introduktion i basal organisk...

Cellbiologi, höstterminen 2005

Instuderingsstöd i

ORGANISK KEMI FÖR LÄKARLINJEN

Denna sammanställning är avsedd att användas som hjälp då du uppfriskar minnet av och kompletterar dina kunskaper i organisk kemi.

Version 2005-06-30 1


INLEDNING Den första frågan Du ställer är sannolikt "Vad skall jag med organisk kemi att göra? Jag skall ägna mig åt att bota människor.” Frågan är helt motiverad. Organisk kemi är en omfattande vetenskap som det är närmast omöjligt för en enstaka individ att behärska. Vissa delar av den organiska kemin ingår emellertid som en del av basvetenskapen i andra vetenskapsgrenar. Detta gäller i hög grad medicinen. Här några motiveringar varför Du som skall bli läkare behöver ett visst organiskt kemiskt kunnande. 1. Medicinen av idag har som grund cellbiologin, dvs kunskapen om hur cellerna är byggda och fungerar under normala förhållanden och vad som händer i dem vid sjukliga processer. 2. Cellerna är uppbyggda av stora och små molekyler. Molekylerna interagerar med varandra. Det sätt på vilket denna interaktion sker är beroende av molekylernas uppbyggnad. 3. Genom läkemedel av olika slag kan man påverka interaktionen mellan cellerna och deras olika komponenter. Denna påverkan är beroende av läkemedlets struktur. 4. Den levande cellen behöver energi för att kunna fungera. Denna energi skaffar sig cellen genom att stegvis bryta ner (oxidera eller som man ofta uttrycker det förbränna) näringsämnen. Det är energirika organiska molekyler som genom att omvandlas till andra mindre energirika molekyler levererar energi till cellerna. Det är också omvandlingen av molekylerna i födan som ger byggnadselement till cellernas struktur. Alla dessa omvandlingar är kemiska reaktioner som följer i den organiska kemin kända reaktioner. För att förstå hur sådana omvandlingar styres och för att kunna påverka dem fordras kunskap om molekylernas struktur. Men Du skall inte lära Dig organisk kemi på organiska kemisters villkor. Du skall lära Dig den organiska kemi Du behöver för att använda den som hjälpvetenskap när Du bygger upp Ditt medicinska kunnande. Vi, Dina lärare, skall försöka hjälpa Dig att välja de för medicinen väsentligaste avsnitten och handleda Dig i studierna. Glöm dock aldrig bort att det är endast genom att Du själv söker kunskapen som Du kommer ihåg den och lär Dig använda den. En nödvändig förutsättning är då att Du har en elementär uppfattning om hur kemiska föreningar bildas och om de bindningar som håller samman atomerna till molekyler. En skiss om kemiska bindningar har Du här nedan.

Version 2005-06-30 2


KEMISKA BINDNINGAR Ordet molekyl kommer från det latinska molecula som betyder liten massa. En molekyl innehåller minst två atomer. Atomerna är bundna till varandra med någon form av kemisk bindning. Det finns tre huvudtyper av kemiska bindningar mellan atomer: jonbindningar, kovalenta bindningar och metallbindningar. För vårt vidkommande är jonbindningar och framförallt kovalenta bindningar mest intressanta. Jonbindningar En jon bildas när en atom tar upp eller avger en elektron. I det första fallet bildas en negativ jon, i det andra fallet en positiv jon. Om en atom skall avge eller uppta en elektron beror på hur de kvarvarande elektronerna lättast kan ordna sig så att elektronerna kring atomkärnan kommer att motsvara elektronstrukturen hos en ädelgas. En jonbindning uppkommer när en positiv och en negativ jon kommer tillräckligt nära varandra. Det är elektrostatiska attraktioner som drar dem till varandra. Det klassiska exemplet är natrium och klor. Natrium kan genom att avge en elektron få ett elektronskal som svarar mot det som ädelgasen neon har. På samma sätt kan en kloratom genom att ta upp en elektron bilda en ädelgasstruktur. Den får också samma elektronskal som neon. Från att ha varit neutrala atomer med lika många elektroner i sitt skal som atomkärnan har positiva laddningar, så har det nu bildats två laddade atomer med en positiv respektive en negativ laddning. Jonbindningar uppkommer i första hand när den ena av de två atomer som ingår i föreningen lätt gör sig av med en eller två elektroner för att anta en ädelgasstruktur och där den andra atomen lätt tar till sig någon elektron. Kovalenta bindningar I en atom rör sig elektronerna i kretslopp runt atomkärnorna. Elektronerna rör sig i orbitaler. Ordet kommer från det latinska ordet orbis som betyder cirkel (orbiculus betyder liten cirkel). I en kovalent bindning har atomerna kommit så nära varandra att deras elektroner fördelar sig mellan atomerna så att de, oavsett från vilken atom de ursprungligen kommer, rör sig i ett kretslopp runt båda atomerna. Hur detta kretslopp går till kan matematiskt beskrivas genom Schrödingerekvationen, en ekvation vars studium ligger helt utför den begränsade uppfattning om organisk kemi som Du som medicinare behöver. Ett annat sådant teorem är att det inte kan finnas flera än två elektroner i samma orbital och dessa två elektroner måste ha mot varandra olika spinn. Med spinn menas elektronernas egen rotation. Detta kallas Paulis exklusionsprincip -- någonting som Du också kan lämna åt de organiska kemisterna att fundera över. Låt det vara nog med att veta att: egenskaperna hos de i bindningen deltagande atomerna bestämmer vilket avstånd som finns mellan centrum av de i bindningen ingående atomerna och i

Version 2005-06-30 3


vilken riktning bindningen sker, samt att den kovalenta bindningen består av s.k. elektronpar där den ena elektronen i paret kommer från den ena atomen och den andra från den andra av atomerna i bindningen. Vidare behöver alla elektroner ej vara jämnt fördelade inom molekylen. Elektronfördelningen inom molekylen är också något som bestämmes av de ingående atomernas egenskaper. Metallisk bindning Namnet anger att bindningen är karaktäristisk för metaller. Här har alla atomer förlorat sina i varje fall yttersta elektroner och dessa rör sig fritt mellan de kvarvaran-de "resterna" av atomerna. Detta är orsaken till metallernas förmåga att leda elektricitet, endast elektronerna rör på sig. Metalliska bindningar har vi ingen vidare orsak att diskutera. KOLVÄTEN Organisk kemi är kolets kemi. Kolatomerna kan binda till varandra genom kovalenta bindningar och på det sättet bilda långa kedjor av kolatomer. Förutom att binda till varandra kan kolatomer binda andra grundämnen. I biologiskt intressanta föreningar är det i första hand väte, syre, kväve och svavel som binds till kolet. Kolväten med rak mättad kolkedja Kolväten är ryggraden i den organiska kemin. Det enklaste kolvätet består av en kolatom till vilket är bundet fyra väteatomer genom kovalent bindning. Kolvätet heter metan. Dess kemiska formel är: CH4 Denna formel talar bara om att metan består av en atom kol och fyra atomer väte men den säger ingenting om hur dessa atomer inbördes är förenade med varandra. I organiska föreningar kan kol deltaga i fyra kovalenta bindningar, väte kan deltaga i en kovalent bindning. Med denna kunskap kan vi skriva en s.k. strukturformel för metan

CH

H

H

H Nästa kolväte heter etan och innehåller två kolatomer och sex väte. Dess formel är: C2H6

Version 2005-06-30 4


Dess strukturformel ser ut på följande sätt:

C C

H

H

H

H

H

H När vi har tre kolatomer i rad har vi propan med formeln: C3H8 och strukturformeln:

C C

H

H

H

H

C

H

H

H

H Nu kan Du nog föreställa Dig hur nästa kolväte som heter butan ser ut. Alla dessa kolväten heter paraffinkolväten. De innehåller en rak kedja av kolatomer till vilken väte är bundet. Man kan tänka sig nästa kolväte i serien bildat av det föregående genom att man adderat en grupp med formeln:

C

H

H En serie föreningar där nästa medlem i serien skiljer sig från de närmast föregående genom addition av en bestämd grupp kallas homologa serier. De fysikaliska egenskaperna i sådana serier ändras också på ett lagbundet sätt: Här nedan har Du en tabell som visar formel och kokpunkt för de första s.k. n - paraffinerna. n:et står för normal, dvs kolatomerna i kolvätet är förenade med varandra i rak följd. Namn Formel Kokpunkt ºC Metan CH4 - 160

Etan C2H6 - 89

Propan C3H8 - 42

Butan C4H10 0

Pentan C5H12 + 36 Hexan C6H14 + 69

Heptan C7H16 + 98

Oktan C8H18 + 126

Nonan C 9H20 + 151

Dekan C10H22 + 174

Version 2005-06-30 5


Lägg märke till att alla namn har ändelsen -an (i engelsk text -ane). Den första delen av namnet är med undantag av de fyra första i serien det latinska räkneordet för antalet kolatomer i kolvätet . Om kemiskt formelskrivande Mycket i studiet av den organiska kemi som förefaller nybörjaren svår är formelskrivandet. Det är möjligt att det är någon fobi från skolan som ligger bakom men den kan Du komma över om Du gör klart för Dig att formelskrivande inte är något självändamål utan är till för att Du skall kunna hämta information om en förenings struktur och kanske också litet om dess egenskaper, och att Du själv skall kunna meddela Dig med andra om ämnens struktur och egenskaper. Det sätt på vilket man skriver en formel för en förening är helt beroende av vad det är man diskuterar. Titta i tabellen härovan. Här har jag endast velat visa Dig antalet kol- och väteatomer i ett antal kolväten och vilken kokpunkt dessa föreningar har. Du kan utan vidare se sambandet mellan ett ökat antal kolatomer och kolvätets kokpunkt. Genom de strukturformler som jag ritat vill jag få Dig att förstå hur dessa atomer är sammansatta till molekyler i de olika kolvätena. Strukturformlerna för etan, propan och butan kan också skrivas på följande sätt:

CH3 CH3 CH3 CH2 CH3

CH3 CH2 CH2 CH3 Etan Propan Butan Med detta sätt att skriva vill jag få Dig att förstå att kolatomerna är bundna till varandra i en rak kedja och att det till varje kolatom är bundet det antal väteatomer som framgår ur figuren. För att förstå denna formel måste Du veta att kol har fyra kovalenta bindningar medan väte har en. Strukturformler försöker att ge en bild av hur molekylen ser ut men i den form Du ser den här är den en bristfällig karikatyr. Det som visas är ju faktiskt bara atomernas inbördes bindningsförhållande. Det ser ju faktiskt ut som om kolatomen sitter i mitten och med fyra bindningar i rät vinkel mot varandra sitter väteatomerna. Du skall strax erfara att detta bara motsvarar en del av verkligheten Instuderingsuppgift: Skriv strukturformel för butan, pentan, hexan, heptan, oktan, nonan och dekan. Kolväten med grenade men mättade kolkedjor

Version 2005-06-30 6


Om vi släpper kravet på att kolatomerna skall bilda en rak kedja så ser Du snart att strukturformeln för butan kan skrivas på två sätt:

CH3 CH2 CH2 CH3

CH3 CH CH3

CH3

n-Butan iso-Butan Med den senare formeln vill jag att Du skall förstå att kolvätet inte längre innehåller en rak kedja utan en grenad sådan. Antalet kolatomer och antalet väteatomer i de båda molekylerna är desamma. Båda kan beskrivas som C4H10 De är isomerer. De har samma molekylvikt. Men de har olika både kemiska och fysikaliska egenskaper. Butan har kokpunkten 0ºC medan isobutan har kokpunkten -12ºC. Alla kolväten vi talat om hittills kallas alkaner. Ett vanligt namn som användes tidigare är paraffiner. Ibland ser man uttrycket paraffinkolväten som beteckning för denna grupp av substanser. Namnet kommer från parum (liten, ej tillräckligt stor) och affinis (dragas till, vi säger också affinitet) och syftar på de mättade kolvätenas oförmåga att kemiskt reagera med andra ämnen. Dock reagerar de med luftens syre vid tillräckligt hög temperatur vilket gör att vi använder dem som bränsle i motorer och till uppvärmning. Med lämpliga knep kan man få dem att ingå föreningar av olika slag, och de så erhållna produkterna användes för framställning av bl. a. plaster. Den generella formeln för alkaner är: CnH2n + 2 Eftersom de olika kolvätena har olika kokpunkter kan man erhålla dem från petroleum (dvs råolja) genom fraktionerad destillation vid oljeraffinaderier. Cykliska mättade kolväten Hittills har vi sett kolväten med raka eller grenade kolkedjor. Det finns också en klass kolväten där kolatomerna förekommer i en ring av något slag.

CC

C

H H

H

H

H

H

C CC C

H

HH

HH

H

H

H

Cyklopropan Cyklobutan

Version 2005-06-30 7


Omättade kolväten Hos de cykliska kolvätena ser Du att antalet väteatomer är det dubbla i förhållande till antalet kolatomer. Det finns andra kolväten som inte är cykliska men vars sammansättning passar ihop med formeln: CnH2n Ett sådant kolväte är eten eller, som det vanligen kallas i biologiska och medicinska sammanhang, etylen C2H4 I etan med formeln C2H6 och strukturformeln

C CH

H

H

H

H

H är alla bindningarna upptagna mellan de båda kolatomerna eller mellan någon av väteatomerna och en kolatom. Strecken i formeln betyder att det finns ett elektronpar som orsak till att atomerna binds tillsammans. Det är alltså frågan om kovalenta bindningar. Om vi på motsvarande sätt försöker rita en strukturformel för eten får vi en underlig figur som ser ut på detta sätt:

C C

H

H

H

H

Denna formel kan inte motsvara verkligheten eftersom den visar två streck, dvs två elektronpar, och det finns ingen atom i strukturen som visar vad den andra elektronen skulle komma ifrån. Formeln är alltså fel. Det finns emellertid en möjlighet för kolatomerna att bilda elektronpar, nämligen med sig själva. Formeln kommer då att se ut på följande sätt:

CC

H

H

H

H

eller i förenklad form CH2 CH2

Version 2005-06-30 8


Med detta vill man visa att eten (etylen) innehåller två kolatomer som är bundna till varandra med två elektronparbindningar. Man säger att föreningen är omättad. Eten tillhör en serie kolväten som kallas alkener. Nästa medlem i serien är propene eller, med dess trivialnamn (vanliga namn), propylen.

CH3 CH CH2 .

Med fyra kolatomer får vi buten eller butylen:

CH3 CH2 CH CH2

Du ser genast att det finns olika möjligheter att placera dubbelbindningen mellan olika kolatomer - vi har en form av isomeri. Instuderingsuppgift: Skriv formler för olika alkener upp till 8 kolatomer. Skriv några isomerer. Med fyra kolatomer kan ytterligare dubbelbindningar förekomma:

CH2 CH CH CH2

Föreningen heter butadien. Föreningar med dubbelbindningar är mindre resistenta än föreningar med vanliga enkla elektronparbindningar. Brom eller jod t.ex. kan adderas till dubbelbindningar. Genom att bestämma hur mycket brom eller jod som tas upp av en förening kan man bestämma graden av omättnad hos olefiner som denna typ av ämnen kallas. Ännu högre grad av omättnad finner man hos alkynerna av vilket etyn eller, med dess långt vanligare namn, acetylen är en representant. CH CH Alkoholer Kolvätena innehåller endast kol och väte. Om man i metan byter ut en väteatom mot en OH -grupp får man metanol eller, som det också kallas, metylalkohol. Man kan kalla det för en oxidation. Längre fram skall vi se att termen oxidation tillämpas i en vidare bemärkelse.

C

H

H

H

H

C

H

H

H

OH

Metan Metanol Metylalkohol

Version 2005-06-30 9


eller i komprimerad form CH4 resp. CH3OH. Den senare formeln kan också skrivas H-CH2OH Tar vi etan i stället ser relationen ut på följande sätt:

C C

H

H

H H

H

H

C

H

H

H

C

H

OH

H

Etan Etanol Etylalkohol C2H6 C2H5OH CH3-CH2OH Formler för etanol är bra att kunna skriva Från propan kan vi härleda propanol och från butan butanol. Formler på dessa alkoholer har Du här nedan:

C C CH

H

H H

H H

H

OH

C C C CH

H H H H

OH

H H H H

C3H7OH C4H9OH CH3-CH2-CH2OH CH3-CH2-CH2-CH2OH Observera att alla dessa alkoholer innehåller atomgrupperingen -CH2OH. En sådan gruppering kallar vi en grupp eller radikal. Här heter gruppen primär alkoholgrupp. Föreningar med en -OH grupp bunden till kol är alkoholer. Varför heter den grupp vi nu studerar primär alkoholgrupp? Orsaken är att OH-gruppen är bunden till en primär kolatom. En primär kolatom är en kolatom som endast binder en annan kolatom. Om en kolatom binder två andra kolatomer kallar vi den en sekundär kolatom, om den binder tre andra kolatomer är det en tertiär kolatom och om den binder fyra andra kolatomer en kvartär kolatom. Studera strukturformlerna för metan, etan, propan och butan så inser Du att etan endast har primära kolatomer. Propan har två primära och en sekundär och butan har två primära och två sekundära kolatomer medan metan egentligen inte har någon vare sig sekundär eller primär kolatom - där finns det bara en ensam kolatom. Propanol och

Version 2005-06-30 10


butanol borde sålunda kunna förekomma med OH gruppen bunden till en sekundär kolatom och här nedan har Du formler för dessa molekyler

C C CH

H HH

H

HOHH

C C C CH

H H H H

H

HHOHH

CH3-CH(OH)-CH3 CH3-CH(OH)-CH2-CH3 Här ser Du som karaktäristisk grupp :

C

OH

H eller -COH- eller C(OH) Vi kallar den en sekundär alkoholgrupp. Det är klart att de olika propanolerna resp butanolerna är isomerer. Instuderingsuppgift: Finns det tertiära propanoler? Finns det tertiära butanoler och hur ser de olika pentanolerna ut ? Det finns substanser med två alkoholgrupper som t.ex.

C CH

H

OH OH

H

H CH2OH-CH2OH Etylenglykol C2H6O2 eller med tre alkoholgrupper:

Version 2005-06-30 11


C

C

C

H

H

OH

OH

OHH

H

H

CH2OH- CHOH-CH2OH Glycerol Glycerol innehåller alltså två primära alkoholgrupper och en sekundär alkoholgrupp. Formeln för glycerol är bra att känna till Aldehyder och ketoner Alkoholer kan oxideras till aldehyder. Oxidationen går till så att två väteatomer (dvs proton + elektron) flyttas från alkoholen till en väteacceptor med hjälp av en katalysator. Det väsentliga i oxidationen är att elektronerna flyttas över. Alla situationer där en elektron tas bort från en molekyl betyder att molekylen i fråga oxideras. I biologiska system sker denna transport av elektroner ofta genom transport av väte. (Blanda inte ihop väte med vätejonen, protonen här). Man har därför skapat termen dehydrogenering. Som elektronacceptor kan syre fungera. Här finns också förklaring till ordet ALDEHYD = dehydrogenerad alkohol. AL från alkohol DEHYD från dehydrogenering.

H C

H

H

OH + ½ O C

H

H

O + H2O

H-CH2OH + ½O2 ↔ H-CHO + H2O Metanol Metanal Metylalkohol Formaldehyd I biologin använder vi vanligen namnet formaldehyd. Ytterligare ett vanligt namn är formalin som oftast användes om en lösning av formaldehyd i vatten. Vid oxidationen av etanol får man etanal som också har ett i biologin använt trivialnamn, nämligen acetaldehyd. Nedan har Du denna reaktion skriven i dess korta form: CH3-CH2OH + ½O2 ↔ CH3-CHO + H2O

Version 2005-06-30 12


Etanol Etanal Etylalkohol Acetaldehyd Karaktäristisk grupp för aldehyder är

C

H

O - CHO Aldehydgrupp Om man oxiderar en sekundär alkohol får man en keton:

H C C

H

H

OH

H

C

H

H

+½O H H C

H

C

H

C

H

H

HO

+ H2O

2 - propanol 2 - propanon isopropyl alkohol aceton dimetylketon Likheten mellan aldehyder och ketoner är uppenbar. Om Du betraktar följande två formler:

C

O

R H C

O

R R1 A B ser Du att formel A är ett special fall av formeln B för den situation där R1 = H. Både aldehydgrupp och ketongrupp lystrar till namnet karbonyl.

Version 2005-06-30 13


Formler och nomenklatur Du har nu träffat på uttrycket radikal eller grupp. Den organiska kemin är fylld av sådana begrepp och viss kunskap därom behöver Du för kunna följa föreläsningar, gruppövningar och för att kunna läsa artiklar och förstå namn på läkemedel. I det följande kommer vi att beskriva de olika grupperna allteftersom vi träffar på dem och några har vi redan mött. Du har ovan uttrycket dimetylketon. Här är det uppenbarligen så att det finns två s.k. metylgrupper med i spelet. Metylgruppen är relaterad till metan och skrivs på följande sätt:

C

H

H

H

H CH

H

H

eller CH4 CH3- Metan Metyl- (grupp) Sådana grupper eller radikaler kan vara bundna till andra kolväten: alkoholer, aldehyder ketoner eller andra kolföreningar, cykliska, mättade eller omättade. Ett problem blir då att specificera på vilken kolatom i föreningen radikalen sitter. Man löser detta genom att ge kolatomerna i huvudstrukturen ett nummer. En sammanslutning av världens kemister som kallar sig själva International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC - har sedan 1892 sysslat med nomenklaturfrågor och reviderar med jämna mellanrum sina regler. Här nedan en förkortad version av de grunder som gäller nu 1. Välj som basstruktur den molekyl som har den längsta sammanhängande kolkedjan. Betrakta därefter den substans som Du vill beskriva som om den bildats ur denna basstruktur genom substitution av ett av dess väten med en radikal. 2. För att ange vid vilken kolatom substitutionen skett numrera denna. 3. I princip kan man börja räkna i vilken ända som helst men man väljer helst den kolatom som ger lägst nummer. 4. Om flera radikaler av samma slag sitter bundna till basstrukturen, ange då antalet med prefixet di-, tri-, tetra, penta- etc . 5. Om det finns flera olika substituenter, ange gruppen med dess namn och läget med siffror enligt principerna ovan. Man nämner radikalerna i bokstavsordning. Här några exempel.

Version 2005-06-30 14


CH3CHCH3

CH3

CH3CH2CH2CHCH3 CH3CH2CHCH2CH3

CH3 CH3 Metylpropan 2-metylpentan 3- metylpentan Notera att metylpropan lika gärna kan heta isobutan. Om man börjar numreringen i den andra ändan av basstrukturen skulle den kunna kallas 4-metylpropan vilket duger, men med tanke på regel 2 härovan använder man den beteckning som ger lägst nummer. Här ytterligare en komplicerad molekyl med dess IUPAC namn:

CH3CH2CH2CH CH

CH

CH3 CH3

CH3

C

CH2CH3

CH2CH3

CH2CH3

3,3-Dietyl-5-isopropyl-4-metyloktan Stereoisomeri De strukturformler som Du träffat på visar hur atomerna i olika molekyler är bundna till varandra. De säger däremot ingenting om hur atomerna är placerade i förhållande till varandra i rummet, dvs hur långt ligger de från varandra och vilka vinklar som finns mellan de olika bindningarna. Men andra ord, de formler Du träffat på säger ingenting om molekylens steriska organisation. Ordet sterisk (på engelska steric) betyder just organisation i rummet. Ursprungligen kommer det från grekiska stereos som betyder fast. Eftersom vi ritar formler på ett plant papper kan vi inte åstadkomma en sterisk bild av olika molekyler. Det vi kan åstadkomma är projektioner av olika slag. För att få en uppfattning om den steriska organisationen kring kolatomen i metan gäller följande: Kolatomen tänks placerad i tyngdpunkten av en liksidig tetraeder. I varje hörn av tetraedern befinner sig en väteatom.. Man kan vrida och vända på denna tetraeder på alla tänkbara sätt och den kommer att se likadan ut. Detsamma blir förhållande om vi till kolatomen binder någon annan radikal på någon av kolets bindningar. Om vi benämner olika radikaler med bokstäverna X och Z och substituerar två av väteatomerna i metan med var och en av dessa får vi följande struktur:

CZ

H

X

H

Med en modell är det lätt att visa att hur vi än placerar X, Z och H på hörnen i en tetrader så går det alltid att vrida den så att de vid något tillfälle kommer att vara

Version 2005-06-30 15


identiska. Om vi däremot i vår modell inkorporerar ytterligare en substituent, så kommer det att vara omöjligt att placera tetraederna i rummet så att de kommer att se likadana ut.

CX

Y

Z

H

De två molekylerna kommer att vara varandras spegelbilder. Ett enkelt sätt att förvissa sig om att så är fallet är att betrakta Dina två händer. Du kan aldrig vrida dem så att de komplett motsvarar varandra. Endast genom att titta på högerhanden i en spegel kan Du tro att det är vänsterhanden Du ser. Dessa två molekyler är steroisomerer. De har samma kokpunkt, samma smältpunkt, samma täthet och samma brytningsindex men skiljer sig i ett väsentligt avseende. Om planpolariserat ljus får passera en lösning av ämnet så vrides polarisationsplanet i ena fallet åt höger och i det andra fallet lika mycket åt vänster. Polariserat ljus erhåller man genom att låta ljuset passera vissa kristaller eller t.ex. glaset i polaroidglasögon. Om två sådana glas hålles efter varandra i en ljusstråle kan man genom att vrida det ena glaset åstadkomma att inget ljus släpps igenom. Om man från början justerar glasen så att allt ljus kommer igenom och sedan vrider det ena glaset så kommer inget ljus igenom det andra glaset när detta vridits 90o. Placerar man en lösning med förmågan att vrida det polariserade ljuset mellan de två glasen skall man finna att man måste vrida glaset efter lösningen ett visst antal grader för att ljuset skall passera. Vi kallar detta för optisk aktivitet. De två isomerer vi talade om karaktäriserades av att de innehöll en kolatom där alla bindningar skedde med olika atomer eller atomgrupper. Vi kallar en sådana kolatom för chiralcentrum (ordet kommer från grekiska cheir som betyder hand). Förr och ännu i mången biologisk litteratur använde man ordet asym-metricentrum eller asymmetrisk kolatom. De isomerer vi erhåller kallar vi enantiomerer (kommer från grekiska enantio- vilket betyder motsatt). Man namnger dem efter vilket håll polarisationsplanet vrids. Termen här är i första hand D- och L- där D- står för dextro, dvs den isomer som vrider det polariserade ljusets plan åt höger, och L står för lävo. Längre fram skall Du få se att denna typ av nomenklatur inte är tillfyllest. Vad händer t. ex. om en förening har mer än ett asymmetricentrum. I det ena vrids polarisationsplanet åt vänster men i det andra åt höger. Detaljer om dessa problem träffar Du på vid studiet av kolhydraternas kemi. Aldehyder och ketoner I alifatiska kolväten är elektronerna jämnt fördelade inom molekylen. I aldehyder och ketoner liksom alkoholer och vatten fördelas elektronerna till fördel för syre. De negativa laddningarna dras på detta sätt till den del av molekylen där syreatomen finns. Laddningarna inom molekylen blir inte jämnt fördelad, den ena delen blir mera negativ och den andra mera positiv. Molekylen blir polariserad eller polär. Detta gäller också alkoholer och inte minst vatten.

Version 2005-06-30 16


Aldehyder har stor förmåga att deltaga i olika kemiska reaktioner. Några av dessa egenskaper hos aldehyder och ketoner har betydelse för förståelsen av biokemi och cellbiologi. I vattenlösning binds vatten till aldehyder och ketoner:

CH3 C

O

H + OH

HCH3 C H

OH

OH

Acetaldehyd Acetaldehydhydrat En alkohol kan ses som vatten där man bytt ut ett väte mot en radikal R. H 2O HOH ROH Om en alkohol, t.ex. etanol, reagerar med acetaldehyd (etanal) händer följande:

HO

CH3 C + HO CH2CH3 CH3 CO

OH

HCH2CH3

Etanal Etanol Hemiacetal Acetaldehyd Etylalkohol Halvacetal Reaktionen är generell för alla aldehyder och ketoner. När det är en keton som reagerar kallas produkten ketal. Detta är en jämviktsreaktion och ändras koncentrationen i lösningen av den ena eller andra komponenten förskjuts jämvikten. Nästa reaktion är lika viktig. Här skall vi låta en hemiacetal reagera med ett överskott av alkohol och närvaro av ett vattenborttagande medel (någonting som binder vatten).

CH3 CO

OHH

CH2CH3

+ HO CH2CH3

CH3 C

O CH2CH3

OCH2CH3

H O

H

H Hemiacetal Alkohol Helacetal Vatten Alkoholen kan vara den alkohol som bildade hemiacetalen men kan också vara vilken annan alkohol som helst. Denna reaktionstyp spelar en väsentlig roll vid studiet av kolhydraternas biokemi. Aldehydratet kan oxideras (dehydrogeneras):

HCH3 C

OH

OH

CH3 C

OH

O+ A + AH2

Acetaldehyd Elektron Ättiksyra Elektron +

Version 2005-06-30 17


hydrat acceptor Etansyra elektroner Flera uttryck ovan förefaller Dig underliga. A står för en elektronacceptor. Oxidationen sker genom att aldehyden avger elektroner. Dessa bärs av väte, dvs proton och elektron. Du ser därför ibland ordet väteacceptor. En mycket bra sådan är syre och Du kan tillämpa denna kännedom i formeln ovan på samma sätt som vi gjort tidigare när vi beskrev oxidationen av alkohol till aldehyd.

OH

OHCH3 C H + ? O

2 2O

OH

C3CH H O+

Aldehydhydrat Syra Alkohol oxideras till aldehyd och aldehyd oxideras till syra. Betingelser för de båda reaktionerna är ungefär desamma. Det är sedan urminnes tider känt att vin som står i kontakt med luft ganska snart blir vinäger, dvs ättiksyra. Den karaktäristiska gruppen för syran är karboxylgruppen - COOH och föreningarna kallas också karboxylsyror. Syrorna har IUPAC-namn metansyra, etansyra etc. men de är mera kända under de namn de fått genom tiderna på grund av de naturliga material från vilka man isolerat dem. Metansyrans vanliga namn är myrsyra (eng. formic acid). Den finns hos myror. Smörsyra (butyric acid) finns i smör. Karboxylsyrorna fungerar som syror därför att de i vattenlösning protolyseras (ibland användes uttrycket dissocieras). Formelmässigt kan detta åskådliggöras på följande sätt:

CH3 C

OH

O OC3CH

O-

+ H+

Ättiksyra Acetatjon I förenklad form skriver vi:

CH COOH3

CH COO3- + H +

eller till och med ännu enklare: HAc ↔ Ac- + H+ Vilket alternativ man väljer beror naturligtvis på vad det är man diskuterar. Vill man diskutera hur ett väte i metylgruppen i syran substitueras t.ex. med en kloratom använder man någon av de två första formlerna. Vill man diskutera syra - bas jämvikter är den senare fullt användbar. Mellan alkoholer, aldehyder och syror gäller generellt:

Version 2005-06-30 18


R OH RH

R CO

OH

Coxred

oxred

O

Alkohol Aldehyd Syra (eller keton om H ersätts med X där X är en radikal)

Med oxidation menas borttagande av elektroner och med reduktion upptag av elektroner. Reaktioner av denna typ är vanliga i cellernas metabolism. Elektrontransporten sker med hjälp av elektronbärare. Ett viktigt inslag är att väte fungerar som elektrontransportör. Detta har medfört att många oxidations - reduktionsreaktioner i biokemin har fått namnet dehydrogenereringar. Det betyder att den alkohol Du eventuellt häller i Dig slutar som ättiksyra. Den är nog ganska ofarlig men acetaldehyden kan ställa till bekymmer på grund av sin reaktivitet med bl.a. aminogrupper som vi strax skall se.

Instuderingsuppgift: 1. Kan tertiära alkoholer bilda aldehyder eller ketoner? 2. Kan ketoner oxideras till syror? Estrar Karboxylsyror kan bilda estrar med alkoholer.

O

C3CH+ OHCH2CH3

OCH2CH3

+ H2O

O

OH

C3CH

Ättiksyra Etanol Detta är en jämviksreaktion. För att estrar skall bildas så effektivt som möjligt bör vatten tas bort från reaktionsblandningen. För att sönderdela en ester bör vatten vara i överskott, alltså t.ex. i en utspädd vattenlösning. Denna reaktion katalyseras också av OH- som man får vid tillsats av t.ex. NaOH eller KOH. Härvid bildas salter mellan karboxylsyran och K+ eller Na+. Vi kallar denna process förtvålning av estrar av skäl som vi se längre fram. Estrar kan också bildas mellan flervärda alkoholer och syror.

C

C

C

O

O

O

H2

H2

H

C

C

C

CH2(CH2)13CH3

CH2(CH2)13CH3

O

O

OCH2(CH2)13CH3

Version 2005-06-30 19


Tripalmitoylglycerol Här ser Du en glycerolmolekyl som bildat estrar där alla tre alkoholgrupperna i glycerolen är involverade. Du skall strax få se att just denna typ av estrar finns i stora mängder i vår organism i form av vad vi kallar fetter. I många fall är det inte nödvändigt att skriva ut alla detaljer i syrans struktur. Det räcker med att ange karboxylsyrakaraktären hos föreningen, och man nöjer sig då med en generell formel där man kan ange den grupp som är bunden till karboxylgruppen med R eller vilken annan bokstav som helst, så länge man har gjort klart vad innebörden av förkortningen är.

R C

O

OH Den del av syran som ingår i en ester kallar man acylgrupp som generellt kan skrivas:

OCR

Om syran heter myrsyra kommer acylgruppen att heta formyl, är det ättiksyra heter den acetyl och är det smörsyra heter den butyl. Alkoholer kan också bilda estrar med oorganiska syror:

P

O

OH

OH

HOROH + R O P

O

OH

OH

Alkohol Fosforsyra Fosforsyra(mono)ester En puristisk kemist skulle kanske inte tycka om sättet att ange strukturformeln för fosforsyra men för våra ändamål är skrivsättet fullt tillräckligt. Om ytterligare en alkoholgrupp (samma eller annorlunda än den första) reagerar med monoestern bildas en diester.

OH

OH

O

PORROH + R O P OH

O

R

O

Alkohol Fosforsyramonoester Fosforsyradiester

Version 2005-06-30 20


Uppenbarligen föreligger möjligheter att bilda en triester. Fosforsyraestrar intar en central ställning i metabolismen i de mekanismer som reglerar metabolismen, i cellsignaleringen och i cellstrukturen. Fosforsyra protolyseras (dissocierar) i vattenlösning i tre steg beroende på pH.

PHO OH

OH

O

PHO

O-

O

OH-H++H+

OH

O

O-

HO P P

O

O-

O-

OH-H+

+H+

OH

O-

O-

O

P PO-

O

O-

O-

-H+

+H+

På liknande sätt kan en fosforsyramonoester protolyseras men då i bara två steg medan en diester ej kan protolysera mera än i ett steg och en triester ej kan protolysera alls. Alkoholer kan också bilda estrar med svavelsyra:

ROH + HO S OH

O

O

R O S

O

OH

O Svavelsyran är protolyserad i vattenlösning och så är också estern. Ett exempel på en sulfatester som har stor betydelse inom biokemi och cellbiologi är:

H3

C (CH2)10 CH2OSO3- Na+

Föreningen kallas i den biokemiska och cellbiologiska litteraturen SDS. Det är en förkortning för Sodium Dodecyl Sulfate. Formeln är skriven på ett sådant sätt att det skall framgå att det är ett salt. Ett annat namn på föreningen är natrium-lauryl-sulfat. Dodecyl är med IUPAC-nomenklatur namnet på en alifatisk radikal med 12

Version 2005-06-30 21


kolatomer. Trivialnamnet lauryl kommer från lager (lagerblad) som innehåller laurylolja Det finns möjlighet att binda ytterligare en alkoholgrupp. Exempel på en sådan förening har vi i dimetylsulfat.

S

O

O

O

O CH3H3C

Dimetylsulfat är mycket giftigt och ett mycket använt reagens i den organiska kemin när det gäller att koppla metylgrupper på andra substanser. Sulfatestrar bildas i levern av (aktivt) sulfat och mer eller mindre giftiga alkoholer för att underlätta de senares transport ut ur organismen. Genom att kopplas till sulfat ökar deras vattenlöslighet. Etrar Två alkoholmolekyler kan förena sig med varandra under vattenutträde. Det bildas en eter.

H

3 C- CH

2OH+ H3

CCH2- H

3C -CH2

O CH2CH3+H

2OOH

etylalkohol etylalkohol dietyleter vatten Reaktionen mellan alkoholerna sker effektivare om man använder sig av ett vattenborttagande medel, man kan t.ex. använda sig av konc. svavelsyra. Etrar är en typ av anhydrider. Naturligtvis kan etrar bildas mellan olika alkoholer. Anhydrider Två molekyler karboxylsyror kan förenas under vattenutträde:

CH3 CH2 C

O

OH + HO C CH2 CH3

O

CH3 CH2 C

O

O C CH2 CH3

O

H2O+

Det har bildats en syraanhydrid, i detta fall ättiksyraanhydrid. Anhydrider förekommer också i den oorganiska kemin. Till exempel i föreningen pyrofosfat.

P

OH

O

O

HO P HO

O

HO Inom de närmaste veckorna skall Du upptäcka att pyrofosfat och derivat därav intar en central ställning i cellernas metabolism. Instuderingsuppgift:

Version 2005-06-30 22


Du har nu träffat på ett antal föreningar som uppkommit genom att en syrebrygga bildats mellan komponenterna i föreningen. Ester, eter, halvacetal, acetalanhydrider. Skriv typformler för de olika föreningarna och jämför likheter och olikheter. De olika föreningarna dyker upp under kursens gång. Tioalkoholer och tioetrar En blick på periodiska systemet visar att syre och svavel tillhör samma grupp. Du kan också lägga märke till att selen hör hit. Ämnen som tillhör samma grupp har liknande kemiska egenskaper och kan i vissa föreningar ersätta varandra. En känd förening som Du sannolikt hört talas om är tiosulfat. I tiosulfat har en svavelatom ersatt en syreatom:

S OH

O

O

HO S

O

OH

S

HO

Svavelsyra Tiosvavelsyra Ordet tio kommer från det grekiska theion som just betyder svavel. Om man ersätter syreatomen i en alkohol med en svavelatom får man en tioalkohol eller tiol (observera den engelska stavningen som är thiol).

C SC

H

CH

H

H

H

OH C

H

H

H H

H

H

CH3CH2OH CH3CH2SH

etylalkohol etylmercaptan etanol etantiol Tioler kallas ibland merkaptaner. Det beror på att tioler lätt förenar sig med kvicksilver. Merkaptan är förkortning för mercurio captas vilket betyder fånga kvicksilver. Även andra metaller förenar sig med tioler. Föreningen sker genom att vätet i tiolgruppen ersätts med metall. Det är speciellt tungmetaller som binds. Tioler är ytterst betydelsefulla i biologin i många olika sammanhang. De behövs för proteiners struktur, de är aktiva grupper i många enzymer och de ingår i ett av metabolismens centrala coenzym, Coenzym A. Två tioler kan förlora var sin elektron tillsamman med var sin proton, alltså var sin väteatom, om en elektronacceptor finnes tillgänglig. En sådan elektronacceptor kan men behöver ej vara syre. Man får en sk. disulfidbindning eller SS-bindning.

Version 2005-06-30 23


RCH2SH + HSCH2R1? O2 + RCH2S SCH2R1+ H2O

oxred

I närvaro av en elektrondonator sker reaktionen i omvänd ordning, dvs. av SS-bindningen uppkommer två SH- grupper. En sådan elektrondonator kan vara ett överskott av tioler eller en tiol med oxidations - reduktionsegenskaper som skiljer sig från de komponenter som ingår i SS-bindningen. Disulfidbryggor är viktiga för stabilisering av proteinstrukturer. En alkohol och en tiol kan bilda en tioeter

RCH2 OH + HS CH2R RCH2 S CH2R11 + H2O alkohol tio tioeter och med en karboxylsyra kan en tiol bilda en tioester

RC

OOH HS R1+ RC

OS R1 + H2O

karboxylsyra tiol tioester Coenzym A som är väsentligt både för fettsyra- och kolhydratmetabolismen fungerar just därför att det har en SH-grupp dvs är en tiol, låt vara en mycket komplicerad sådan. Aminer Om man byter ut väteatomerna i ammoniak mot organiska radikaler får man följande:

NH H

H

NR1 H

H

NR1 NR1

H

R2 R2

R3

Ammoniak Primär - Sekundär- Tertiär- amin amin amin Observera skillnaden i underlaget för nomenklatur mellan primära, sekundära och tertiära aminer och t.ex. primära sekundära och tertiära alkoholer. När det gäller aminer är det hur många radikaler som binder till kväveatomen som är grunden till klassificeringen. När det gäller t.ex. alkoholer sker klassificeringen efter om alkoholgruppen binds till en primär sekundär eller tertiär kolatom. I ammoniak liksom i aminerna är vätet bundet till kvävet med en kovalent bindning, dvs i varje bindning är ett elektronpar involverat. I "paret" kommer den ena elektronen från kväve och den andra från vätet. Kvävet är emellertid så organiserat i sin atomstruktur att när tre av dess elektroner är uppbundna i parbildning med var sin

Version 2005-06-30 24


elektron från väte, så är det två elektroner över. Uppenbarligen kan dessa inte bilda par med elektroner från någon annan atom. Paret finnes så att säga redan där. Det kan emellertid bilda par med en atom eller molekyl som saknar en elektron dvs en positiv jon. Kväveatomen är neutral. Den har lika många elektroner i sina skal som kärnan har protoner (positiva laddningar). I den molekyl som bildas är det totalt sett, i förhållande till kärnornas laddningar, ett elektronunderskott. Den bildade ammoniumföreningen är därför en jon. Protoner har inga elektroner i något skal. De kan således förena sig i elektronpar med ammoniak och var skulle man hitta protoner om inte i en syra som vi generellt kan beteckna HA

N

H

H + HA N

H

H

H

+ + A-H H

En annan molekyl som kan fungera som syra är vatten och reaktionen kommer då att se ut på följande sätt

NH3 + H2O NH4

+ + OH-

För aminer blir reaktionerna följande:

N

H

H + HA N

H

H

H

+ + A-R1 R1

Primär amin

N

H

+ HA N

H

H

+ + A-R1 R1R2 R2

Sekundär amin

N + HA N

H

+ + A-R1 R1R2 R2

R3 R3

Tertiär amin Det finns ytterligare en möjlighet för organiska radikaler att binda till en central kväveatom. Om man byter ut allt väte i en ammoniumjon får man följande:

NR1

R4

R2

R3

+ + A-

Version 2005-06-30 25


Detta är en kvartär ammoniumförening. En mycket väsentlig kvartär ammoniumförening är kolin. Kolin finns som byggnadselement i alla våra cellmembraner och ett derivat av kolin, acetylkolin, är en av nervsystemets signalsubstanser. Kolin har följande formel:

N

CH3

CH3

CH3

OHCH2CH2+

Kolin är trimetyletanolamin. Schiffska baser Aldehyder kan addera till sig bl. a. vatten och alkoholer. Det bildas då aldehydhydrat resp hemiacetaler. Aminer kan också kombineras med aldehyder eller ketoner. Det bildas då en Schiffs bas (namnet kommer från en tysk-italiensk kemist som hette Hugo Schiff):

R1 CH2 NH2 + O CR2

R3

R1 CH2 N C

R2

R3

+ H2O

Så som reaktionen är skriven här kommer slutprodukten att kallas ketimin. Om antingen R2 eller R3 är ett H kommer produkten att kallas aldimin (Du kan säkert räkna ut varför namnet på produkterna är olika...). Ett annat sammanfattande namn på dessa produkter är azometin, ytterligare ett namn är enamin. Reaktionen sker långsamt i vattenlösning och hur mycket aldimin som bildas beror också på strukturen av aldehyder resp. aminer. Reaktionen är en biokemiskt viktig mellanreaktion vid flera enzymatiskt katalyserade processer i metabolismen. Den är också första steget i den reaktion där glukos (blodsocker) binder sig till hämoglobin som har en fri aminogrupp varvid glykosylerat hämoglobin, HbA1c

, bildas.

Bestämningen av HbA1c är en mycket vanlig analys för att kontrollera behandlingen av diabetes mellitus, dvs sockersjuka. Syraamider Om man byter ut OH-gruppen i en karboxylgrupp mot NH2 får man en syraamid som alltså har följande principiella utseende:

R1 CO

NH2 Föreningar med flera funktioner

Version 2005-06-30 26


Många föreningar som förekommer i cellens metabolism har två s.k. funktioner. Med funktioner menar man här att föreningen har mer än en typisk grupp. Du har träffat på alkoholer med två alkoholgrupper. Syror med två karboxylgrupper är centrala i cellens energiförsörjning. Den enklaste av dikarboxylsyrorna, oxalsyra, vars formel Du ser här nedan tillsammans med några andra metaboliskt betydelsefulla dikarboxylsyror, är emellertid ett gift som visserligen tolereras i små mängder men ger grava skador i större mängder. Den bildas i människans kropp av etylenglykol. Etylenglykol smakar sött och har använts som sötningsmedel i vin med ödesdigert resultat.

COOH

COOH COOH

COOH

CH2 CH2

CH2

COOH

COOH

COOH

COOH

CH2

CH2

CH2

Oxalsyra Malonsyra Bärnstensyra Glutarsyra Oxalat Malonat Succinat Glutarat är namn på motsvarande jon eller salt Fumarsyra är exempel på en syra med en dubbelbindning:

CH

CH

COOH

COOH Dikarboxylsyrorna står metaboliskt nära syror som har karboxylfunktion (dubbel eller enkel) och samtidigt innehåller en karbonylgrupp (har karbonylfunktion).

CO

COOH

CH3

CH2

COOH

COOH

CO

COOH

CH2

CH2

CO

COOH Pyrodruvsyra Oxalättiksyra α- ketoglutarsyra Pyruvat Oxalacetat α-Ketoglutarat

Version 2005-06-30 27


Mjölksyra är en nära släkting till pyrodruvsyra och har följande formel:

COOH

CH3

HCOH

Mjölksyra Laktat Instuderingsppgift: Vilken relation råder mellan pyrodruvsyra och mjölksyra? Till syror med två grupper (funktioner) hör naturligtvis också aminosyrorna, här representerad av alanin:

COOH

CH3

HCNH2

Instuderingsuppgift: Finn sambandet mellan alanin, mjölksyra och pyrodruvsyra Den enklaste av alla aminosyror är karbaminosyra som dock icke är beständig i vattenlösning. Den finns emellertid som derivat dvs substituerad på ett eller annat sätt:

N C

H

H O

OH Deriverade karbaminosyror bildas t.ex. mellan en primär amin och kolsyra. Den primära aminen kan mycket väl vara en aminosyra eller sitta på ett protein:

N C

H

O

OH

R

R N

H

H + HO C

O

OH + H2O

Karbaminoföreningar är biologiskt väsentliga ur åtminstone två synpunkter. Dels utgör de ett mellansteg i cellens syntesmaskineri, dels bidrar de till transport av kolsyra (koldioxid i blodet).

Version 2005-06-30 28


Resten av kompendiet har du nytta av fr.a. under andra kurser på läkarutbildningen med undantag av heterocykliska föreningar Urea och barbitursyra Man trodde att endast naturen kunde tillverka organiska molekyler. Friedrich Wöhler försökte 1828 att syntetisera saltet ammoniumcyanat med formeln :

NH4CNO

men erhöll urea, en substans som man tidigare endast kunnat erhålla från urin. Urea har formeln:

C O

NH2

NH2 I ett brev till en god vän skrev han: "Jag måste berätta för Dig att jag kan göra urea utan att använda njurar vare sig från människa eller hund.” Ammoniumcyanat är urea. Urea har bland annat använts för att syntetisera barbitursyror (barbiturater):

C

NH2

NH2

O

HO C O

CH2

C OHO

+ O C

HN

HN

C O

O

CH2

C

+ H2O

Urea Malonsyra Barbitursyra Olika barbiturater kan sedan erhållas genom substitution av väte vid CH2-gruppen. Du har här en ring som innehåller olika atomer. Det är en heterocyklisk förening. Om detta mera i fortsättningen. Aromatiska föreningar Bensen, eller som det i bland stavas, benzen. I äldre litteratur heter det bensol. Bensen innehåller 6 kolatomer och 6 väteatomer har alltså summa formeln C6H6 . Dess strukturformel är följande:

CC

CC

C

C

H

H

H

H

H

H

Version 2005-06-30 29


I denna formel skall Du observera följande: Det är ett kolväte Det är en cyklisk förening Det finns tre dubbelbindningar Det finns tre enkelbindningar Dubbelbindningar och enkelbindningar alternerar Man kallar detta konjugerande dubbelbindningar Formel för bensen skrivs vanligen i förkortad form

CC

CC

C

C

Eftersom dubbelbindningar och enkelbindningar kan byta plats (de oscillerar) och man alltså i ett givet ögonblick ej vet var de är lokaliserade skriver man ofta formel på följande sätt

På grund av sin struktur kallas bensen en aromatisk förening. Andra aromatiska föreningar är naftalin (naftalen) som består av två bensenringar

CC

CC

C

C

CC

CC

Om vi har tre bensolringar kan vi få någon av följande strukturer

CC

CC

C

C

CC

CC

CC

CC

CC

CC

C

C

CC

CC

C

C

C

C

Antracen Fenantren

Version 2005-06-30 30


Metan har formel CH4 något som Du förmodligen känner väl till vid det här laget. Du vet också att CH3 - kallas metylgrupp. Samma resonemang kan nu tillämpas på bensen. Den grupp (eller radikal) som bildas när en väteatom tas bort från bensen och som då har formeln C6H5- kallas fenyl (OBS! att den INTE heter bensyl). På liknande sätt bildas naftyl gruppen. Strukturformlerna har Du här:

CC

CC

C

C

CC

CC

C

C

CC

CC

Fenyl α- naftyl Du får själv räkna ut hur β-naftyl ser ut I förkortad form

Generellt namn på dessa radikaler är aryl Liksom fallet är med alifatiska kolväten kan aromatiska kolväten bilda alkoholer, aldehyder, karboxylsyror, aminer etc. Här några exempel med namn:

OH

CHO

COOH

NH2

Fenol Karbolsyra Benzaldehyd Benzoesyra Anilin Fenylsyra Fenylamin Fenylhydroxid Aminobenzen Hydroxybenzen Benzenamin Ocybenzen Aminofen Fenic acid Kyanol Fenol kan protolyseras alltså fungera som en syra därav namnet karbolsyra. Salterna kallas fenolater.

En speciell nomenklatur användes om två väteatomer i bensolringen har substituerats med radikaler.

Version 2005-06-30 31


R2

R1 R1

R2

R1

R2 orto- meta- para- Man kan också använda en sifferbeteckning för att ange substituenternas plats i ringen. En ortoförening blir då 1,2 - dixxxxbensen, en metaförening blir 1,3-dixxxxbensen och en paraförening1,4-dixxxxparabensen. Med tre substituenter har man följande alternativ

R2

R3

R1

R3

R1

R2

R3

R2R1

vicinal asymmetrisk symmetrisk Förkortat: vic. asymm. symm. Med siffror 1,2,3 - tri- 1,2,4 tri- 1,3,5-tri- Några viktiga föreningar med fenylgrupper är aminosyrorna fenylalanin och tyrosin

CH2CH(NH2)COOH

CH2CH(NH2)COOHHO

Fenylalanin Tyrosin p(ara)-hydroxy-fenyl-alanin En annan naturligt förekommande substans som hör hit är thyroxin (sköldkörtelns) hormon med följande formel och kemiska namn

I

O CH2CH(NH2)COOHHO

I

I

I

Tyroxin

O-(4-hydroxy-3,5-dijodofenyl)-3,5-diiodotyrosin eller

3-[4-(4-hydroxy-3,5-dijodofenoxy)-3,5-dijodofenyl]alanin.

Version 2005-06-30 32


Andra hormoner också släkt med eller deriverade från tyrosin är adrenalin och noradrenalin. På engelska heter dess substanser epinephrin resp. norepinephrin.

OHHO

H2CNHCH3

HCOH

OHHO

H2CNH2

HCOH

Adrenalin Noradrenalin Epinephrin Norepinephrin Förstavelsen Nor är en förkortning som en gång i tiden gjordes på tyska och betyder N ohne radikal. Om man substituerar två väte i bensol mot var sin hydroxylgrupp får man hydrokinon. Hydrokinoner kan oxideras till kinoner.

CC C

CC

C

OH

OH

H

HH

H

CC C

CC

C

O

O

+ 2H

Detta är en oxidationsreduktionreaktion och således tas elektroner bort från hydrokinon tillsamman med två protoner. Det är mera korrekt att se reaktionen på följande sätt: Hydrokinon ↔ Kinon + 2H+ + e- Reaktionen blir på detta sätt pH-beroende. Man kan använda en bildning av hydrokinon och kinon s.k. kinhydron för att bestämma pH. Protonerna påverkar jämvikten. Har man en elektrod som doppar ner i lösningen lämnas elektroner till denna som får en ökande negativ potential gentemot lösningen. Potentialen blir beroende av pH. Kinoner finns i biologin i flera sammanhang . Lägg märke till att de kan deltaga i oxidationreduktionsreaktioner. I elektrontransporten i mitokondrien träffar vi på ubikinon. Reaktioner som liknar hydrokinon-kinon relationen finner Du i nikotinsyraamid som liksom flaviner (som också innehåller liknande strukturer) är nyckelsubstanser i de reaktioner som tack

Version 2005-06-30 33


vare att de kan deltaga i oxidationsreduktionsreaktioner leder elektroner från näringsämnen till syre och ger våra celler energi. Ytterligare ett kinonderivat är intressant nämligen K-vitamin

CCC

C CCC

CC

C

O

O

H

H

H

H

CH3

R

Detta vitamin behövs för att bilda de specifika proteiner som är nödvändiga för att blodet skall koagulera. Pikrinsyra är ett annat bensolderivat som förekommer i medicinen. Den användes som reagens när man vill bestämma kreatinin i blodserum, en av de allra vanligaste kliniskt kemiska analyserna. Halten kreatinin i blod är nämligen ett mått på njurarnas funktion.

NO2O2N

NO2

OH

Pikrinsyra 2,4,6,trinitrofenol Pikrinsyra är GIFTIG och i torr form mycket EXPLOSIV. Skall därför alltid förvaras i lösning eller i varje så att kristallerna är fuktiga. Explosioner har skett på laboratorier där pikrinsyra på kanterna av burken har torkat in. Nitrohaltiga ämnen tillverkas inte i naturen. Ett undantag är chloramfenikol som är ett antibiotikum.

Version 2005-06-30 34


NO2

HOCH

HCNHCOCHCl2

CH2OH

Heterocykliska föreningar Tidigare har Du träffat på barbitursyra som bildades genom en kondensation av urea och malonsyra. Det blir en cyklisk förening med N och C i ringen I biologien finns det många exempel på heterocykliska föreningar. Heterocykliska föreningar är ämnen där atomer av olika slag bildar en ring . Det finns närmast ett oändligt antal sådana ämnen och jag skall bara ge Dig exempel på ett fåtal som är vanligt förekommande i biokemin. Här först några som innehåller kväve i ringen.

NH

NH

N

NH

Pyrollidin Pyroll Imidazol Som Du ser är detta föreningar med 5 atomer i ringen. Pyroll ingår som byggnadselement i hämoglobin och imidazol finns i aminosyran histidin. Här några sexringar:

N N

eller

N

N

N

1

2

3

4

5

6

Piperidin Pyridin Pyrimidin Pyridin är mycket lika bensen i sin elektronstruktur. Man åskådliggör detta på samma sätt som för bensen vilket betyder att man vill visa att dubbelbindningarna oscillerar. Pyridin ingår i de substanser som transporterar elektroner i cellerna. Pyrimidiner ingår i DNA och RNA. Det finns också de heterocykler som innehåller två ringar:

Version 2005-06-30 35


NH

N

N

N

NH

1

2

3

4

5

6

7

89

Indol Purin Indol ingår i aminosyran tryptofan och bildas av denna aminosyra genom inverkan av tarmbakterierna. Det resorberas av tarmen och utsöndras i urinen. Indol ingår också i färgämnet indigo och man kan påvisa indol i urinen just genom att omvandla det till indigo som har en starkt blå färg. Purinderivat är liksom pyrimidiner byggnadsstenar i DNA och RNA men koffein som också är ett purinderivat finns i kaffe och te. I urinen utsöndras urinsyra som är det purin som bildas när RNA och DNA bryts ner i kroppen. Förutom dess kvävehaltiga heterocykler har vi två heterocykler som innehåller syre och som är av intresse för oss

O1

2

3

4

5

6O

Furan Pyran Dessa två föreningar är intressanta för biologen främst för den typ av ringstruktur de representerar. En femring med syre och en sexring med syre är sådana strukturer som monosackariderna antar i vattenlösning.

Version 2005-06-30 36

introduktion i basal organisk...

Documents