organickÁ chÉmia · 2019. 10. 15. · 1858, f. a. kekule (heidelberg) a 27.r.a. s. couper (u...
TRANSCRIPT
ORGANICKÁ CHÉMIA
Pre BMF
Ďuračková Zdeňka
Ústav lekárskej chémie, biochémie a klinickej biochémie
LF UK
V 18. storočí sa podarilo izolovať viacero organických látok
• močovina (1773, H. Rouelle)
• kyselina mravčia z mravcov (1749, A. S. Margraf)
• kyselina jablčná z jabĺk a kyselina vínna z vínneho kameňa (1769, C.
W. Scheele).
19. Storočie: okolo roku 1816 M. Chevreul začal študovať mydlá
vyrobené z tukov a zásad. Podarilo sa mu izolovať niekoľko
mastných kyselín a po pridaní zásady vyrobil mydlo.
1828, F. Wöhler - prvá syntéza v organickej chémii, príprava
močoviny zahrievaním kyanátu amónneho (NH4OCN).
1856 18-ročný W. H. Perkin - syntéza farbiva anilínového purpuru a
syntetického chinínu
Niečo z histórie
1858, F. A. Kekule (Heidelberg) a 27.r. A. S. Couper
(u Prof. A. Wurza v Paríži)
- Koncept chemickej štruktúry uhľovodíkov
- Kritický zlom v teórii organickej chémie
- Obaja predpokladali, že štvormocné atómy
uhlíka vytvárajú uhlíkové reťazce.
1865, Kekule predstavil štruktúrny vzorec
benzénu, čo sa stalo jedným z najvýznamnejších
objavov v organickej chémii.
Teória štruktúry organických zlúčenín(vzťah medzi štruktúrou, vlastnosťami a funkciou biochemicky
významných zlúčenín)
Organická chémia – chémia uhľovodíkov a ich derivátov
6C 1s2 2s2 2px12py
1pz C = O
Uhlík v základnom stave
6C 1s2 2s1 2px1 2py
1 2pz1 O = C = O
Uhlík v excitovanom staveC
1s 2s 2px 2py 2pz
Elektrónová konfigurácia uhlíka
základný stav
excitovaný stav
4 nespárené elektróny – štvorväzbovosť uhlíka
C
Základné princípy štruktúry organických zlúčenín
- uhlík je štvorväzbový C
- všetky 4 väzby sú rovnocenné (hybridizácia s-, a p-orbitálov
na valenčnej vrstve atómu uhlíka)
- medzi atómami uhlíka môže byť jednoduchá, dvojitá, alebo
trojitá väzba (σ a π väzba)
– C – C – – C = C – – C = C –
- atómy uhlíka tvoria reťazce – jednoduché, rozvetvené a
cyklické
- medzi atómami uhlíka môžu byť viazané atómy kyslíka, síry,
alebo dusíka
Typy štruktúr uhľovodíkov
UHĽOVODÍKY
Heterocyklické zlúčeniny (O, S, N,)
Acyklické
(necyklické)
Cyklické
Nasýtené
Nenasýtené
Alkény
Alkíny
Alicyklické
Aromatické
Cykloalkány
Cykloalkény
ŠTRUKTÚRA ORGANICKÝCH ZLÚČENÍN
1. Acyklické (necyklické)
Nerozvetvené (lineárne)
CH3-CH2-CH3
Rozvetvené
CH3-CH-CH3
CH3
2. Cyklické
Alicyklické
Aromatické (arény)
Heterocyklické
Organické zlúčeniny podľa usporiadania uhlíkového reťazca:
N
Izoméria organických zlúčenín
(existencia dvoch, alebo viacerých zlúčenín s identickým molekulovým
vzorcom, ale odlišnou štruktúrou)
Typy izomérie
• Konštitučná (n-propanol, 2-propanol)
• Konfiguračná (stereoisoméria)
- geometrická (cis-, trans-) (kys. fumarová, maleínová)
- optická (chiralita, D/L - izoméria) (D-AK, L-AK)
• Konformačná (stoličková, vaničková)
Vzťah štruktúry a vlastností
• Izoméria - rovnaký sumárny (molekulový) vzorec
- odlišná molekulová štruktúra
1. konštitučná izoméria- odlišnosť (konštitúcie) poradia atómov alebo spôsobu vzájomnej väzby
reťazová bután CH3 izobután
CH3 – CH2 – CH2 – CH3 CH3 – CH –CH3
polohová 1-propanol OH 2-propanol
CH3 – CH2 – CH2 – OH CH3 – CH – CH3
polohy dvojitých väzieb 1-butén 2-butén
1CH2 = CH – CH2 – CH3 CH3 –2CH = CH – CH3
Tautoméria (napr. oxo-enol, alebo laktam-laktim tautoméria)
CH2 = CH – OH CH3 – C = O
vinylalkohol
H acetaldehyd
11
Tautoméria - polohová izoméria
N
N
NH
HN
O
H2N N
N
NH
N
OH
H2N
Laktámová forma Laktímová forma
CH2 = CH – OH CH3 – C = OH
vinylalkohol etanal
(acetaldehyd)
C2H4O
2. konfiguračná izoméria odlišnosť v priestorovom usporiadaní atómov, poradie a spôsob väzby sa
nemenia
izoméria geometrická , cis – trans (napr. kyselina maleínová a fumárová)
podmienená prítomnosťou dvojitej väzby
kyselina maleínová kyselina fumárová
H – C – COOH HOOC – C – H
|
H – C – COOH H – C – COOH
optická - podmienená prítomnosťou asymetrického (chirálneho) uhlíka, C*
- optické izoméry - enantioméry
- otáčanie roviny polarizovaného svetla (+ alebo - )
konfigurácia D- a L- H – C = O H – C = O
|
H – C* – OH HO – C* – H
|
CH2OH CH2OH
D(+)- glyceraldehyd L(-) - glyceraldehyd
Konformácia molekúl
Priestorové usporiadanie danej konfigurácie
Podmienená rotáciou skupín okolo osi prechádzajúcej dvomi atómami uhlíka
spojenými jednoduchou väzbou.
Napr. dve konformácie cyklohexánu:
Stoličková Vaničková
nízkomolekulové látky (molekuly, ióny, radikály), reagujúce so
substrátom
Nukleofilné – donorom elektrónov substrátu pre vznik novej väzby je
činidlo:
OH- , X- (halogenid), H2O, NH3 substrát
Elektrofilné – akceptorom elektrónov zo substrátu na tvorbu novej väzby
je činidlo :
+SO3H, +NO2 , Cl+ substrát
ČINIDLÁ V ORGANICKEJ CHÉMII
e
e
INDUKČNÝ EFEKT, I ( pre - väzby)
účinok polárnej väzby na polarizáciu vo vedľajších väzbách
smer polarizácie rovnaký ako polarita pôvodnej väzby
znižovanie účinku so zväčšovaním vzdialenosti
Záporný indukčný efekt – I
- atóm, resp. skupina atómov na uhlíku, ktorá priťahuje elektróny
skupiny: –F, –Cl , –Br , –I, =O, –OR, –SR, –NH2 , –NO2
Kladný indukčný efekt + I
- atóm, resp. skupina atómov, ktorá odpudzuje elektróny
skupiny: –CH3 (alkyly)
prenos efektu polárnej skupiny po konjugovanom systéme dvojitých väzieb
Záporný mezomérny efekt -M
skupiny priťahujúce elektróny
dochádza k elektrónovému zriedeniu na susedných násobných väzbách
skupiny: -NO2 , -COH, =C=O, -COOH, -C=N
R – CH = CH – C = O
H
MEZOMÉRNY EFEKT , M
+M -MNO2
+M -M
10
elektrónov6
elektrónov16
Kladný mezomérny efekt, +M
skupiny odpudzujúce elektróny
zahustenie elektrónov na susedných uhlíkoch s násobnými väzbami
skupiny: -NH2 , -OH , -OR, -SH,. -SR, -X (halogény)
O –H
-M +M
4
elektróny6
elektrónov
REAKCIE ORGANICKÝCH ZLÚČENÍN
1. Adícia
2. Substitúcia
3. Eliminácia
2H
CH2 = CH2 --------> CH3 – CH3
CH2 – CH2 – Cl + OH- --------> CH3 – CH2 – OH +Cl-
- H2O
CH3 – CH – CH – CH2 ---------> CH3 – CH = CH – CH3
| |
OH H
2 – butanol 2 – butén 19
Predpona de - ..... Eliminácia - za tvorby dvojitej väzby
20
Dehydratácia - H2OCH3 – CH – CH – CH2 ---------> CH3 – CH = CH – CH3
| |
OH H
2 – butanol 2 – butén
- 2HCH3 – CH – CH – CH2 ---------> CH3 – CH = CH – CH3
| |
H H
bután 2 – butén
Dehydrogenácia
Deaminácia
- NH3
CH3 – CH – CH – CH2 ---------> CH3 – CH = CH – CH3
| |
NH2 H
2 – aminobután 2 – butén
Acyklické (alifatické)
Alkány:
nasýtené uhľovodíky , jednoduché () väzby, väzbový uhol 109°
homologický rad, -CH2- homologický prírastok, sumárny vzorec
CnH2n+2
nepolárne zlúčeniny, rozpustné v nepolárnych rozpúšťadlách,
nerozpustné v H2O
velmi malá reaktivita, charakteristické reakcie - substitučné
(teplota, UV žiarenie)
- napr. metán, etán, propán, bután, pentán, hexán…, izobután
UHĽOVODÍKY
Alkény
nenasýtené uhľovodíky, dvojitá väzba (), väzbový uhol 120°
homologický rad, sumárny vzorec CnH2n
reaktívne, charakteristické reakcie – adičné
(Markovnikovo pravidlo)
CH2 = CH2 + HOH CH2 – CH2
OH H
etén (etylén) etanol
katalyzátor
CH2 = CH2 + 2H CH3 – CH3
etén etán
Diény (2 dvojité väzby)
s kumulovanými, konjugovanými alebo izolovanými dvojitými
väzbami
reaktívne, významná reakcia – adičná polymerizácia , napr.
n CH2 = C – CH = CH2 ----- --CH2 - C = CH – CH2-n-
CH3 CH3
2-metyl-1,3-butadién prírodný kaučuk
izoprén polymér izoprénu
- Izoprenoidy (napr. terpény, steroidy)
Alkíny
nenasýtené uhľovodíky, trojitá väzba (), väzbový uhol 180°
homologický rad, sumárny vzorec C2H2n-2
reaktívne, charakteristické reakcie – adičné, napr.
CH CH + HCl CH2 = CH – Cl
Etín (acetylén) chlóretén (vinylchlorid)
CH CH + HOH CH2 = CH – OH CH3 – C = OH
Etín (acetylén) vinylalkohol etanal (acetaldehyd)
Tautoméria :enol- oxo-
Cyklické uhľovodíky
ALICYKLICKÉ
napr.: cyklopentán, cyklohexán, cyklohexén, cyklohexadién,
cyklopentanoperhydrofenantrén
Stereochémia cyklohexánu
stoličková a vaničková forma (väzbový uhol 109°)
Stoličková Vaničková
AROMATICKÉ (ARÉNY)
základný uhľovodík – benzén
aromatický charakter – rovinný útvar (120°väzbové uhly)
π - elektróny rovnomerne rozložené (delokalizované) po celom
kruhu
polycyklické arény, napr.
NAFTALÉN
ANTRACÉN
FENANTRÉN
BENZPYRÉN
Toxicita arénov (napr. benzén, benzpyrén)
Stálosť voči oxidácii
Charakteristické substitučné reakcie (nitrácia, halogenácia, sulfonácia)
päť- alebo šesťčlánkové s jedným alebo viacerými heteroatómami
kondenzované heterocyklické zlúčeniny s dvomi alebo viacerými
heteroatómami
HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY
O NH S
N
NH
N
S
furán pyrol tiofén
imidazol tiazol
N
N
N
pyridín pyrimidín pyrán
(2H-pyrán)
N
N NH
N
O
purín indol
pyrimidín + imidazol benzpyrol
NH
O
S
Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín
Furán
Ribóza Deoxyribóza
Tiofén
S CH3
Metyltiofén
- v grilovanom mäse
Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 2
N
S
tiazol
Tiamín – vitamín B1
• Súčasť karboxyláz – oxidačná dekarboxylácia
alfa-oxokyselín
• Metabolizmus sacharidov v mozgu
P P
NH
pyrol
Porfín – porfyrín - hém
Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 3
N
NH
imidazol
PurínHistidín
Biotin
Biologicky významné deriváty heterocyklických
zlúčenín 4
O
2H pyrán
Pyrán
Vitamín EGlukóza
Biologicky významné deriváty
heterocyklických zlúčenín 5
N
pyridín
NAD+Amid kys. nikotínovej
Niacín
Vitamín PP
Biologicky významné deriváty
heterocyklických zlúčenín 6
N
N
pyrimidínPurín
Pyrimidínové dusíkové zásady
Biologicky významné deriváty
heterocyklických zlúčenín 7
kofeín teofylín
Kyselina močová
Biologicky významné deriváty
heterocyklických zlúčenín 8
Indol
benzén + pyrol
NH
Tryptofán
Lysergová kyselina
DERIVÁTY UHĽOVODÍKOV
náhrada atómu vodíka (-ov) uhľovodíka iným atómom alebo skupinou
atómov, tzv. charakteristickou (funkčnou) skupinou
CHARAKTERISTICKÉ SKUPINY A ICH OZNAČENIE
Typ zlúčeniny Charakteristická
skupina
Predpona Prípona
Halogénuhľovodíky F
Cl
Br
I
Fluor-
Chlór-
Bróm-
Jód-
Nitroderiváty NO2 Nitro-
Nitrózoderiváty NO Nitrózo-
Aldehydy HC=O Oxo- - al
Ketóny C=O
Oxo- -on
Karboxylové
kyseliny
COOH Karboxy- -ová kyselina
Alkoholy OH Hydroxy- -ol
Tioly SH Merkapto-
Tio-
-tiol
Étery O-R R-oxy
Sulfidy S-R R-tio
Disulfidy S-S
Sulfónové kyseliny SO3 H Sulfo- Sulfonová kyselina
Amíny NH2 Amino- - amín
Imíny =NH Imino- - imín
Oxímy =N-OH Hydroxylimino- - oxím
Nitrily CN Kyano- - nitril
HALOGÉNDERIVÁTY
Tyroxín – Tetrajódtyronín T4 a
– Trijódtyronín T3
– Cδ+→ Xδ-
T4:T3 = 20:1
HALOGÉNDERIVÁTY UHĽOVODÍKOV
- nerozpustné vo vode, rozpustné v alkoholoch a éteroch
- polárna kovalentná väzba C-halogén
• charakteristické reakcie
- substitučné (heterolytický zánik väzby), ako alkylačné činidlá
• praktické použitie
ako rozpúšťadlá nepolárnych látok (CCl4)
monoméry pre výrobu makromolekulových látok (PVC, umelý kaučuk, teflon),
v chladiarenskom priemysle (freóny –napr.dichlor-difluormetán)
jodoform – dezinfekčné účinky
insekticídy
dioxíny
narkotiká (napr. halotan, CF3-CHBrCl)
•toxicita
pôsobia najmä na centrálne nervstvo
tetrachlórdibenzodioxín –karcinogén, teratogén, mutagén
(c 1mg.l-1) /dioxíny/
kancerogény alebo podozrivé karcinogény (CHCl3 , CCl 4)
Toxicita halogénderivátov
DDT – insekticíd DichlórDifenylTrichlóretán
(1948 dostal Švajčiar Paul Hermann Müller za objav DDT Nobelovu cenu
Dioxín
Čo vieme o Dioxínoch?
Je to skupina látok – polutanty životného prostredia
akumulujú sa v potravinách, v tukových tkanivách, v
mäse, rybách
sú vysoko toxické najmä na reprodukčné procesy a vývoj
sú mutagénne, teratogénne, karcinogénne a genotoxické
na všetky orgánové systémy
sú všadeprítomné – všetci ľudia sú exponovaní malou
dávkou
ak je dávka vysoká – extrémne toxická
odbúrávajú sa až pri t = 1000°C
striktná kontrola industriálnych procesov 44
1. ALKOHOLY
Polarita väzby O H - reaktivita hydroxyderivátov
Asociácia molekúl alkoholov vodíkovými väzbami (vyššie teploty topenia
a varu)
Rozdelenie:
1.podľa väzbového miesta -OH skupiny v reťazci
- primárne ( 1- butanol) CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH
CH3 – CH2 – CH – CH3
OH
CH3
CH3 – C – CH3
OH
- sekundárne (2-butanol
- terciálne (terc. butanol)
HYDROXYDERIVÁTY UHĽOVODÍKOV
2. podľa počtu –OH skupín
- monohydroxyderiváty
- dihydroxyderiváty (dioly) , napr. etándiol (etylénglykol)
- trihydroxyderiváty (trioly), napr. propántriol (glycerol)
- polyhydroxyderiváty (patria medzi sacharidy)
CH2 – OH
CH2 – OH
CH2 – OH
CH – OH
CH2 – OH
O
CH2OH
OH
OH
OH
OH
etylénglykol glycerol glukóza
- Kyslý charakter alkoholov
- Toxicita alkoholov
CH3- CH2-O-H + NaOH CH3- CH2-O- + Na+ + H2O
Alkoholát sodný
alkoxid
47
Zásaditý charakter alkoholov a éterov
CH3- CH2-O-H + H+ Cl- CH3- CH2- O-H Cl-
H +
Alkoxóniová soľ
Alkoxóniová soľ
H
CH3 – O – CH3 + H+ Cl- CH3 – O – CH3 Cl-
+
48
R-CH2-OH R-CH=O R-COOH
R R
CH-OH C=O
R R
R - alkohol R – OH
Ar – fenol Ar – OH
H H- O -
Éter R – O – R
ox
-2H
ox
-2H
ox
H2O
štiepenie väzby
medzi atómami uhlíka
ox
Oxidácia alkoholov
3. terciárne:
stálosť voči miernym oxidačným činidlám
štiepenie väzby C –C silnými oxidačnými činidlami (K2Cr2O7)
CH3 CH3
oxidácia
CH3 –C – OH CH3 –C = O + HCOOH
CH3 acetón kys. mravčia
Oxidácia diolov
CH2 – OH COOH COOH COOH
CH2 – OH CH2 – OH HC=O COOH
Etándiol kys.glykolová kys.glyoxálová kys. oxálová
Oxidácia triolov
CH2 – OH CH2 – OH HC = O COOH
ox. ox ox
C = O CH – OH CH – OH CH – OH
CH2 – OH CH2 – OH CH2 – OH CH2 – OH
dihydroxyacetón glycerol glyceraldehyd kys. glycerová
51
Tvorba vodíkových väzieb (môstikov)
R – O Hδ- δ+
δ-δ+
H O – R
R – O – R
R – O – R
Vyšší bod varu
cca 80°C
cca 40°C
• Esterifikácia s organickými kyselinami
- pri karboxylových kyselinách
R – OH + HOOC – R
ester
+ H2OR – O – CO – R
53
Reakcie s anorganickými kyselinami
Esterifikácia alkoholu kyselinou sírovou
R – O –H + HO – SO2 – OH R – O – SO2 – OH
- heteropolysacharidy
chondroitínsulfát
dermatansulfát
- glykolipidy
sulfatidy
- H2O
Alkylsulfát, ester kyseliny sírovej
Esterifikácia
s kyselinou dusičnou HNO3
CH2 – OH + H – O – NO2 CH2 – O – NO2
CH – OH + H – O – NO2 CH – O – NO2 + 3 H2O
CH2 – OH + H – O – NO2 CH2 – O – NO2
glyceroltrinitrát
(liek pri ochoreniach srdca)
Alfred Nobel (1833-1896), objav dynamitu (1867)
– fond 9 miliónov na Nobelove ceny
Reakcie s anorganickými kyselinami
OH OH
R – OH + HO – P = O R – O – P = O
OH OH
- H2O
monoester
Reakcie s anorganickými kyselinami
OH OH
R – OH + HO – P = O R – O – P = O
OH OH
OH + HO – R
R – O – P = O
OH
- H2O
monoester
- H2O
Reakcie s anorganickými kyselinami
OH OH
R – OH + HO – P = O R – O – P = O
OH OH
OH + HO – R O – R
R – O – P = O R – O – P = O
OH OH
- H2O
diester
monoester
- H2O
Esterifikácia glycerolu s H3PO4
CH2 – OH CH2 – OH
CH – OH OH CH – OH OH + H2O
1CH2 – OH + H – O – P = O 1CH2 – O – P = O
OH OH
1-glycerolfosforečná kyselina (kyselina fosfatidová)
(metabolit a štruktúrna zložka zložených lipidov)
-vo forme aniónov pri pH väčšiny telových tekutín:
O O
- H+ - H+
R-O – P – OH R-O – P – O- R-O – P – O-
+ H+ + H+
OH OH O-
pH << 7 pH 7 pH 7
= = =
o
fosfoanhydridové zoskupenie
O O
R – O - P – O ~ P – OH
protóndonorové
OH OH skupiny
fosfoesterová
väzba
ATP + H2O ADP + Pi G0 - 32 kJ.mol-1 0
FENOLY
-priamo na aromatickom jadre sa viaže jedna, resp. viac –OH skup.
-väčšia acidita fenolov v porovnaní s alkoholmi
-chemické reakcie
OH
OH
OH
Fenol Hydrochinón
COOH
OH
Kyselina salicylová
- Kyslý charakter fenolov
(vyšší ako u alkoholov)
- Toxicita alkoholov a fenolu
OH + NaOH O - + Na+ + H2O
Fenolát sodný
Syntéza
acylpyrínu
acylpyrín
1899 Prvá fľaška s
acylpyrínom
1853 - Charles Frederic Gerhardt
COOH
OH
+ CH3COOH- H2O
COOH
O CO CH3
Kys. salicylová
(2-Hydroxybenzoová kys.) Kys. octová Kyselina acetylsalicylová
66
Oxidácia dihydroxyarénov – difenolov
- tvorba chinónov, cyklických konjugovaných -diketónov
OH
OH
O
O
-2H
+2H
p-dihydroxybenzén p-benzochinón
( hydrochinón)
- Chinóny sú farebné (pigmenty rastlín)
- antioxidačná funkcia fenolov sa spája s reverzibilnou oxidáciou
difenolov na chinóny (napr. KoQ)
- dezinfekčné vlastnosti fenolov
nenasýtený
cyklický
di-ketón
- 2H
+ 2H
1,2-hydrochinon
(pyrokatechol)
1,2-benzochinon
rezorcinol
oxidácia
1,2-hydrochinon
Kyselina gallová
- CO2
Pyrogalol
využitie vo fotografii,
farbenie vlasov
Taníny, antioxidantväzba na sacharid
68
Koenzým Q
Oxidácia
- 2H
Redukcia
+ 2H
Súčasť dýchacieho reťazca v mitochondriách
Vitamín Kfylochinón
O
O
CH3
CH2CH C (CH2CH2CH2CH)3
CH3
CH3
CH3
Dôležitý pri zrážaní krvi ( tvorba protrombínu ).
V rastlinách má úlohu pri fotosyntéze.
Pri nedostatku - poruchy zrážania a možný vznik nebezpečných krvácaní do telových
dutín.
Zdrojom je hlavne listová zelenina.
OXOZLÚČENINY (aldehydy a ketóny)
R – Cδ+ Cδ+ = Oδ-
Oδ-
H
R
R
Aldehydy Ketóny
+
Karbonylová skupina - oxoskupina - - C = O
- všetky tri atómy pripojené ku karbonylovému uhlíku zvierajú
uhol 120°- ležia v jednej rovine
R R
Aldehydy C = O Ketóny C = O
H R
- polarizácia skupiny - reaktivita
OXOZLÚČENINY
Chemické reakcie oxozlúčenín
Oxidácia a redukcia aldehydov
aldehyd
redukciaR – CH2 –OH
primárny alkohol
O
R – C – H
oxidáciaO
R – C –OHkarboxylová kyselina
2H (Ni)
alebo donor H:
O
R – C – R
Ketón
redukcia
katalyzátor Ni
alebo donor H
relat. stabilné voči oxidácii
OH
R – CH – R
sekundárny alkohol
Oxidácia
Oxidácia a redukcia ketónov
Redoxné vlastnostiO O
R – CH2 – OH R – C R – C
H OH
R R
CH – OH C = O
R R
-2H
+ 2H
H2O
-2H
-2H Ox
+2H
Aldehyd
Ketón
Redukčné vlastnosti
Oxidácia a redukcia v živých systémoch
(koenzýmy dehydrogenáz ako akceptory a donory H)
- NAD+ - akceptor H pri oxidácii alkoholu
- NADH – redukovaná forma koenzýmu – donor H
CH3 CH – OH + NAD+ CH3 C = O + NADH + H+
H H
etylalkohol acetaldehyd
76
Reakcie adičné a kondenzačné - tvorba poloacetálov a
acetálov
Aldehyd Alkohol Poloacetál Acetál
- poloacetálové formy sacharidov - relatívne stále (intermediáty
pri tvorbe acetálov - glykozidov)
R – C – H + CH3 – OH R– C – H + CH3OH R – C –H + H2O
O – CH3 O – CH3
O – CH3
poloacetálový
hydroxyl
OHO
77
Reakcie adičné a kondenzačné - tvorba poloacetálov a
acetálov
Aldehyd Alkohol Poloacetál Acetál
- poloacetálové formy sacharidov - relatívne stále (intermediáty
pri tvorbe acetálov - glykozidov)
R – C – H + CH3 – OH R– C – H + CH3OH R – C –H + H2O
O – CH3 O – CH3
O – CH3
poloacetálový
hydroxyl
OHO
78
O OH
OH
CH3 – C – H + CH3 – CH2– C – H CH3 – CH – CH – C – H
O OCH3
Aldolová kondenzácia (aldehydy s - vodíkom)
3- hydroxyaldehyd = aldol
O OH
OH
CH3 – C – H + CH3 – C – CH3 CH3 – CH – CH2 – C – CH3
4-hydroxy-2-pentanon
O O
1
3
Uplatnenie aldolovej kondenzácie v
metabolizme
HO
dihydroxyacetón-
-fosfát
H2C O
C O
CH2
P Cδ+
C
H2C O P
OHH
glyceraldehyd-
-fosfát
H Oδ¯
H2C O
C O
P
(CHOH)3
H2C O P
fruktóza -1,6-bifosfát
aldoláza
P = PO3H2
Kondenzácia s primárnymi amínmi -
tvorba imínov (Schiffove zásady)
R – CH = O + H2N – CH3 R – CH = N – CH3 + H2O
• aldimín
R – C = O + H2N – CH3 R – C = N – CH3 + H2O
| |
R ketón R ketimín
Schiffové zásady
- významné intermediáty biochemických reakcií
- väzba karbonylových zlúčenín na voľné aminoskupiny bielkovín
retinal (vitamín A)
Rodopsín - červené farbivo na sietnici oka citlivé na svetlo
CH=N opsín
+ H2N opsín
rodopsín
- H2O
Biologický význam tvorby Schiffových zásad
82
Neenzýmová
glykácia
proteínov
- H2OHO
HO
HO
C
CH2
OHOH
OHOH
OH
H O
D- glukóza
H2N proteín+
CH2
OHOH
OHOH
OH
CH N proteín
aldimín
(Schiffova zásada)
CH2
OOH
OHOH
OH
CH2 NH proteín
ketoamín
(fruktózamín)
aldimín
Schiffova zásada
KARBOXYLOVÉ KYSELINY
C
O
OH
120°
120°
120°
- Posun - elektrónov skupiny C = O
- Polarizácia väzby – O H
O H
R – C = OR – C
O
O
+ H+
- zväčša slabé kyseliny, K(disoc.konšt.) = rádovo 10-5
- podľa počtu skupín – COOH: mono-, di- a trikarboxylové kyseliny
- nasýtené a nenasýtené
NÁZOV KYSELINY VZOREC NÁZOV
SOLI
substitučný triviálny R-COOH R- COO
metánová mravčia HCOOH mravčan/formiát
etánová octová CH3COOH octan/acetát
etándiová šťavelová HOOC-COOH šťavelová
oxálová oxálová
propándiová malónová HOOC- CH2 -COOH malonát
butándiová jantárová HOOC-(CH2 )2-COOH
sukcinát
pentándiová glutárová HOOC-(CH2 )3-COOH glutarát
buténdiová fumárová(trans) HOOC-CH=CH-COOH fumarát
maleínová(cis)
2-hydroxy- mliečna CH3 -CH-COOH laktát
propánová OH
3-hydroxy- CH3 –CH-CH-COOH 3-hydroxybutyrát
butánová
OH
2-hydroxy- HOOC-CH-CH2 –COOH - jantárová
OH malát
dihydroxy- vínna HOOC-CH-CH–COOH tartrát
jantárová OH OH vínan
citrónová CH2 - COOH
HO – C - COOH citrát
CH2 – COOH
2-oxopropánová pyrohroznová CH3- CO- COOH
pyruvát
3-oxobutánová acetoctová CH3- CO-CH2 COOH
acetacetát
2-oxojantárová oxáloctová HOOC-CH2 –CO-COOH
oxálacetát
2-oxopentánová 2-oxoglutárová HOOC-(CH2)2 -CO-COOH
2-oxoglutarát
oxaljantárová HOOC-CO-CH(COOH)CH2(COOH)
oxalsukcinát
Chemické reakcie
1.Neutralizácia - tvorba solí
CH3 – COOH + NaOH CH3 – COO- Na+ + H2O
Kyselina octová octan sodný
sodné a draselné soli - dobre rozpustné vo vode
(COOH)2 + Ca(OH)2 (COO)2 Ca + H2O
kyselina šťavelová (oxálová) šťavelan (oxalát) vápenatý
nerozpustný (močové kamene)
- organické kyseliny pri pH okolo7,4 v bunkách tvoria soli
- disociované vo forme aniónov R – COO-
- mydlá – sodné a draselné soli vyšších karboxylových kyselín,
- kyseliny palmitovej CH3–(CH2)14 - COOH
- kyseliny steárovej CH3–(CH2)16 - COOH
2. Dekarboxylácia
- CO2CH3 – CH2 – COOH CH3 - CH3
kyselina propánová etán
HOOC–CH2–CH2–COOH
kyselina jantárová
– CO2
O=C–COOH
CH – COOH
CH2– COOH
kyselina oxaljantárová
HOOC–CH2–CH2–CO–COOH (O)
– CO2
kyselina oxoglutárová
Dehydrogenácia - 2H
HOOC–CH=CH–COOH
kyselina fumarová
3. Nukleofilné substitučné reakcie
- vznik funkčných derivátov karboxylových kyselín /esterov,
amidov, anhydridov, halogenidov/
- náhradou –OH skupiny kabroxylu nukleofilom
- napr. esterifikácia
H+
H – COOH + HO – CH3 H – CO – O –CH3 + H2O
kyselina mravčia mravčan metylový
(-)(+)
Hydrolýza esterov
R – CO – O – R1 + H2O R – COOH + R1 – OH
Soľ kyseliny
Alkalická hydrolýza esterov, tzv. zmýdelňovanie:
R – CO – OR1 + NaOH R – COO Na+ + R1 – OH
Ester kyselina alkohol
Mydlá – sodné alebo draselné soli vyšších karboxylových kyselín
– vznikajú alkalickou hydrolýzou tukov
DERIVÁTY KARBOXYLOVÝCH KYSELÍN
1. Funkčné
- náhrada – H alebo - OH skupiny karboxylu inou skupinou (atómom)
- estery, tioestery, halogenidy, amidy, anhydridy
2. Substitučné
- náhrada atómu vodíka (-ov) v bočnom uhlíkatom reťazci kyseliny
iným atómom alebo skupinou (-ami)
- hydroxykyseliny, oxokyseliny, aminokyseliny, halogénkyseliny
DERIVÁTY KARBOXYLOVÝCH KYSELÍN
O
R – C – O – H
- M (soľ) –––––––––––––––––
– X (halogenidy)
– NH2 (amidy)
– O – R (estery)
– O – CO – R (anhydridy)
≡ N (nitrily)
Funkčné deriváty
Acyl-
Amidy karboxylových kyselín
O
R – C – O – H
O
R – C – NH2+ NH3 + H2O
Amid karboxylovej kyseliny
Amid kyseliny nikotínovej
Niacín
Vitamín PP 94
- prenos acylu v biochemických reakciách
- koenzýmA, HS - KoA - aktivuje kyseliny v metabol.pochodoch:
R – COOH + HS – KoA R – CO ~ S-KoA + H2O
Acylkoenzým A - tioester
- tioestery – aktivované formy karboxylových kyselín (acylov)
v živých bunkách,
napr. R- CO ~ KoA acyl – KoA
CH3 – CO ~ KoA spoločný intermedát metabolizmu tukov,
sacharidov a bielkovín,
- substrát Krebsovho (citrátového) cyklu
Acetylkoenzým A
- substitučné deriváty
γ(4) β(3) α(2) 1 O
R – CH2 – CH2 – CH – C
OH
- X (halogén karboxylové kyseliny)
- OH (hydroxy kyseliny)
- NH2 (aminokyseliny)
= O (aldehydo- a keto- kyseliny)
H
!
Hydroxykyseliny
CH3 – CH CO O
O CO CH –CH3
laktid
CH3 – CH – COOH HO
OH HOOC+
CH – CH3
- 2 H2O
α –hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na laktidy
Hydroxykyseliny
–hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na nenasýtené kyseliny:
-H2O
CH3 3CH – CH2 – 1COOH CH3 CH = CH COOH
T
OH
3–Hydroxybutánová kyselina 2- Buténová kyselina
λ –hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na laktóny
R – CH – CH2 – CH2 – C
O H OH
γ β α
R–CH–CH2–CH2–C=O
O
γ – hydroxykyselina γ – laktón
-H2OO
Syntéza kyseliny askorbovej
O = C
HO – CH
HO – CH
HO – CH2
HC
O
HO – CH
L-gulóno-
laktón
L-gulónová
kyselina
D – glukuronová
kyselina
COOH
HO – CH
HO – CH
HO – CH2
HC – OH
HO – CH
+ 2H
L-gulónolaktóndehydrogenáza
O
=O
OH OH
CH2 – OH
HO – CH
Kys. L-askorbová
(vitamín C)
- 2H
6
1
-H2O
*
6
C
H O
C
C
C
C
C O
O H
H O
O H
O H
O H
H
H
H
H
*
*
*
11
6
CH3 – CH – COOH
OH
+2H
-2H
CH3 – C – COOH
O
kyselina mliečna kyselina pyrohroznová
CH3 – CH – CH2 –COOH
+2H
-2H
CH3 – CO –CH2 –COOH
OH
αβ
kyselina β - hydroxymaslová kyselina acetoctová
Oxidácia hydroxykyselín
Reakcie ß-oxokyselínvýznamné v metabolizme tukov
NADH + H+
hydrogenácia
CO2
ketónotvorné
štiepenie
(OH- ) acid
forming cleavage
CH3CHCH2COOH
OH
Kyselina -hydroxymaslová
CH3COCH3
Acetón
2 CH3COOH
Kyselina octová
CH3CCH2COOH
O
Kyselina acetoctová
CH3 – CH – CH2 COOH
OH
kyselina β - hydroxymaslová
CH3 – CO –CH3 acetón
Ketolátky v organizme
V stopovom množstve v krvi, v moči
Vo vyššej koncentrácii v moči – ketonúria (hladovenie, diabetes)
CH3 – CO – CH2 – COOH kyselina acetoctová
Transaminácia
kys. fenylpyrohroznová kys. 2-oxoglutárová
Citrate cycle
C4C6
C2
C5
C4
Nobelova cena (za fysiológiu alebo lékárstvo, 1953) za objav
cyklu kyseliny citronové. Narodil sa v Hildesheimu (Německo)
v rodine židovského lekára. Po absolutóriu medicíny študoval
ešte rok chémiu v Berlíne. Päť rokov pracoval v Berlíne u
O. Warburga, potom ako lakár v nemocniciach v Altoně a
Freiburgu. V roku 1933, po nástupu fašizmu, prišiel na pozvania
F. G. Hopkinsa do Anglicka, dostal britské občanstvo a pôsobil
tam na rôzných universitách do konca života. V roku 1958 bol
povýšený do šlachtického stavu. Krebsov výzkum byl zameraný
najmä na rôzné aspekty intermediárneho metabolizmu.
Študoval syntézu močoviny, kyseliny močovej a purinových
zásad, mechanizmus aktívneho transportu elektrolytov a vzťah
medzi dýcháním buniek a tvorbou ATP. Jeho
nejvýznamnějším objavom je citrátový (Krebsov) cyklus.
Krebs Hans Adolf (1900 - 1981)
Deriváty H2CO3 NaHCO3 Na2CO3 anorganické soli
O
CCl Clfosgén
kyselina mravčiaH
O
C OH
močovina
diamid kyseliny uhličitej
O
CH2N NH2
tiomočovina
S
CH2N NH2
iminomočovina quanidín
NH
CH2N NH2
oxidácia
HOOC – OH =
kyselina hydroxymravčia
O
CHO OH kyselina uhličitá
Kyselina barbiturová
močovinaC
O
H 2 N NH 2
kyselina malónováHOOC COOH
CH2
+
malonylmočovina
O
C
HN NH
O=C C=O
CH2
laktánová forma
O
HN CH2
O= =ONH
tautoméria
N
OH
OHN
HO
Trihydroxy pyrimidín
laktímová forma
- 2 H2O
NH2 NH
HN = C HN = C C = O
N – CH2 – COOH N – CH2
CH3 - H2O CH3
NH2
HN = C
N – CH2 – COOH
NH ~ PO(OH2) NH C=O
HN = C HN =C
N – CH2 – COOH N CH2
kreatín kreatinín
׀
CH3
ATP
ADP
CH3
H3PO4
kreatínfosfát
kreatinín
CH3
ATP
O=C
NH2
O ~ P
karbamylfosfát
–O P O–~
O
O
C CH2C
O–
O
fosfoenolpyruvát
CH2 O P O–
O
HC OH O–
O C O~ P
O–
O–
O
1,3–bisfosfoglycerát
Makroergické zlúčeniny
~
Voľná energia hydrolýzy fosforylových skupín
niektorých makroergických zlúčenín
Látka ∆G0´ kJ.mol-1)
Fosfoenolpyruvát -61,86
Karbamylfosfát -51,41
Acetylfosfát -43,05
Kreatínfosfát -43,05
ATP (na ADP) -30,51
Glukóza-1-fosfát -30,51
Glukóza-6-fosfát -13,79
Glukóza-3-fosfát -9,19
Amíny - primárne R-NH2
- sekundárne R-NH-R
- terciálne R-N-R
Rzásadité vlastnosti
tvorba amóniových solí
ORGANICKÉ ZLÚČENINY DUSÍKA
R – NH2 + H+ R – NH3+
Reakcia amínov s kyselinou dusitou/dusitanmi
NH
R
R
+ HO N O N
R
RON + H2O
sekundárny
amín
kyselina
dusitá
nitrózamínSecondary
amine
Nitrous
acid
Nitrosamine
Karcinogén !!
R – CH2 – NH2 + HNO2 R – CH2 – OH + N2 + H2O
Primárny amín
Sekundárny amín
nitrózoamín
Vznik biologicky významných amínov
– CH2 – CH – COOH
NH2 – CO2
– CH2 –CH2 –NH2
HistamínHistidínN
H
N
N
H
N
HO CH2 CH
NH2
COOH HO CH2 CH2 NH2HO CH2 CH2 N
CH3
CH3
CH3
++ 3 CH3
cholínCO2
Serín EtanolamínCholín
silné účinky na organizmus,
vo vyšších dávkách až jedovaté
prírodné dusíkaté látky zásaditého
charakteru
výskyt: produkty metabolizmu aminokyselín u
rastlín (menej u živočíchov)
dusík je väčšinou viazaný v heterocykle, a podľa
tohto heterocyklu sa aj triedi
vo vode väčšinou nerozpustné
horká chuť
ALKALOIDY - vlastnosti
Alkaloidy s cyklom pyridínu
nikotín - izoluje sa z listov tabaku
- smrtelná dávka pre človeka - 50 mg
Alkaloidy s cyklom tropánu
atropín - má špecifický účinok na organizmus – lieči obličkovú a žlčníkovú kolitídu
kokaín - lokálne analgetikum
Alkaloidy s cyklom chinolínu a izochinolínu
morfín – silný ópiátový analgetický účinok
kodeín – tlmenie kašľa
heroín (diacetylmorfín) – semisynteticé ópioidové ličivo – analgetikum z maku
Alkaloidy s cyklom indolu (námelové alkaloidy)
lysergid (LSD) – halucinogén
Alkaloidy s cyklom purínu
kofeín
teobromín
teofylínanaleptiká, ktoré stimulujú určité
oblasti CNS, ale výrazne neovplyvňujú psychické funkcie
ORGANICKÉ ZLÚČENINY SÍRYSíra patrí medzi sekundárne makroprvky
Nachádza sa
• v anorganických soliach – sírany
• v proteínoch (vlasy, nechty, rohovka)
• esenciálne aminokyseliny – cysteín, metionín – z rastlín
• biologicky významné látky – kyselina lipoová, biotín, tiamín, heparín,
koenzým A, inzulín, glutatión . ...
Denne človek vylúči 0,6 – 1,0 g síry ( sírany, estery kyseliny sírovej,..)
• Tioly R-SH (disulfidy, tioestery) – redoxné reakcie
• Sulfidy R-S-R (sulfoxidy, sulfóny)
• Sulfónové kyseliny, sulfonamidy R – SO3H
R – SO2 – NH2
• Heterocyklické zlúčeniny so sírou (tiofén, tiazol)
Tiofén Tiazol
v čiernouholnom dechte liečivá
S
N
S
ORGANICKÉ ZLÚČENINY SÍRY
Tioly and sulfidy
Aminokyselina metionín
Redoxné reakcie tiolov
R – SH + HS – R R – S – S – R + 2H
oxid
red
Tvorba disulfidov
- 2H+ 2H
oxidácia
redukcia
S
S
Redoxné reakcie tiolov - vplyv na štruktúru
bielkovín
OOC-CH-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COO-
NH3+ CH2
SH
SH
NH3+ CH2
OOC-CH-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COO
dehydrogenácia
- 2H
2 GSH GSSG + 2H
Oxidácia glutatiónu
Opýtaš sa, budeš 5 minút vyzerať ako blbec.
Neopýtáš sa, budeš blbcom po celý život
Čínské príslovie