbijediti elektronski par za formiranje veza sa vrstama kojima nedostaje elektrona kroz mehanizam donor-akceptor (zadovoljava Luisovu definiciju bazičnosti). Stoga, amini, poput amonijaka, mogu stupiti u interakciju s kiselinama i vodom, dodajući proton da bi formirali odgovarajuće amonijeve soli.

Amonijumove soli su visoko rastvorljive u vodi, ali slabo rastvorljive u organskim rastvaračima. Vodene otopine amina imaju alkalnu reakciju.

Osnovna svojstva amina zavise od prirode supstituenata. Posebno su aromatični amini slabije baze od alifatskih, jer slobodni elektronski par azota ulazi u konjugaciju sa -sistemom aromatičnog jezgra, čime se smanjuje gustina elektrona na atomu azota (-M efekat). Naprotiv, alkil grupa je dobar donor elektronske gustine (+I-efekat).

Oksidacija amina. Sagorevanje amina je praćeno stvaranjem ugljen-dioksida, azota i vode: 4CH3NH2+9O2=4SO2+2N2+10N2O

Aromatični amini spontano oksidiraju na zraku. Dakle, anilin brzo postaje smeđi na zraku zbog oksidacije.

Dodavanje alkil halogenida Amini dodaju haloalkane da bi se formirala so

Interakcija amina sa azotnom kiselinom Od velikog je značaja reakcija diazotizacije primarnih aromatičnih amina pod uticajem azotne kiseline, dobijene in situ reakcijom natrijum nitrita sa hlorovodoničnom kiselinom.

Primarni alifatski amini reaguju sa azotastoj kiselinom i formiraju alkohole, a sekundarni alifatski i aromatični amini daju N-nitrozo derivate: R-NH2 + NaNO2+HCl=R-OH+N2+NaCl+H2O; NH+NaNO2+HCl=R2N-N=O+NaCl+H2O

U aromatičnim aminima, amino grupa olakšava supstituciju na orto i para pozicijama benzenskog prstena. Zbog toga se halogenacija anilina odvija brzo i u odsustvu katalizatora, a tri atoma vodika benzenskog prstena se zamjenjuju odjednom, a bijeli talog 2,4,6-tribromoanilina precipitira:

Ova reakcija sa bromnom vodom se koristi kao kvalitativna reakcija za anilin.

Aplikacija

Amini se koriste u farmaceutskoj industriji i organska sinteza(CH3NH2, (CH3)2NH, (C2H5)2NH, itd.); u proizvodnji najlona (NH2-(CH2)6-NH2 - heksametilendiamin); kao sirovina za proizvodnju boja i plastike (anilin).

30. Aminokiseline (aminokarboksilne kiseline)- organska jedinjenja, čija molekula istovremeno sadrži karboksilne i aminske grupe. Aminokiseline se mogu smatrati derivatima karboksilnih kiselina u kojima je jedan ili više atoma vodika zamijenjeno aminskim grupama.

Opća hemijska svojstva. 1. Aminokiseline mogu pokazivati ​​i kisela svojstva zbog prisustva karboksilne grupe -COOH u njihovim molekulima, i bazna svojstva zbog amino grupe -NH2. Zbog toga otopine aminokiselina u vodi imaju svojstva puferskih otopina.

Zwitterion je molekul amino kiseline u kojem je amino grupa predstavljena kao -NH3+, a karboksi grupa je predstavljena kao -COO-. Takav molekul ima značajan dipolni moment sa nultim neto nabojem. Od takvih molekula se grade kristali većine aminokiselina.

Neke aminokiseline imaju više amino grupa i karboksilnih grupa. Za ove aminokiseline teško je govoriti o nekom specifičnom zwitterionu.

2. Važna karakteristika aminokiselina je njihova sposobnost polikondenzacije, što dovodi do stvaranja poliamida, uključujući peptide, proteine ​​i najlon-66.

3. Izoelektrična tačka aminokiseline je pH vrijednost pri kojoj maksimalni udio molekula aminokiseline ima nulti naboj. Pri ovom pH, aminokiselina je najmanje pokretna u električnom polju, a ovo svojstvo se može koristiti za razdvajanje aminokiselina, kao i proteina i peptida.

4. Aminokiseline obično mogu podvrgnuti svim reakcijama karakterističnim za karboksilne kiseline i amine.

Optički izomerizam. Sve α-amino kiseline koje se nalaze u živim organizmima, osim glicina, sadrže asimetrični atom ugljika (treonin i izoleucin sadrže dva asimetrična atoma) i imaju optičku aktivnost. Gotovo sve prirodne α-amino kiseline su L-oblika, a samo L-amino kiseline su uključene u proteine ​​sintetizirane na ribosomima.

Ovu osobinu "živih" aminokiselina vrlo je teško objasniti, budući da se u reakcijama između optički neaktivnih supstanci ili racemata (koje su, očigledno, predstavljali organski molekuli na drevnoj Zemlji), L i D oblici nastaju u jednakim količinama. Možda. Izbor jednog od oblika (L ili D) jednostavno je rezultat slučajne slučajnosti: prvi molekuli s kojima je mogla započeti sinteza šablona imali su određeni oblik i njima su se „prilagođavali“ odgovarajući enzimi.

31. Aminokiseline su organska amfoterna jedinjenja. Oni sadrže dvije funkcionalne grupe suprotne prirode u molekulu: amino grupu sa bazičnim svojstvima i karboksilnu grupu sa kiselim svojstvima. Aminokiseline reaguju i sa kiselinama i sa bazama:

H2N-CH2-COOH + HCl→ Cl[H3N-CH2-COOH],

H2N-CH2-COOH + NaOH → H2N-CH2-COONa + H2O.

Kada se aminokiseline rastvore u vodi, karboksilna grupa uklanja ion vodonika, koji se može vezati za amino grupu. U tom slučaju nastaje unutrašnja sol čija je molekula bipolarni ion:

H2N-CH2—COOH +H3N-CH2—COO-.

Vodene otopine aminokiselina imaju neutralnu, alkalnu ili kiselu sredinu u zavisnosti od broja funkcionalnih grupa. Tako glutaminska kiselina formira kiseli rastvor (dve -COOH grupe, jedna -NH2), lizin formira alkalni rastvor (jedna -COOH, dve -NH2 grupe).

Kao i primarni amini, aminokiseline reaguju sa azotnom kiselinom, pri čemu se amino grupa pretvara u hidrokso grupu, a amino kiselina u hidroksi kiselinu: H2N-CH(R)-COOH + HNO2 → HO-CH(R)-COOH + N2+ H2O

Mjerenje volumena oslobođenog dušika omogućava vam da odredite količinu aminokiseline (Van-Slyke metoda).

Aminokiseline mogu reagovati sa alkoholima u prisustvu gasovitog hlorovodonika, pretvarajući se u ester (tačnije, hloridnu so estera): H2N-CH(R)-COOH + R"OH H2N-CH(R)-COOR " + H2O.

Estri aminokiselina nemaju bipolarnu strukturu i hlapljiva su jedinjenja. Najvažnije svojstvo aminokiselina je njihova sposobnost kondenzacije u peptide.

32. Karboksilna grupa kombinuje dve funkcionalne grupe - karbonil =CO i hidroksil -OH, međusobno utičući jedna na drugu.

Kisela svojstva karboksilnih kiselina su posljedica pomaka elektronske gustine na karbonil kisik i rezultirajuće dodatne (u poređenju s alkoholima) polarizacije O-H veze.

U vodenom rastvoru karboksilne kiseline disociraju u jone: R-COOH = R-COO- + H+

Rastvorljivost u vodi i visoke točke ključanja kiselina su posljedica stvaranja međumolekularnih vodikovih veza.

Amino grupa - monovalentna grupa -NH2, ostatak amonijaka (NH3). Amino grupa se nalazi u mnogim organskim jedinjenjima - aminima, aminokiselinama, amino alkoholima itd. Jedinjenja koja sadrže -NH2 grupu su po pravilu bazične prirode, zbog prisustva usamljenog elektronskog para na atomu dušika.

U reakcijama elektrofilne supstitucije u aromatičnim jedinjenjima, amino grupa je orijentaciono sredstvo prve vrste, tj. aktivira orto- i para-pozicije u benzenskom prstenu.

33. Polikondenzacija- proces sinteze polimera iz polifunkcionalnih (najčešće bifunkcionalnih) spojeva, obično praćen oslobađanjem nusproizvoda male molekularne težine (voda, alkoholi, itd.) tokom interakcije funkcionalnih grupa.

Molekularna težina polimera koji nastaje tokom procesa polikondenzacije zavisi od odnosa početnih komponenti i reakcionih uslova.

Reakcije polikondenzacije mogu uključivati ​​ili jedan monomer s dvije različite funkcionalne grupe: na primjer, sintezu poli-ε-kaproamida (najlon-6, kapron) iz ε-aminokaproične kiseline, ili dva monomera koja nose različite funkcionalne grupe, na primjer, sinteza od najlona-6 66 polikondenzacijom adipinske kiseline i heksametilendiamina; u ovom slučaju nastaju polimeri linearne strukture (linearna polikondenzacija, vidi sl. 1). Ako monomer (ili monomeri) nose više od dvije funkcionalne grupe, formiraju se trodimenzionalni umreženi polimeri. mrežasta struktura(trodimenzionalna polikondenzacija). Da bi se dobili takvi polimeri, mješavini monomera se često dodaju polifunkcionalne komponente koje se međusobno povezuju.

Posebno treba istaći reakcije sinteze polimera iz cikličkih monomera pomoću mehanizma otvaranja prstena - dodavanje, na primjer, sinteza najlona-6 iz kaprolaktama (ciklički amid ε-aminokaproične kiseline); Unatoč činjenici da se oslobađanje niskomolekularnog fragmenta ne događa, takve reakcije se češće nazivaju polikondenzacija.

Peptidna veza- vrsta amidne veze koja nastaje tokom formiranja proteina i peptida kao rezultat interakcije α-amino grupe (-NH2) jedne aminokiseline sa α-karboksilnom grupom (-COOH) druge amino kiseline.

C-N veza u peptidnoj vezi je djelimično dvostruke prirode, što se očituje, posebno, u smanjenju njene dužine na 1,32 angstroma. To rezultira sljedećim svojstvima:

4 atoma veza (C, N, O i H) i 2 α-ugljika su u istoj ravni. R-grupe aminokiselina i vodonika kod α-ugljika su izvan ove ravni.

H i O u peptidnoj vezi, kao i α-ugljici dvije aminokiseline, su trans orijentirani (trans izomer je stabilniji). U slučaju L-aminokiselina, što je slučaj sa svim prirodnim proteinima i peptidima, R-grupe su također trans-orijentirane.

Rotacija oko C-N veze nije moguća, ali je rotacija oko C-C veze moguća.

peptidi (grč. πεπτος - hranljiv) - porodica supstanci čiji su molekuli izgrađeni od ostataka α-amino kiselina povezanih u lanac peptidnim (amidnim) vezama -C(O)NH-.

34. Proteini (proteini, polipeptidi) - visokomolekularne organske tvari koje se sastoje od aminokiselina povezanih u lanac peptidnim vezama. U živim organizmima aminokiselinski sastav proteina određen je genetskim kodom; u većini slučajeva se tokom sinteze koristi 20 standardnih aminokiselina. Mnoge njihove kombinacije daju širok spektar svojstava proteinskih molekula. Osim toga, aminokiseline u proteinu često su podložne posttranslacijskim modifikacijama, koje se mogu javiti i prije nego što protein počne obavljati svoju funkciju i tokom njegovog „rada“ u ćeliji. Često u živim organizmima nekoliko proteinskih molekula formira složene komplekse, na primjer, fotosintetski kompleks.

Da bismo razumjeli zamršeni raspored (arhitektoniku) proteinske makromolekule, trebali bismo razmotriti nekoliko nivoa organizacije. Primarna, najjednostavnija struktura je polipeptidni lanac, tj. niz aminokiselina povezanih peptidnim vezama. U primarnoj strukturi, sve veze između aminokiselina su kovalentne i stoga jake. Dalje, više visoki nivo Organizacija je sekundarna struktura kada je proteinska nit uvijena u obliku spirale. Vodikove veze nastaju između -COOH grupa koje se nalaze na jednom zavoju spirale i -NH2 grupa na drugom zavoju. Nastaju iz vodika, koji se najčešće nalazi između dva negativna atoma. Vodikove veze su slabije od kovalentnih veza, ali s velikim brojem njih osiguravaju stvaranje prilično jake strukture. Niz aminokiselina (polipeptid) se zatim koagulira, formirajući kuglicu, ili fibril ili globulu, specifične za svaki protein. Ovo stvara složenu konfiguraciju koja se naziva tercijarna struktura. Obično se određuje metodom rendgenske difrakcijske analize, koja omogućava utvrđivanje položaja u prostoru atoma i grupa atoma u kristalima i složenim spojevima.

Veze koje podržavaju tercijarnu strukturu proteina su takođe slabe. Nastaju, posebno, zbog hidrofobnih interakcija. To su sile privlačenja između nepolarnih molekula ili između nepolarnih područja molekula u vodenoj sredini. Hidrofobni ostaci nekih aminokiselina u vodenom rastvoru se zbližavaju, "lepe se" i tako stabilizuju strukturu proteina. Osim hidrofobnih sila, elektrostatičke veze između elektronegativnih i elektropozitivnih radikala aminokiselinskih ostataka igraju značajnu ulogu u održavanju tercijarne strukture proteina. Tercijarna struktura se također održava malim brojem kovalentnih disulfidnih -S-S veza koje se javljaju između atoma sumpora aminokiselina koje sadrže sumpor. Moram reći da je i tercijarna; struktura proteina nije konačna. Makromolekule istog proteina ili molekule drugih proteina često su vezane za makromolekulu proteina. Na primjer, složeni molekul hemoglobina, proteina koji se nalazi u crvenim krvnim zrncima, sastoji se od četiri makromolekula globina: dva alfa lanca i dva beta lanca, od kojih je svaki povezan sa hemom koji sadrži željezo. Kao rezultat njihove kombinacije, formira se funkcionalna molekula hemoglobina. Samo u takvom pakovanju hemoglobin radi u potpunosti, odnosno može da prenosi kiseonik. Zbog međusobnog povezivanja nekoliko proteinskih molekula, formira se kvartarna struktura. Ako su peptidni lanci raspoređeni u obliku lopte, onda se takvi proteini nazivaju globularni. Ako su polipeptidni lanci raspoređeni u snopove niti, nazivaju se fibrilarni proteini. Polazeći od sekundarne strukture, prostornu strukturu (konformaciju) proteinskih makromolekula, kako smo saznali, podržavaju uglavnom slabe hemijske veze. Pod utjecajem vanjski faktori(promjene temperature, slanog sastava okoline, pH, pod uticajem zračenja i drugih faktora) slabe veze koje stabilizuju makromolekul se prekidaju, a struktura proteina, a samim tim i njegova svojstva, se menjaju. Ovaj proces se naziva denaturacija. Razbijanje nekih slabih veza, promjene u konformaciji i svojstvima proteina također se javljaju pod utjecajem fizioloških faktora (npr. pod utjecajem hormona). Na taj način se regulišu svojstva proteina: enzima, receptora, transportera. Ove promjene u strukturi proteina obično su lako reverzibilne. Prekidanje velikog broja slabih veza dovodi do denaturacije proteina, koja može biti nepovratna (na primjer, koagulacija bjelanjka pri kuhanju jaja). Ponekad denaturacija proteina ima biološko značenje. Na primjer, pauk izluči kap sekreta i zalijepi je za neki nosač. Zatim, nastavljajući da luči sekret, on lagano povlači nit, a ta slaba napetost je dovoljna da protein denaturira, pređe iz rastvorljivog oblika u nerastvorljiv i nit dobija snagu.

35-36. Monosaharidi(od grčkog monos: pojedinačni, sacchar: šećer), - organska jedinjenja, jedna od glavnih grupa ugljenih hidrata; najjednostavniji oblik šećera; su obično bezbojne, providne čvrste supstance rastvorljive u vodi. Neki monosaharidi imaju sladak ukus. Monosaharidi, gradivni blokovi iz kojih se sintetiziraju disaharidi (kao što je saharoza) i polisaharidi (kao što su celuloza i škrob), sadrže hidroksilne grupe i aldehidnu grupu (aldoze) ili keto grupu (ketoze). Svaki atom ugljika za koji je vezana hidroksilna grupa (osim prvog i posljednjeg) je kiralan, što dovodi do mnogih izomernih oblika. Na primjer, galaktoza i glukoza su aldoheksoze, ali imaju različita kemijska i fizička svojstva. Monosaharidi, kao i svi ugljikohidrati, sadrže samo 3 elementa (C, O, H).

Monosaharidi su podijeljeni na trioze, tetroze, pentoze, heksoze, itd. (3, 4, 5, 6 itd. atoma ugljika u lancu); nisu pronađeni prirodni monosaharidi s ugljikovim lancem koji sadrži više od 9 atoma ugljika. Monosaharidi koji sadrže 5-člani prsten nazivaju se furanoze, a oni koji sadrže 6-člani prsten nazivaju se piranoze.

Izomerizam. Za monosaharide koji sadrže n asimetričnih ugljikovih atoma moguće je postojanje 2n stereoizomera (vidi Izomerizam).

38. Hemijska svojstva. Monosaharidi ulaze u hemijske reakcije karakteristične za karbonilne i hidroksilne grupe. Karakteristična karakteristika monosaharida je sposobnost postojanja u otvorenim (acikličnim) i cikličnim oblicima i da daju derivate svakog oblika. Većina monosaka ciklizira u vodenom rastvoru da formira hemiacetale ili hemiketale (u zavisnosti od toga da li su aldoze ili ketoze) između alkohola i karbonilne grupe istog šećera. Glukoza, na primjer, lako formira hemiacetale spajanjem svojih C1 i O5 kako bi se formirao 6-člani prsten koji se naziva piranozid. Ista reakcija se može odvijati između C1 i O4 da bi se formirao 5-člani furanozid.

Monosaharidi u prirodi. Monosaharidi su dio složenih ugljikohidrata (glikozidi, oligosaharidi, polisaharidi) i miješanih biopolimera koji sadrže ugljikohidrate (glikoproteini, glikolipidi itd.). U ovom slučaju, monosaharidi su povezani jedni s drugima i sa neugljikohidratnim dijelom molekule glikozidnim vezama. Kada se hidroliziraju kiselinama ili enzimima, ove veze mogu biti prekinute kako bi se oslobodili monosaharidi. U prirodi su slobodni monosaharidi, sa izuzetkom D-glukoze i D-fruktoze, rijetki. Biosinteza monosaharida iz ugljičnog dioksida i vode odvija se u biljkama (vidi Fotosinteza); Uz sudjelovanje aktiviranih derivata monosaharida - nukleozid difosfatnih šećera - u pravilu se odvija biosinteza složenih ugljikohidrata. Razgradnja monosaharida u tijelu (na primjer, alkoholna fermentacija, glikoliza) je praćena oslobađanjem energije.

Aplikacija. Neki slobodni monosaharidi i njihovi derivati ​​(npr. glukoza, fruktoza i njen difosfat itd.) koriste se u prehrambenoj industriji i medicini.

37. Glukoza (C6H12O6)(“grožđani šećer”, dekstroza) nalazi se u soku mnogih voća i bobica, uključujući i grožđe, odakle i potiče naziv ove vrste šećera. To je šestohidroksi šećer (heksoza).

Fizička svojstva. Bijela kristalna supstanca slatkog ukusa, dobro rastvorljiva u vodi, nerastvorljiva u eteru, slabo rastvorljiva u alkoholu.

Struktura molekula

CH2(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-C=O

Glukoza može postojati u obliku ciklusa (α i β glukoza).

α i β glukoze

Prijelaz glukoze iz Fischerove projekcije u Haworthovu projekciju Glukoza je konačni proizvod hidrolize većine disaharida i polisaharida.

Biološka uloga. Glukoza je glavni proizvod fotosinteze i formira se u Calvinovom ciklusu.

U ljudskom i životinjskom tijelu, glukoza je glavni i najuniverzalniji izvor energije za metaboličke procese. Sve stanice životinjskog tijela imaju sposobnost metaboliziranja glukoze. Istovremeno, ne sve stanice tijela, već samo neke od njihovih vrsta, imaju sposobnost korištenja drugih izvora energije - na primjer, slobodnih masnih kiselina i glicerola, fruktoze ili mliječne kiseline.

Transport glukoze iz spoljašnje sredine u unutrašnjost životinjska ćelija koji se provodi aktivnim transmembranskim prijenosom uz pomoć posebne proteinske molekule - nosača heksoze (transportera).

Glukoza u stanicama može biti podvrgnuta glikolizi kako bi se proizvela energija u obliku ATP-a. Prvi enzim u lancu glikolize je heksokinaza. Aktivnost heksokinaze ćelije je pod regulacionim uticajem hormona – tako insulin naglo povećava aktivnost heksokinaze i, posljedično, iskorišćenje glukoze ćelijama, a glukokortikoidi smanjuju aktivnost heksokinaze.

Mnogi izvori energije osim glukoze mogu se direktno pretvoriti u glukozu u jetri - na primjer, mliječna kiselina, mnoge slobodne masne kiseline i glicerol, ili slobodne aminokiseline, posebno one najjednostavnije kao što je alanin. Proces proizvodnje glukoze u jetri iz drugih spojeva naziva se glukoneogeneza.

One izvore energije za koje ne postoji direktna biohemijska konverzija u glukozu ćelije jetre mogu iskoristiti za proizvodnju ATP-a i naknadnu opskrbu energijom za procese glukoneogeneze, resintezu glukoze iz mliječne kiseline ili opskrbu energijom za proces sinteze glikogen polisaharida. rezerve iz monomera glukoze. Glukoza se opet lako proizvodi iz glikogena jednostavnim razgradnjom.

Zbog izuzetnog značaja održavanja stabilnog nivoa glukoze u krvi, ljudi i mnoge druge životinje imaju složen sistem hormonske regulacije parametara. metabolizam ugljikohidrata. Kada se 1 gram glukoze oksidira u ugljični dioksid i vodu, oslobađa se 17,6 kJ energije. Pohranjena maksimalna “potencijalna energija” u molekulu glukoze u obliku oksidacionog stanja -4 atoma ugljika (C-4) može se reducirati tokom metaboličkih procesa na C+4 (u molekulu CO2). Njegovo vraćanje na prethodni nivo može se izvršiti autotrofima.

Fruktoza ili voćni šećer C6H12O6- monosaharid, koji je prisutan u slobodnom obliku u gotovo svim slatkim bobicama i voćem. Mnogi ljudi radije zamjenjuju šećer ne sintetičkim drogama, već prirodnom fruktozom.

Za razliku od glukoze, koja služi kao univerzalni izvor energije, fruktoza se ne apsorbira u tkivima zavisnim od inzulina. Gotovo u potpunosti se apsorbira i metabolizira u stanicama jetre. Gotovo nijedna druga ćelija u ljudskom tijelu (osim sperme) ne može koristiti fruktozu. U ćelijama jetre, fruktoza se fosforilira, a zatim razgrađuje u trioze, koje se ili koriste za sintezu masnih kiselina, što može dovesti do pretilosti, kao i povećanja nivoa triglicerida (što zauzvrat povećava rizik od ateroskleroze), ili se koristi za glikogen sinteza (takođe se djelimično pretvara u glukozu tokom glukoneogeneze). Međutim, pretvaranje fruktoze u glukozu je složen proces u više koraka, a sposobnost jetre da preradi fruktozu je ograničena. Pitanje da li fruktozu treba uključiti u ishranu dijabetičara, jer za njenu apsorpciju nije potreban insulin, intenzivno se proučava poslednjih godina.

Iako zdrava osoba fruktoza ne povećava (ili blago povećava) nivo glukoze u krvi; kod pacijenata sa dijabetesom, fruktoza često dovodi do povećanja nivoa glukoze. S druge strane, zbog nedostatka glukoze u ćelijama, tijela dijabetičara mogu sagorijevati masti, što dovodi do iscrpljivanja masnih rezervi. U tom slučaju, fruktoza, koja se lako pretvara u mast i ne zahtijeva inzulin, može se koristiti za njihovo obnavljanje. Prednost fruktoze je u tome što se jelu sa relativno malim količinama fruktoze može dati sladak ukus, jer je sa istim kalorijskim sadržajem kao šećer (380 kcal/100 g) 1,2-1,8 puta slađi. Međutim, studije pokazuju da potrošači fruktoze ne smanjuju unos kalorija, već jedu slatku hranu.

39. Oligosaharidi- to su oligomeri koji se sastoje od nekoliko (ne više od 20) monomera - monosaharida, za razliku od polisaharida, koji se sastoje od desetina, stotina ili hiljada monosaharida; - spojevi izgrađeni od nekoliko monosaharidnih ostataka (od 2 do 10) povezanih glikozidnom vezom.

Vrlo važan i rasprostranjen poseban slučaj oligosaharida su disaharidi - dimeri koji se sastoje od dva molekula monosaharida.

Možete razgovarati i o tri-, tetra-, itd. saharidi

40. Disaharidi- opšti naziv podklase oligosaharida u kojoj se molekula sastoji od dva monomera - monosaharida. Disaharidi nastaju reakcijom kondenzacije između dva monosaharida, obično heksoza. Reakcija kondenzacije uključuje uklanjanje vode. Veza između monosaharida koja nastaje kao rezultat kondenzacijske reakcije naziva se glikozidna veza.Ova veza se obično formira između 1. i 4. atoma ugljika susjednih monosaharidnih jedinica (1,4-glikozidna veza).

Proces kondenzacije može se ponoviti bezbroj puta, što rezultira stvaranjem ogromnih molekula polisaharida. Jednom kada se monosaharidne jedinice spoje, nazivaju se ostacima. Najčešći disaharidi su laktoza i saharoza.

Mutarotacija(od latinskog muto-change i rotatio - rotacija), promjena optičke vrijednosti. rotacija otopina optički aktivnih spojeva zbog njihove epimerizacije. Karakteristično za monosaharide, redukcijske oligosaharide, laktone itd. Mutarotaciju mogu katalizirati kiseline i baze. U slučaju glukoze, mutarotacija se objašnjava uspostavljanjem ravnoteže: U ravnoteži je prisutno 38% alfa oblika i 62% beta oblika. Srednji aldehidni oblik je sadržan u zanemarljivo malim koncentracijama. Prednosti, formiranje b-forme objašnjava se činjenicom da je termodinamički stabilniji.

Reakcije “srebrnog ogledala” i “bakarnog ogledala” karakteristične su za aldehide

1) Reakcija "srebrnog ogledala", formiranje Ag taloga na zidovima epruvete

2) Reakcija „bakarnog ogledala“, taloženje crvenog Cu2O precipitata

40. Zauzvrat, disaharidi, koji nastaju u nekim slučajevima tokom hidroliza polisaharida(maltoza pri hidrolizi škroba, celobioza pri hidrolizi celuloze) ili postojeća u organizmu u slobodnom obliku (laktoza, saharoza, trehaloza itd.), hidroliziraju se pod katalitičkim djelovanjem o- i p-glikozidaza do pojedinačnih monosaharida . Sve glikozidaze, s izuzetkom trehalaze (ot, omrehaloza-glukohidroksigasa), odlikuju se širokim spektrom specifičnosti, ubrzavajući hidrolizu gotovo svih glikozida koji su derivati ​​jednog ili drugog a- ili (3-monosaharida. -glukozidaza ubrzava reakciju hidrolize a-glukozida, uključujući maltozu;p-glukozidaze -p-glukozida, uključujući celobiozu;B-galaktozidaze -B-galaktozida i među njima laktoze itd. Primjeri djelovanja a i P-glukozidaza su dato ranije

41. Prema neuspjehu hemijska struktura disaharida trehalozni tip (glikozid-glikozidi) i tip maltoze (glikozid-glukoza) imaju značajno različite hemijske osobine: prvi ne daju nikakve reakcije karakteristične za aldehidnu ili ketonsku grupu, tj. ne oksidiraju, ne redukuju se, ne stvaraju ozazone , ulaze u reakciju polikodenzacije (ne smole), ne mutarotiraju itd. Za disaharide kao što je maltoza, sve navedene reakcije su, naprotiv, vrlo karakteristične. Razlog za ovu razliku je sasvim jasan iz onoga što je gore rečeno o dvije vrste disaharidne strukture i svojstvima monosaharidnih ostataka uključenih u njihov sastav. Ona leži u činjenici da je samo u disaharidima kao što je maltoza moguća prstenasta tautomerija, usled čega nastaje slobodna aldehidna ili ketonska grupa, koja pokazuje svoja karakteristična svojstva.

Za alkoholne hidroksile, obje vrste disaharida daju iste reakcije: formiraju etere i estere i stupaju u interakciju s hidratima metalnih oksida.

U prirodi postoji veliki broj disaharida; Najvažnije među njima su gore navedene trehaloze i maltoze, kao i saharoza, celobioza i laktoza.

42. Maltoza(od engleskog malt - slad) - sladni šećer, prirodni disaharid koji se sastoji od dva ostatka glukoze; sadržano u velike količine u proklijalim žitaricama (slad) ječma, raži i drugih žitarica; nalazi se i u paradajzu, polenu i nektaru brojnih biljaka. M. je lako rastvorljiv u vodi i slatkog je ukusa; je redukcijski šećer jer ima nesupstituiranu hemiacetalnu hidroksilnu grupu. Biosinteza M. iz b-D-glukopiranozilfosfata i D-glukoze poznata je samo kod nekih vrsta bakterija. U životinjskim i biljnim organizmima magnezijum nastaje enzimskom razgradnjom škroba i glikogena (vidi Amilaza). Razgradnja M. na dva ostatka glukoze nastaje kao rezultat djelovanja enzima a-glukozidaze, ili maltaze, koji se nalazi u probavnim sokovima životinja i ljudi, u proklijalim žitaricama, u plijesni i kvascu. Genetski uvjetovani nedostatak ovog enzima u ljudskoj crijevnoj sluznici dovodi do kongenitalne netolerancije na M. - ozbiljna bolest, što zahtijeva isključenje M., škroba i glikogena iz prehrane ili dodavanje enzima maltaze u hranu.

Kada se maltoza prokuha s razrijeđenom kiselinom i pod djelovanjem enzima, maltaza se hidrolizira (nastaju dvije molekule glukoze C6H12O6). Maltoza se lako apsorbuje u ljudskom tijelu. Molekulska težina - 342,32 T Tačka topljenja - 108 (bezvodno)

43. Laktoza(od latinskog lactis - mlijeko) C12H22O11 - ugljikohidrat grupe disaharida, koji se nalazi u mlijeku i mliječnim proizvodima. Molekul laktoze se sastoji od ostataka molekula glukoze i galaktoze. Laktoza se ponekad naziva i mlečnim šećerom.

Hemijska svojstva. Kada se prokuva sa razblaženom kiselinom, laktoza se hidrolizira.

Laktoza se dobija iz mlečne surutke.

Aplikacija. Koristi se za pripremu medija za uzgoj, na primjer u proizvodnji penicilina. Koristi se kao ekscipijens(pomoćna tvar) u farmaceutskoj industriji.

Od laktoze se dobija laktuloza - vrijedan lijek za liječenje crijevnih smetnji, poput zatvora.

44. Saharoza C12H22O11, ili šećer od repe, šećer od trske, u svakodnevnom životu samo šećer - disaharid koji se sastoji od dva monosaharida - α-glukoze i β-fruktoze.

Saharoza je vrlo čest disaharid u prirodi; nalazi se u velikom broju voća, voća i bobica. Sadržaj saharoze posebno je visok u šećernoj repi i šećernoj trsci, koji se koriste za industrijsku proizvodnju konzumnog šećera.

Saharoza ima visoku rastvorljivost. Hemijski je fruktoza prilično inertna, tj. kada se kreće s jednog mjesta na drugo, gotovo da ne učestvuje u metabolizmu. Ponekad se saharoza pohranjuje kao rezervni nutrijent.

Saharoza, ulazeći u crijevo, brzo se hidrolizira alfa-glukozidazom u tankom crijevu u glukozu i fruktozu, koje se zatim apsorbiraju u krv. Inhibitori alfa-glukozidaze, kao što je akarboza, inhibiraju razgradnju i apsorpciju saharoze, kao i drugih ugljikohidrata hidroliziranih alfa-glukozidazom, posebno škroba. Koristi se u liječenju dijabetesa tipa 2. Sinonimi: alfa-D-glukopiranozil-beta-D-fruktofuranozid, šećer od repe, šećer od trske.

Hemijska i fizička svojstva. Molekularna težina 342,3 amu. Bruto formula (Hill sistem): C12H22O11. Okus je slatkast. Rastvorljivost (grami na 100 grama): u vodi 179 (0°C) i 487 (100°C), u etanolu 0,9 (20°C). Slabo rastvorljiv u metanolu. Nerastvorljivo u dietil eteru. Gustina 1,5879 g/cm3 (15°C). Specifična rotacija za natrijum D-liniju: 66,53 (voda; 35 g/100 g; 20°C). Kada se ohladi tečnim vazduhom i osvetli jakom svetlošću, kristali saharoze fosforesciraju. Ne pokazuje redukciona svojstva - ne reaguje sa Tollensovim reagensom i Fehlingovim reagensom. Prisustvo hidroksilnih grupa u molekulu saharoze lako se potvrđuje reakcijom sa hidroksidima metala. Ako se otopina saharoze doda bakar(II) hidroksidu, nastaje svijetloplava otopina bakrene saharoze. U saharozi nema aldehidne grupe: kada se zagreva sa rastvorom amonijaka srebrovog (I) oksida, ne daje „srebrno ogledalo“; kada se zagreva sa bakar (II) hidroksidom, ne formira crveni bakar (I) oksid . Među izomerima saharoze sa molekulskom formulom C12H22O11 mogu se razlikovati maltoza i laktoza.

Reakcija saharoze sa vodom. Ako otopinu saharoze prokuhate s nekoliko kapi klorovodične ili sumporne kiseline i neutralizirate kiselinu alkalijom, a zatim zagrijete otopinu, pojavljuju se molekule s aldehidnim grupama koje redukuju bakar (II) hidroksid u bakrov (I) oksid. Ova reakcija pokazuje da se saharoza podvrgava hidrolizi pod katalitičkim djelovanjem kiseline, što rezultira stvaranjem glukoze i fruktoze: C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6

Prirodni i antropogeni izvori. Sadrži u šećernoj trsci, šećernoj repi (do 28% suhe tvari), biljnim sokovima i voću (na primjer, breza, javor, dinja i šargarepa). Izvor saharoze - iz repe ili trske - određen je omjerom sadržaja stabilnih izotopa ugljika 12C i 13C. Šećerna repa ima C3 mehanizam za asimilaciju ugljen-dioksida (preko fosfoglicerinske kiseline) i prvenstveno apsorbuje izotop 12C; Šećerna trska ima C4 mehanizam za apsorpciju ugljičnog dioksida (preko oksalosirćetne kiseline) i prvenstveno apsorbira izotop 13C.

45. Cellobiose- ugljikohidrat iz grupe disaharida, koji se sastoji od dva ostatka glukoze povezanih β-glukozidnom vezom; glavna strukturna jedinica celuloze.

Bijela kristalna supstanca, dobro rastvorljiva u vodi. Celobiozu karakteriziraju reakcije koje uključuju aldehidnu (hemiacetalnu) grupu i hidroksilne grupe. Tokom kisele hidrolize ili pod dejstvom enzima β-glukozidaze, celobioza se razgrađuje u 2 molekula glukoze.

Celobioza se dobija parcijalnom hidrolizom celuloze. Celobioza se nalazi u slobodnom obliku u soku nekih stabala.

46. ​​Polisaharidi- opšti naziv za klasu složenih visokomolekularnih ugljenih hidrata, čiji se molekuli sastoje od desetina, stotina ili hiljada monomera - monosaharida.

Polisaharidi su neophodni za život životinjskih i biljnih organizama. Oni su jedan od glavnih izvora energije koja nastaje kao rezultat tjelesnog metabolizma. Učestvuju u imunološkim procesima, osiguravaju adheziju ćelija u tkivima i čine najveći dio organske tvari u biosferi.

Utvrđena je raznovrsna biološka aktivnost polisaharida biljnog porijekla: antibiotska, antivirusna, antitumorska, protuotrovna [izvor nije naveden 236 dana]. Polisaharidi biljnog porijekla imaju važnu ulogu u smanjenju lipemije i vaskularne ateromatoze zbog svoje sposobnosti da formiraju komplekse s proteinima i lipoproteinima u krvnoj plazmi.

Polisaharidi uključuju, posebno:

dekstrin je polisaharid, proizvod hidrolize škroba;

skrob je glavni polisaharid deponovan kao rezerva energije u biljnim organizmima;

glikogen je polisaharid deponovan kao rezerva energije u ćelijama životinjskih organizama, ali se u malim količinama nalazi u biljnim tkivima;

celuloza je glavni strukturni polisaharid zidova biljnih ćelija;

galaktomanani - polisaharidi za skladištenje nekih biljaka iz porodice mahunarki, kao što su guarana i guma od zrna rogača;

glukomanan je polisaharid dobijen iz gomolja konjaka, koji se sastoji od naizmjeničnih jedinica glukoze i manoze, rastvorljivih dijetalnih vlakana koja smanjuju apetit;

amiloid - koristi se u proizvodnji pergamentnog papira.

celuloza ( od lat. cellula - ćelija, isto što i vlakno) - [C6H7O2(OH)3]n, polisaharid; glavna komponenta ćelijskih membrana svih viših biljaka.

Celuloza se sastoji od ostataka molekula glukoze, koji nastaju kiselom hidrolizom celuloze:

(C6H10O5)n + nH2O -> nC6H12O6

Celuloza je duga nit koja sadrži 300-2500 ostataka glukoze, bez bočnih grana. Ove niti su međusobno povezane mnogim vodoničnim vezama, što daje celulozi veću mehaničku čvrstoću. Sisavci (kao i većina drugih životinja) nemaju enzime koji mogu razgraditi celulozu. Međutim, mnogi biljojedi (na primjer, preživari) imaju simbiontske bakterije u probavnom traktu koje se razgrađuju i pomažu domaćinima da apsorbiraju ovaj polisaharid.

Industrijskom metodom celuloza se proizvodi kuvanjem u fabrikama celuloze koje su deo industrijskih kompleksa (mlinova). Na osnovu vrste upotrijebljenih reagensa razlikuju se sljedeće metode kuhanja pulpe:

Sulfit. Otopina za kuhanje sadrži sumpornu kiselinu i njenu sol, na primjer natrijum hidrosulfit. Ova metoda se koristi za dobijanje celuloze od nisko-smolnih vrsta drveta: smreke, jele.

alkalna:

Natronny. Koristi se rastvor natrijum hidroksida. Metoda sode može se koristiti za dobivanje celuloze iz listopadnog drveta i jednogodišnjih biljaka.

Sulfat. Najčešća metoda danas. Reagens koji se koristi je otopina koja sadrži natrijum hidroksid i natrijum sulfid, nazvana bijela tečnost. Metoda je dobila ime po natrijum sulfatu iz kojeg se u fabrikama celuloze dobija sulfid za belu tečnost. Metoda je pogodna za proizvodnju celuloze iz bilo koje vrste biljnog materijala. Nedostatak mu je oslobađanje velike količine sumpornih spojeva neugodnog mirisa: metil merkaptana, dimetil sulfida itd. kao rezultat štetnih reakcija.

Tehnička celuloza dobivena nakon kuhanja sadrži razne nečistoće: lignin, hemiceluloze. Ako je celuloza namijenjena za kemijsku obradu (na primjer, za proizvodnju umjetnih vlakana), tada se podvrgava rafiniranju - tretmanu hladnom ili vrućom otopinom alkalija za uklanjanje hemiceluloze.

Da bi se uklonio ostatak lignina i pulpa učinila bijelom, izbjeljuje se. Tradicionalno izbjeljivanje klorom uključuje dva koraka:

tretman hlorom - za uništavanje makromolekula lignina;

alkalna obrada - za ekstrakciju nastalih produkata razaranja lignina.

47. Škrob- polisaharidi amiloze i amilopektina, čiji je monomer alfa-glukoza. Škrob, koji sintetiziraju različite biljke pod utjecajem svjetlosti (fotosinteza), ima nekoliko različitih sastava i strukture zrna.

Biološka svojstva.Škrob, kao jedan od proizvoda fotosinteze, rasprostranjen je u prirodi. Za biljke je rezerva hranljive materije a nalazi se uglavnom u plodovima, sjemenkama i krtolama. Zrna žitarica su najbogatija skrobom: pirinča (do 86%), pšenice (do 75%), kukuruza (do 72%) i krtola krompira (do 24%).

Za ljudsko tijelo, škrob, zajedno sa saharozom, služi kao glavni dobavljač ugljikohidrata - jedne od najvažnijih komponenti hrane. Pod djelovanjem enzima škrob se hidrolizira do glukoze, koja se u stanicama oksidira u ugljični dioksid i vodu, oslobađajući energiju potrebnu za funkcioniranje živog organizma.

Biosinteza. Dio glukoze proizvedene u zelenim biljkama tokom fotosinteze pretvara se u škrob:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

nC6H12O6(glukoza) → (C6H10O5)n + nH2O

Generalno, ovo se može napisati kao 6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n 6nO2.

Skrob se akumulira u gomoljima, plodovima i sjemenkama biljaka kao rezervna ishrana. Tako gomolji krompira sadrže do 24% skroba, zrna pšenice - do 64%, pirinač - 75%, kukuruz - 70%.

Glikogen je polisaharid, formiran od ostataka glukoze; glavni skladišni ugljikohidrat kod ljudi i životinja. Glikogen (koji se ponekad naziva i životinjski škrob, iako je izraz neprecizan) je primarni oblik skladištenja glukoze u životinjskim stanicama. Deponuje se u obliku granula u citoplazmi u mnogim vrstama ćelija (uglavnom u jetri i mišićima). Glikogen stvara rezervu energije koja se može brzo mobilizirati ako je potrebno da se nadoknadi iznenadni nedostatak glukoze. Skladištenje glikogena, međutim, nije tako gusto u kalorijama po gramu kao skladištenje triglicerida (masti). Samo glikogen pohranjen u ćelijama jetre (hepatocitima) može se pretvoriti u glukozu kako bi napajao cijelo tijelo, a hepatociti su u stanju pohraniti do 8 posto svoje težine u obliku glikogena, što je najveća koncentracija bilo koje vrste stanica. Ukupna masa glikogena u jetri može dostići 100-120 grama kod odraslih. U mišićima se glikogen prerađuje u glukozu isključivo za lokalnu potrošnju i akumulira se u mnogo nižim koncentracijama (ne više od 1% ukupna masa mišića), u isto vrijeme, njegova ukupna mišićna rezerva može premašiti rezervu akumuliranu u hepatocitima. Ne veliki broj glikogen se nalazi u bubrezima, a još manje u određenim vrstama moždanih stanica (glijalnih) i bijelih krvnih stanica.

48. Hitin (C8H13O5N) (francuski hitin, od grčkog chiton: chiton - odjeća, koža, školjka) - prirodno jedinjenje iz grupe polisaharida koji sadrže dušik. Hemijski naziv: poli-N-acetil-D-glukoza-2-amin, polimer ostataka N-acetilglukozamina povezanih b-(1,4)-glikozidnim vezama. Glavna komponenta egzoskeleta (kutikule) člankonožaca i niza drugih beskičmenjaka, dio je stanične stijenke gljivica i bakterija.

Rasprostranjenost u prirodi. Hitin je jedan od najčešćih polisaharida u prirodi; svake godine na Zemlji se oko 10 gigatona hitina formira i razgrađuje u živim organizmima.

Obavlja zaštitne i potporne funkcije, osiguravajući krutost stanica - nalazi se u ćelijskim zidovima gljivica.

Glavna komponenta egzoskeleta artropoda.

Hitin se formira i u tijelima mnogih drugih životinja - raznih crva, koelenterata itd.

U svim organizmima koji proizvode i koriste hitin, on se ne nalazi u čistom obliku, već u kombinaciji s drugim polisaharidima, te je vrlo često povezan s proteinima. Unatoč činjenici da je hitin supstanca vrlo slična po strukturi, fizička i hemijska svojstva i biološka uloga celuloze, hitin se nije mogao naći u organizmima koji formiraju celulozu (biljke, neke bakterije).

Hemija hitina. U svom prirodnom obliku, hitini iz različitih organizama se donekle razlikuju po sastavu i svojstvima. Molekularna težina hitina dostiže 260.000.

Hitin je nerastvorljiv u vodi i otporan na razrijeđene kiseline, baze, alkohol i druge organske rastvarače. Rastvorljiv u koncentrovanim rastvorima nekih soli (cink hlorid, litijum tiocijanat, kalcijumove soli).

Kada se zagrije s koncentriranim otopinama mineralnih kiselina, uništava se (hidrolizira), eliminirajući acetilne grupe.

Praktična upotreba. Jedan od derivata hitina, koji se iz njega dobija industrijski, je hitozan. Sirovine za njegovu proizvodnju su školjke rakova (kril, kraljevski rak), kao i proizvodi mikrobiološke sinteze.

49. Aromatični ugljovodonici, organska jedinjenja koja se sastoje od ugljenika i vodonika i sadrže jezgra benzena. Najjednostavniji i najvažniji predstavnici A. u. - benzen (I) i njegovi homolozi: metilbenzen, ili toluen (II), dimetilbenzen ili ksilen, itd. također uključuju derivate benzena sa nezasićenim bočnim lancima, na primjer stiren (III). Postoje mnogi poznati A.u. sa nekoliko jezgri benzena u molekulu, na primjer difenilmetan (IV), difenil C6H5-C6H5, u kojem su oba jezgra benzena direktno povezana jedno s drugim; u naftalenu (V) oba prstena dijele 2 atoma ugljika; takvi ugljovodonici se nazivaju A.u. sa kondenzovanim jezgrima.

Benzen C6H6, PhH) je organsko hemijsko jedinjenje, bezbojna tečnost prijatnog slatkastog mirisa. Aromatični ugljovodonik. Benzen je sastavni dio benzina, ima široku primjenu u industriji i sirovina je za proizvodnju lijekova, raznih plastičnih masa, sintetičke gume i boja. Iako je benzen sastavni dio sirove nafte, sintetizira se u industrijskim razmjerima iz drugih komponenti. Toksičan, kancerogen.

Homolozi- Jedinjenja koja pripadaju istoj klasi, ali se međusobno razlikuju po sastavu za cijeli broj CH2 grupa. Ukupnost svih homologa čini homološki niz.

Fizička svojstva. Bezbojna tečnost sa posebnim oštrim mirisom. Tačka topljenja = 5,5 °C, tačka ključanja = 80,1 °C, gustina = 0,879 g/cm³, molekulska težina = 78,11 g/mol. Kao i svi ugljikovodici, benzen sagorijeva i proizvodi mnogo čađi. Tvori eksplozivne smjese sa zrakom, dobro se miješa sa eterima, benzinom i drugim organskim rastvaračima, s vodom stvara azeotropnu smjesu s tačkom ključanja od 69,25 °C. Rastvorljivost u vodi 1,79 g/l (na 25 °C).

Struktura. Benzen po sastavu pripada nezasićenim ugljovodonicima (homologna serija CnH2n-6), ali za razliku od ugljovodonika serije etilena, C2H4 pokazuje svojstva svojstvena zasićenim ugljovodonicima u teškim uslovima, ali je benzen skloniji reakcijama supstitucije. Ovo „ponašanje“ benzena objašnjava se njegovom posebnom strukturom: prisustvom konjugovanog oblaka 6π-elektrona u strukturi. Moderno razumijevanje elektronske prirode veza u benzenu zasniva se na hipotezi Linusa Paulinga, koji je predložio da se molekula benzena prikaže kao šesterokut s upisanim krugom, čime se naglašava odsustvo fiksnih dvostrukih veza i prisustvo jednog elektrona. oblak koji pokriva svih šest atoma ugljenika u ciklusu.

50. Aromatična jedinjenja (areni)- ciklična organska jedinjenja koja sadrže sistem aromatičnih veza. Mogu imati zasićene ili nezasićene bočne lance.

Najvažniji aromatični ugljovodonici uključuju benzen C6H6 i njegove homologe: toluen C6H5CH3, ksilen C6H4(CH3)2, itd.; naftalen C10H8, antracen C14H10 i njihovi derivati. Izrazita hemijska svojstva- povećana stabilnost aromatičnog jezgra i sklonost reakcijama supstitucije. Glavni izvori aromatičnih ugljikovodika su katran ugljena, nafta i naftni derivati. Sintetički načini proizvodnje su od velike važnosti. Aromatični ugljovodonici su polazni proizvodi za proizvodnju ketona, aldehida i aromatičnih kiselina, kao i mnogih drugih supstanci. Postoje i heterociklični areni, među kojima se najčešće nalaze u čistom obliku iu obliku jedinjenja piridin, pirol, furan i tiofen, indol, purin, kinolin.

Borazol („anorganski benzen“) je takođe aromatičan, ali se njegova svojstva značajno razlikuju od svojstva organskih arena.

Elektrofilne supstitucijske reakcije"(eng. substitution electrophilic response) - supstitucijske reakcije u kojima napad vrši elektrofil - čestica koja je pozitivno naelektrisana ili ima manjak elektrona. Kada se formira nova veza, odlazeća čestica, elektrofag, se odvaja bez svog elektronskog para. Najpopularnija odlazeća grupa je H+ proton.

51-52. Reakcije aromatične elektrofilne supstitucije

Za aromatične sisteme zapravo postoji jedan mehanizam elektrofilne supstitucije - SEAR. Mehanizam SE1 (sličan mehanizmu SN1) je izuzetno rijedak, a SE2 (sličan SN2 mehanizmu) uopće nije pronađen.

SEAR mehanizam reakcije ili aromatična elektrofilna supstitucijska reakcija (eng. substitution electrophilic aromatic) je najčešća i najvažnija među reakcijama supstitucije aromatičnih jedinjenja i sastoji se od dva stupnja. U prvoj fazi se dodaje elektrofil, a u drugoj fazi se odvaja elektrofuga.

Tokom reakcije nastaje pozitivno nabijeni intermedijer (na slici 2b). Zove se Uelandov intermedijer, aronijum ion ili σ-kompleks. Ovaj kompleks je općenito vrlo reaktivan i lako se stabilizira, brzo eliminirajući kation. Korak koji ograničava brzinu u velikoj većini SEAR reakcija je prvi korak.

Brzina reakcije = k**

Vrste koje napadaju obično su relativno slabi elektrofili, pa se u većini slučajeva SEAR reakcija odvija pod djelovanjem katalizatora - Lewisove kiseline. Najčešće se koriste AlCl3, FeCl3, FeBr3, ZnCl2.

U ovom slučaju, mehanizam reakcije je sljedeći (na primjeru hloriranja benzena, FeCl3 katalizatora):

1. U prvoj fazi, katalizator stupa u interakciju s česticom koja napada formirajući aktivni elektrofilni agens

U drugoj fazi, zapravo, implementiran je SEAR mehanizam

53. Heterociklična jedinjenja(heterocikli) - organska jedinjenja koja sadrže cikluse, koji, uz ugljik, uključuju i atome drugih elemenata. Mogu se smatrati karbocikličkim jedinjenjima sa heterosupstituentima (heteroatomima) u prstenu. Najraznovrsnija i dobro proučavana su aromatična heterociklična jedinjenja koja sadrže azot. Ograničavajući slučajevi heterocikličkih spojeva su spojevi koji ne sadrže atome ugljika u prstenu, na primjer pentazol.

Pyrol- aromatični petočlani azotni heterocikl, ima slaba osnovna svojstva. Sadrži u koštanom ulju (koje se dobija suhom destilacijom kostiju), kao i u katran uglja. Pirolni prstenovi su dio porfirina – biljnog hlorofila, hema hemoglobina i citokroma i niza drugih biološki važnih jedinjenja.

Struktura i svojstva. Pirol je bezbojna tečnost sa mirisom sličnim hloroformu, koja polako tamni kada je izložena vazduhu. Blago je higroskopan, slabo rastvorljiv u vodi i veoma rastvorljiv u većini organskih rastvarača. Strukturu pirola predložio je 1870. godine Bayer, na osnovu njegove oksidacije hromnom kiselinom u maleimid i njegovog formiranja tokom destilacije sukcinimida sa cinkovom prašinom.

Kiselost i metalizacija. Pirol je slaba NH kiselina (pKa 17,5 u vodi) i reaguje sa alkalnim metalima i njihovim amidima u tečnom amonijaku ili inertnim rastvaračima, deprotonirajući na poziciji 1 i formirajući odgovarajuće soli. Slično se odvija i reakcija s Grignardovim reagensima, pri čemu nastaju soli N-magnezija. N-supstituirani piroli reagiraju s butilom i fenillitijumom, metalirajući na α-poziciji.

54. INDOL (benzo[b]pirol), mol. m. 117,18; bezbojan kristali sa slabim mirisom naftalena; m.p. 52,5 °C, bp. 254 °C; d456 1,0718; sublimira kada se zagreje. do 150°C; m 7.03.10-30 Kl.m (benzen, 25 °C); destiluje vodenu paru, dietil eter i NH3; well sol. u org. r-trgovci na malo, vruća voda, tečni NH3. Molekul ima ravnu konfiguraciju.

Indol je slaba baza (pKa -2,4). Kada se protonira, formira 3H-indolijum kation (forma I), koji nakon interakcije. sa neutralnim molekulom, indol daje dimer (II). Kao slabo jedinjenje (pKa 17), indol sa Na u tečnom NH3 formira N-natrijum indol, sa KOH na 130°C - N-kalijum indol. Aromatičan je. Sveta ti. Electroph. zamjena ide Ch. arr. na poziciju 3. Nitracija se obično vrši benzoil nitratom, sulfoniranje piridin sulfotrioksidom, bromiranje dioksan dibromidom, hloriranje sa SO2Cl2, alkilacija aktivnim alkil halogenidima. Acetilacija u sirćetnoj kiselini se takođe dešava na poziciji 3, u prisustvu. CH3COONa - na poziciju 1; 1,3-diacetilindol nastaje u sirćetnom anhidridu. Indol se lako vezuje za dvostruku vezu a,b-nezasićenih ketona i nitrila.

Aminometilacija (Manich rastvor) se dešava na poziciji 1 u blagim uslovima, a na poziciji 3 u teškim uslovima. Supstitucija u benzenski prsten (pretežno na pozicijama 4 i 6) se dešava samo u kiselim sredinama kada je položaj 3 blokiran. H2O2, perkiseline ili na svjetlu, indol se oksidira u indoksil, koji se zatim pretvara. u trimeru ili indigu. Jača oksidacija pod uticajem O3, MnO2 dovodi do pucanja pirolnog prstena sa stvaranjem 2-formamidobenzaldehida. Kada se indol hidrogeniše vodonikom u blagim uslovima, pirolni prsten se redukuje, a u težim uslovima, smanjuje se i benzenski prsten.

Indol se nalazi u esencijalna ulja jasmina i citrusa, dio je Kam.-Ug. smola. Indolni prsten je fragment važnih prirodnih molekula. spojeva (npr. triptofan, serotonin, melatonin, bufotenin). Tipično, indol se izoluje iz naftalenske frakcije Kam.-Ug. smole ili dobivene dehidrogenacijom o-etilanilina s posljednjim. ciklizacija rezultirajućeg proizvoda. Indol i njegovi derivati ​​se također sintetiziraju ciklizacijom arilhidrazona karbonilnih jedinjenja. (District Fischer), interakcija. arilamini sa a-halo- ili a-hidroksikarbonil jedinjenjima. (Bishler distrikt) itd. Jezgro indola je dio indol alkaloida. Indol je sam po sebi fiksator mirisa u parfimeriji; njegovi derivati ​​se koriste u proizvodnji biološki aktivnih jedinjenja. (hormoni, halucinogeni) i lijekovi. sri (npr. indopan, indometacin).

55. Imidazole- organsko jedinjenje klase heterocikla, petočlani prsten sa dva atoma dušika i tri atoma ugljika u prstenu, izomerni prema pirazolu.

Svojstva. U nesupstituiranom imidazolu, pozicije 4 i 5 (atomi ugljika) su ekvivalentni zbog tautomerije. Aromatičan, reaguje sa diazonijum solima (kombinacija). Nitriran je i sulfoniran samo u kiseloj sredini na poziciji 4, halogeni ulaze na poziciju 2 u alkalnoj sredini, a na poziciji 4 u kiseloj sredini Lako se alkiluje i acilira na imin N, otvara ciklus pri interakciji sa otopine jakih kiselina i peroksida. Katalizuje hidrolizu teško saponifikovanih estera i amida karboksilnih kiselina.

Na bazi imidazola proizvodi se veliki broj različitih ionskih tekućina.

Metode prijema. Od orto-fenilendiamina preko benzimidazola i 4,5-imidazol dikarboksilne kiseline.

Interakcija glioksala (oksalaldehida) sa amonijakom i formaldehidom.

Biološka uloga. Imidazolni ciklus je dio esencijalne aminokiseline histidina. Strukturni fragment histamina, purinskih baza, dibazola.

56. Piridin- šestočlani aromatični heterocikl sa jednim atomom azota, bezbojna tečnost jakog neprijatnog mirisa; može se mešati sa vodom i organskim rastvaračima. Piridin je slaba baza, daje soli sa jakim mineralnim kiselinama i lako stvara dvostruke soli i kompleksna jedinjenja.

Potvrda. Glavni izvor piridina je katran ugljena.

Hemijska svojstva. Piridin pokazuje svojstva karakteristična za tercijarne amine: formira N-okside, N-alkilpiridinijumove soli i može da deluje kao ligand sigma-donora.

Istovremeno, piridin ima očigledna aromatična svojstva. Međutim, prisustvo atoma dušika u konjugacijskom prstenu dovodi do ozbiljne preraspodjele elektronske gustoće, što dovodi do snažnog smanjenja aktivnosti piridina u reakcijama elektrofilne aromatske supstitucije. U takvim reakcijama pretežno reaguju meta pozicije prstena.

Piridin karakteriziraju aromatične nukleofilne supstitucijske reakcije koje se javljaju pretežno na orto-para pozicijama prstena. Ova reaktivnost ukazuje na prirodu piridinskog prstena sa nedostatkom elektrona, što se može sažeti u sljedeće pravilo: reaktivnost piridina kao aromatičnog jedinjenja otprilike odgovara reaktivnosti nitrobenzena.

Aplikacija. Koristi se u sintezi boja, lekovitih supstanci, insekticida, u analitičkoj hemiji, kao rastvarač za mnoge organske i neke neorganske supstance, kao i za denaturaciju alkohola.

Sigurnost. Piridin je toksičan i utiče na nervni sistem i kožu.

57. Biološka uloga. Nikotinska kiselina je derivat piridina. Apsorbira se u želucu i dvanaestopalačnom crijevu, a zatim se podvrgava aminaciji, što rezultira nikotinoamidom, koji u tijelu, u kombinaciji s proteinima, stvara više od 80 enzima. Ovo je glavna fiziološka uloga vitamina B5. Dakle, nikotinska kiselina je dio tako važnih redoks enzima kao što je dehidrogeneza, koji kataliziraju uklanjanje vodika iz organskih tvari koje su oksidirane. Tako uklonjeni vodik ovi enzimi prenose do redoks enzima, koji uključuju riboflavin. Osim toga, u tijelu sisara, piridinski nukleotidi nastaju od nikotinamida (niacina) i nikotinske kiseline, koji služe kao koenzimi NAD i NADP. Nedostatak ovih prekursora kod životinja uzrokuje pelagru, bolest koja se manifestuje simptomima kože, gastrointestinalnog trakta i nervni sistem(dermatitis, dijareja, demencija). Kao koenzimi, NAD i NADP, prekursori niacina, uključeni su u mnoge redoks reakcije katalizirane dehidrogenazama. Biološki učinak nikotinske kiseline očituje se u vidu stimulacije sekretorne funkcije želuca i probavnih žlijezda (u njenom prisustvu u želucu povećava se koncentracija slobodne hlorovodonične kiseline). Pod utjecajem vitamina B5 povećava se biosinteza glikogena i smanjuje hiperglikemija, povećava se detoksikacijska funkcija jetre, šire se krvni sudovi, poboljšava mikrocirkulacija krvi.

Postoji veza između nikotinske kiseline i aminokiselina koje sadrže sumpor. Povećano izlučivanje metilnikotinamida u urinu u slučaju nedostatka proteina normalizira se uključivanjem u ishranu aminokiselina koje sadrže sumpor. Istovremeno se normalizira i sadržaj fosfopirinukleotida u jetri.

58. Pirimidin (C4N2H4, Pirimidin, 1,3- ili m-diazin, miazin) je heterociklično jedinjenje sa ravnim molekulom, najjednostavniji predstavnik 1,3-diazina.

Fizička svojstva. Pirimidin je bezbojni kristal karakterističnog mirisa.

Hemijska svojstva. Molekularna težina pirimidina je 80,09 g/mol. Pirimidin ispoljava svojstva slabe dikiseline baze, budući da atomi dušika mogu dodati protone kroz donor-akceptorske veze, čime stiču pozitivan naboj. Reaktivnost u reakcijama elektrofilne supstitucije pirimidina je smanjena zbog smanjenja elektronske gustine na pozicijama 2,4,6 uzrokovanog prisustvom dva atoma dušika u prstenu. Supstitucija je moguća samo u prisustvu supstituenata koji doniraju elektrone i usmjerena je na najmanje deaktiviranu poziciju 5. Međutim, nasuprot tome, pirimidin je aktivan prema nukleofilnim reagensima koji napadaju ugljike 2, 4 i 6 u prstenu.

Potvrda. Pirimidin se dobiva redukcijom halogeniranih derivata pirimidina. Ili od 2,4,6-trikloropirimidina, dobijenog tretiranjem barbiturne kiseline fosfor-hloroksidom.

Derivati ​​pirimidinaširoko rasprostranjene u živoj prirodi, gdje učestvuju u mnogim važnim biološkim procesima. Konkretno, derivati ​​kao što su citozin, timin, uracil su dio nukleotida, koji su strukturne jedinice nukleinskih kiselina; pirimidinsko jezgro je dio nekih vitamina B, posebno B1, koenzima i antibiotika.

59. Purin (C5N4H4, Purin)- heterociklično jedinjenje, najjednostavniji predstavnik imidazopirimidina.

Derivati ​​purina igraju važnu ulogu u hemiji prirodnih jedinjenja (baze purina DNK i RNK; koenzim NAD; alkaloidi, kofein, teofilin i teobromin; toksini, saksitoksin i srodna jedinjenja; mokraćna kiselina) i stoga u farmaceutskim proizvodima.

Adenin- azotna baza, amino derivat purina (6-aminopurin). Formira dvije vodikove veze sa uracilom i timinom (komplementarnost).

Fizička svojstva. Adenin je bezbojni kristal koji se tope na temperaturi od 360-365 C. Ima karakterističan maksimum apsorpcije (λmax) na 266 mmk (pH 7) sa molarnim koeficijentom ekstinkcije (εmax) od 13500.

Hemijska formula C5H5N5, molekulska težina 135,14 g/mol. Adenin pokazuje osnovna svojstva (pKa1=4,15; pKa2=9,8). U interakciji s dušičnom kiselinom, adenin gubi svoju amino grupu, pretvarajući se u hipoksantin (6-hidroksipurin). U vodenim rastvorima kristališe u kristalni hidrat sa tri molekula vode.

Rastvorljivost. Vrlo je topiv u vodi, posebno vrućoj; kako temperatura vode opada, topljivost adenina u njoj opada. Slabo rastvorljiv u alkoholu, hloroformu, eteru, kao iu kiselinama i alkalijama - nerastvorljiv.

Rasprostranjenost i značaj u prirodi. Adenin je dio mnogih jedinjenja vitalnih za žive organizme, kao što su: adenin, adenozin fosfotaze, adenozin fosforne kiseline, nukleinske kiseline, adenin nukleotidi itd. U obliku ovih jedinjenja adenin je široko rasprostranjen u živoj prirodi.

Guanine- azotna baza, amino derivat purina (6-hidroksi-2-aminopurin), je sastavni dio nukleinske kiseline. U DNK, tokom replikacije i transkripcije, formira tri vodonične veze sa citozinom (komplementarnost). Prvi put izolovan iz guana.

Fizička svojstva. Bezbojni, amorfni kristalni prah. Tačka topljenja 365 °C. Rastvor gvanina u HCl fluorescira. U alkalnim i kiselim sredinama ima dva maksimuma apsorpcije (λmax) u ultraljubičastom spektru: na 275 i 248 mmk (pH 2) i 246 i 273 mmk (pH 11).

Hemijska svojstva. Hemijska formula - C5H5N5O, molekulska težina - 151,15 g/mol. Pokazuje osnovna svojstva, pKa1= 3,3; pKa2= 9,2; pKa3=12,3. Reaguje sa kiselinama i alkalijama i formira soli.

Rastvorljivost. Dobro rastvorljiv u kiselinama i alkalijama, slabo rastvorljiv u etru, alkoholu, amonijaku i neutralnim rastvorima, nerastvorljiv u vodi .

Kvalitativne reakcije. Za određivanje gvanina istaloži se metafosfornom i pikrinom kiselinom, a sa diazosulfonskom kiselinom u rastvoru Na2CO3 daje crvenu boju.

Rasprostranjenost u prirodi i značaj. Dio nukleinskih kiselina.

60. Nukleozidi su glikozilamini koji sadrže dušičnu bazu vezanu za šećer (riboza ili deoksiriboza).

Nukleozidi se mogu fosforilirati ćelijskim kinazama u primarnoj alkoholnoj grupi šećera, što rezultira stvaranjem odgovarajućih nukleotida.

Nukleotidi- fosforni estri nukleozida, nukleozid fosfati. Slobodni nukleotidi, posebno ATP, cAMP, ADP, igraju važnu ulogu u energetskim i informacionim unutarćelijskim procesima, a takođe su i komponente nukleinskih kiselina i mnogih koenzima.

Nukleotidi su estri nukleozida i fosforne kiseline. Nukleozidi su, zauzvrat, N-glikozidi koji sadrže heterociklički fragment vezan preko atoma dušika na C-1 atom ostatka šećera.

Struktura nukleotida. U prirodi su najčešći nukleotidi β-N-glikozidi purina ili pirimidina i pentoze - D-riboza ili D-2-riboza. U zavisnosti od strukture pentoze, razlikuju se ribonukleotidi i deoksiribonukleotidi, koji su monomeri molekula složenih bioloških polimera (polinukleotida) - RNK odnosno DNK.

Fosfatni ostatak u nukleotidima obično formira estarsku vezu sa 2", 3" ili 5" hidroksilnim grupama ribonukleozida; u slučaju 2" deoksinukleozida, 3" ili 5" hidroksilne grupe su esterifikovane.

Spojevi koji se sastoje od dva nukleotidna molekula nazivaju se dinukleotidi, tri - trinukleotidi, mali broj - oligonukleotidi, a mnogi - polinukleotidi ili nukleinske kiseline.

Nazivi nukleotida su skraćenice u obliku standardnih troslovnih ili četveroslovnih kodova.

Ako skraćenica počinje malim slovom “d” (engleski d), to znači deoksiribonukleotid; odsustvo slova "d" znači ribonukleotid. Ako skraćenica počinje malim slovom "c" (engleski c), onda govorimo o cikličnom obliku nukleotida (na primjer, cAMP).

Prvo veliko slovo skraćenice označava određenu azotnu bazu ili grupu mogućih nukleinskih baza, drugo slovo označava broj ostataka fosforne kiseline u strukturi (M - mono-, D - di-, T - tri-), a treće veliko slovo je uvijek slovo F (“-fosfat”; engleski P).

Latinski i ruski kodovi za nukleinske baze:

A - A: Adenin; G - G: Guanin; C - C: citozin; T - T: Timin (5-metiluracil), koji se ne nalazi u RNK, zauzima mjesto uracila u DNK; U - U: Uracil, koji se ne nalazi u DNK, zauzima mjesto timina u RNK.