Лекция 1 Предмет органической химии. Особенности органических веществ.

Лекция 1 Предмет органической химии. Особенности органических веществ. Основные классы органических соединений Балакин Константин Валерьевич, д. х. н. зав. кафедрой общей химии доцент Т. М. Васильева (каф. общ. хим. )

Информация о лекторе К. В. Балакин Образование 1993 – Московский институт тонкой химической технологии, специальности – биотехнология, тонкий органический синтез; 1993 -1996 – обучение в аспирантуре в ИБХ РАН; 1998 – степень кандидата химических наук, специальность биоорганическая химия 2005 – степень доктора химических наук, специальность органическая химия (ИГХТУ, Иваново). Профессиональная деятельность 2000 -2008 – руководитель отдела компьютерной и медицинской химии, ЦВТ Хим. Рар. 2008 по н. в. – зав. лабораторией в ИФАВ РАН (Черноголовка). 2008 по н. в. – директор некоммерческого партнерства институтов РАН «Орхимед» (Москва). 2012 по н. в. – зав. кафедрой общей химии МФТИ (ГУ) (Долгопрудный). Специализация Органическая, биоорганическая, медицинская и компьютерная химия, разработка лекарственных препаратов, химическая информатика, химическая технология

План лекционных занятий 1) Основные вопросы органической химии Химическая связь в органических соединениях Стереохимия органических соединений Механизмы органических реакций 2) Некоторые вопросы биоорганической химии Аминокислоты, пептиды и белки Углеводы Липиды Основы органической химии лекарственных веществ

Современная органическая химия: особенности • Теоретико-эмпирическая наука, занимающая промежуточное место между строгими и гуманитарными науками. • Источники – философия, физика, математика, биология. Критическая роль эксперимента. Приложения – от создания новых материалов до разработки лекарств, систем искусственного интеллекта и пр. • В современной органической химии – очень высокая роль информационной составляющей, а также физико-математической и технической проблематики. • Связь с загадками живой природы и мироздания в целом.

Примеры лекарств «Химическая фармацевтика»

Лекарства на основе природных веществ

Другие примеры Кевлар Фуллерен С-60 Липосома с лекарством Белок. Третичная структура

Русские химики-органики Михаил Васильевич Ломоносов (1711 -1765) Первая российская химическая лаборатория (1748 г. ). Опыты над окислением металлов при нагревании в запаянных сосудах. Основы физической химии. Труд «Элементы математической химии» : «…стремящийся к ближайшему изучению химии должен хорошо знать математику» . Константин Сигизмундович Кирхгоф (1764— 1833) Получение глюкозы из крахмала. Герман Иванович Гесс (1802 -1850) Работы по термохимии. Окисление сахаров. Учебник «Основания чистой химии» (1831), выдержавший семь изданий (последнее – в 1849 г. ). Александр Абрамович Воскресенский (1809 -1880) «Дедушка русской химии» (Д. И. Менделеев). Установление состава нафталина и хинной кислоты. Исследования алкалоидов и каменных углей. Фёдорович Бейльштейн (1838 -1906) Химия ароматических соединений. Химия нефти.

Русские химики-органики Александр Порфирьевич Бородин (1834 -1887) Галогенпроизводные кислот. Химия альдегидов. Опера «Князь Игорь» Николай Николаевич Зинин (1812— 1880) Превращение ароматических нитросоединений в аминосоединения. Производные анилина. Александр Михайлович Бутлеров (1828— 1886) Теория строения органических соединений. Александр Ерминингельдович Арбузов ( 1877 -1968 г) Исследования фосфорорганических соединений. Сергей Васильевич Лебедев (1874 -1934) Промышленное получение синтетического каучука. Николай Дмитриевич Зелинский (1861 -1963) Стереохимия. Химия нефти. Катализ. Аминокислоты и белки. Создание угольного противогаза.

Предмет органической химии Органическая химия – научная дисциплина, всесторонне изучающая органические соединения: • Строение • Физические и химические свойства • Способы получения, синтез • Способы практического использования

Что такое органические соединения? Органические соединения – это соединения углерода с другими элементами (водородом, кислородом, азотом, серой, фосфор, галогены), которые содержат в своем составе С-С и С-Н связи. Причем наличие последних обязательно. • Оксиды углерода СО, СО 2 • Карбиды Ca. C 2, Al 4 C 3, Si. C, B 4 C, Fe 3 C Неорганические соединения Органические соединения – это углеводороды и их производные.

Особенности органических соединений • • • Многообразие органических соединений. Сложность молекул органических веществ, содержащих до 10 тысяч атомов (например, природные биополимеры - белки, углеводы). Специфичность свойств органических соединений по сравнению с неорганическими (неустойчивостью при сравнительно невысоких температурах, низкой – до 300°С – температурой плавления, горючестью). Медленно идущие реакции между органическими веществами по сравнению с реакциями, характерными для неорганических веществ, образование побочных продуктов, специфика выделения получающихся веществ и технологическое оборудование. Огромное практическое значение органических соединений. Они - наша пища и одежда, топливо, разнообразные лекарственные препараты, многочисленные полимерные материалы и т. д.

Источники органических веществ 1) Сырьевые источники - нефть (крекинг, дегидрирование, полимеризация, окисление) - смолы - каучуки - пластмассы - природный газ - бурый и каменный угли - горючие сланцы - торф - древесина - другие природные продукты - алкалоиды растений (хинин, атропин, стрихнин) - антибиотики (стрептомицин, пенициллин) - стероиды и изопреониды - пигменты (каротиноиды, порфирины)

Источники органических веществ 2) Синтез - лекарственные соединения - витамины - гормоны - регуляторы роста - пестициды 3) Биотехнология, генная инженерия Изучение возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами - рекомбинантная ДНК - рекомбинантные белки - клеточные культуры

Неорганические vs. органические Неорганические ~ 700 тыс Соединения Органические Более 10 млн. соединений Почему существует такое большое число органических веществ, устойчивых к физико-химическим условиям нашей планеты?

Разнообразие органических соединений: комбинаторный взрыв Пример: пептиды

Комбинаторный синтез Zimmermann, Robert Langer & Daniel G Anderson Nature Biotechnology 26, 561 - 569 (2008) Одна библиотека: 5 точек рандомизации, 100 реагентов с отдельными функциями, N = 1005 = 10 млрд соединений N = 17 * 117 = 1989 Реагентов отдельного вида могут быть тысячи (R-COOH, RR’NH, RSO 2 Cl, RCOCH=CH 2, RCH 2 Cl и т. д. )

Свойства углерода 1) Наличие на внешнем энергетическом уровне (2 s и 2 p) четырех электронов: С 2 s 22 p 2 Поэтому атом углерода не склонен ни терять, ни приобретать свободные электроны с образованием ионов 2) Малый размер атома (в сравнении с другими элементами IV группы): Элемент С Si Атомный радиус, нм 0, 077 0, 133 Элемент Ge Sn Атомный радиус, нм 0, 139 0, 158 Элемент Pb Атомный радиус, нм 0, 175

Электронная структура атома углерода

Многообразие органических соединений: Свойства углерода Углерод обладает уникальной совокупностью свойств: 1) Четырехвалентность 2) Способность образовывать длинные цепи и кольца, изомеризация Изомерия – это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства. 3) Образование связи с атомами других элементов (O, N, P, S, Hal)

Многообразие органических соединений: продолжение 4) Элементы обнаруживают присущую им валентность, и также не изменяется их способность образовывать кратную связь. 5) N, O, S и другие элементы, способные образовывать более чем одну одинарную связь, все еще сохраняют свою способность связываться с другими элементами помимо углерода. 6) В состав органических молекул может входить группа, которая в других случаях была бы слишком неустойчивой, чтобы существовать Диазогруппа бенздиазонийхлорид

Способы изображения органических молекул 1) Структурные формулы полная 2) сокращенная Электронные формулы 4) 3 D-формула метан 3) этан Брутто-формулы CH 4, C 2 H 6

Теории органических соединений 1) Теория витализма (Й. Я. Берцелиус) Органические вещества образуются лишь в живых организмах под влиянием особой «жизненной силы» ( «vis vitalis» – жизненная сила (лат. )) Возражения: • Синтез мочевины (Ф. Велер 1828 г. ) • Синтез уксусной кислоты (А. Кольбе 1847 г. ) • Синтез природных аналогов жиров (М. Бертло 1853 -1854 гг. ) • Синтез метана (М. Бертло 1856 г. )

Теории органических соединений 2) Теория радикалов (Ж. Дюма, Ю. Либих, Й. Берцелиус) Превращения органических соединений протекают так, что некоторые группы атомов (радикалы), не изменяясь, переходят из одного органического соединения в другое. 3) Теория типов (О. Лоран, Ш. Жерар, Ж. Дюма) Классификация органических веществ по типам превращений: • • тип водорода – углеводороды; тип хлороводорода – галогенопроизводные; тип воды – спирты, эфиры, кислоты и их ангидриды; тип аммиака – амины.

Теория А. М. Бутлерова (1861 г. ) «Всякое органическое соединение имеет единственную (!) химическую формулу, отражающую порядок связывания атомов в молекуле и определяющую его свойства (!!)» Основные положения: 1) 2) 3) Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью. Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от химического строения, то есть от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.

Примеры 1) C 2 H 6 O этиловый спирт диметиловый эфир 2) 3) Более сильная уксусная кислота хлоруксусная кислота

Изомерия углеродного скелета С С С Углеродный скелет (углеродная цепь химически связанных между собой атом С С С

Изомерия углеродного скелета С 5 Н 12 Третичный атом углерода Вторичный атом углерода Четвертичный атом углерода пентан 2 -метилбутан 2, 2 -диметилпропан

Изомерия положения: кратная связь С С С Бутен-2 С С Бутен-1 С

Изомерия положения: функциональная группа Функциональная группа - атом или группа атомов, определяющие принадлежность соединения к определенному классу и ответственные за его химические свойства. С С С ОН Пропанол 2 -Пропанол (изопропиловый спирт) С

Изомерия цепь-цикл Циклические соединения - соединения с замкнутой углеродной цепью. Гексан Циклогексан Метилциклопентан

Классификация органических соединений Органические соединения Ациклические (алифатические) Функциональные производные Циклические Гетероциклические Предельные (насыщенные) Непредельные (ненасыщенные) Алканы Алкены Алкины Сn. H 2 n+2 Сn. H 2 n-2 >C=C< -CΞC- Карбоциклические Алициклические (циклоалканы) Ароматические (арены)

Ациклические соединения Алканы – гомологический ряд метана СН 4 Формула состава Структурная формула линейных молекул Температура кипения Название углеводорода Радикал (алкильная группа) Газы СН 4 -161, 6° Метан - СН 3 метил С 2 Н 6 СН 3 – СН 3 - 88, 6° Этан - СН 2 -СН 3 этил С 3 Н 8 СН 3 – СН 3 - 42, 1° Пропан - СН 2 -СН 3 пропил С 4 Н 10 СН 3 - СН 2 - СН 3 -0, 5° н-Бутан -СН 2 -СН 3 н-бутил Жидкости С 5 Н 12 СН 3 - СН 2 -СН 3 + 36, 1° н-Пентан -СН 2 -(СН 2)3 -СН 3 н-пентил С 6 Н 14 СН 3 - (СН 2)4 - СН 3 + 68, 7° н-Гексан -СН 2 -(СН 2)4 -СН 3 н-гексил С 7 H 16 СН 3 - (СН 2)5 - СН 3 + 98, 5° н-Гептан -СН 2 -(СН 2)5 -СН 3 н-гептил C 8 H 18 СН 3 - (СН 2)6 - СН 3 + 125, 6° н-Октан -СН 2 -(СН 2)6 -СН 3 н-октил

Циклические соединения 1) Карбоциклические Циклобутан Циклопентан Циклогексан 2) Ароматические – содержат сопряженные двойные связи Бензол Бензойная кислота Нафталин

Гетероциклические соединения Содержат в составе циклического скелета кроме атомов углерода один или несколько гетероатомов (N, S, O) Фуран Тиофен Имидазол Гистамин (4 -(2 -Аминоэтил)-имидазол

Гетероциклические соединения Цитозин Урацил Тимин Пиримидин Аденин Гуанин Пурин

Функциональные соединения: некоторые функциональные группы Функциональная группа Формула Название Класс соединений Название класса Общая формула класса -Hal (-F, -Cl, -Br, -I) Галогены Галоген-производные R-Hal -OH Гидроксильная Спирты, фенолы R-OH, Ar-OH -O- Окси Эфирный кислород Простые эфиры R-O-R' -NH 2 Амино Первичные амины R-NH 2 >NH Вторичные амины R 2 NH >N- Третичные амины R 3 N Тиолы (меркаптаны) R-SH Меркапто Примеры

Функциональные соединения: некоторые функциональные группы Функциональная группа Формула Название Класс соединений Название класса Общая формула класса -NO Нитрозогруппа Нитрозосоединения R-NO 2 Нитрогруппа Нитросоединения R-NO 2 >С=О Карбонил Альдегиды R-CH=O Кетоны R-CO-R' Карбоновые кислоты R-COOH Карбоксил Примеры

Функциональные соединения: некоторые функциональные группы Функциональная группа Формула Название Класс соединений Название класса Общая формула класса Алкоксикарбонил Сложные эфиры R-COOR' Карбамоил Амиды R-CONH 2 Сульфоновые кислоты R-SO 3 H Примеры

Гетерофункциональные соединения L-аланин Молочная кислота Таурин

Номенклатура органических соединений Номенклатура – это система терминов, обозначающих строение веществ и пространственное расположение атомов в их молекулах 1) Рациональная: сложное вещество рассматривается как производное более простого, получаемого путем замены водорода на другие атомы или атомные группы 2) Заместительная (IUPAC*, женевская): название соединения строится как сложное слово, состоящее из корня (родоначальное название), префиксов и суффикса, характеризующих число и характер заместителей, степень насыщенности; при необходимости указываются локанты * International Union of Pure and Applied Chemistry, Женева 1892 г.

Важность номенклатуры для биологов 1) n-гидроксиацетанилид Парацетамол Панадол Тайленол Эффералган 2) Ацетилсалициловая кислота Аспирин Анопирин Аспро Ацетилин Новандол

Аналитические методы 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) Элементный анализ: определение брутто-формулы Методы аналитической химии: определение функциональных групп ИК-спектроскопия: определение функциональных групп УФ-спектроскопия: характеристика конъюгированных πсистем Электронная спектроскопия: определение ароматических групп, кратных связей, исследование таутомерии Масс-спектроскопия: определение молекулярного веса вещества, определение функциональных групп Ядерный магнитный резонанс (ЯМР): исследование формы углеродного скелета молекулы, определение положения атомов C, H, F, P. Изучение пространственного строения молекул, их динамики Рентгеноструктурный анализ: характеристика взаимного расположения центров атомов и углов между связями

Литература 1) В. Л. Белобородов, С. Э. Зурабян, А. П. Лузин, Н. А. Тюкавкина Органическая химия: учеб. для вузов. В 2 кн. М. : Дрофа, 2008 2) В. Л. Флорентьев Геном человека. Органическая химия (часть 1) 1990 3) Дж. Робертс, М. Касерио Основы органической химии М. : Мир, 1978 4) А. Терней Современная органическая химия В 2 кн. М. : Мир, 1981 5) М. А. Юровская, А. В. Куркин Основы органической химии М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010 6) И. И. Грандберг Органическая химия М. : Дрофа, 2001 7) Ф. Кери, Р. Сандберг Углубленный курс органической химии. В 2 кн. М. : Химия, 1981

Благодарю за внимание!