Лекция 2

Стереоизомерия. Кислотность и основность органических соединений

Продолжительность лекции: 2,5 часа

Цель и задачи: Ознакомить студентов с оптической изомерией – одним из видов стереоизомерии. Подчеркнуть студентам, что свойства веществ зависят от пространственного строения. Дать представление о протолитической теории, кислотности и основности органических соединений и влиянии на них различных факторов.

Мотивация: Акцентировать внимание будущих врачей на том, что пространственное строение органических веществ тесно связано с проявлением ими биологической активности, а также возможностью участия в биохимических процессах. Большинство органических соединений, находящихся в живом организме рассматриваются как слабые кислоты. Их биологическая активность находится в зависимости от степени диссоциации, на которую оказывает влияние реакция среды и др. факторы.

План лекции

1. Изомерия, Структурная изомерия, её виды. Пространственная изомерия, её виды, Оптическая изомерия (энантиомерия)

2. s- и p-диастереомерия. Примеры их проявления у биологически активных соединений.

3. Кислотно-основные свойства органических соединений

4. Факторы, влияющие на кислотные свойства органических соединений

Наглядность и технические средства: кодоскоп, микрофон

Содержание лекции

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый количественный и качественный состав, молекулярную массу, но отличающиеся химическим строением или расположением атомов в молекуле, пространстве.

Изомерия делится на 2 основных вида – структурную и пространственную (стереоизомерию).

Структурные изомеры отличаются друг от друга химическим строением. Структурная изомерия подразделяется на следующие виды:

1. Изомерия углеродной цепи (н-бутан, изобутан или2-метилпропан)

2. Изомерия положения функциональных групп: (пропанол-1, пропанол-2).

3. Изомерия положения кратных связей: (пентен-1, пентен-2).

4. Межклассовая изомерия. При этом одной эмпирической формуле С₂Н₅О отвечают а) этиловый спирт; б) диметиловый эфир

Стереоизомерия (пространственная изомерия) включает следующие виды:

1. Конформационная

2. Энантиомерия (оптическая изомерия)

3. Диастереомерия (s- и p-диастереомерия). Геометрическая изомерия.

Стереоизомеры – это изомеры, имеющие одинаковый состав и химическое строение молекулы, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов. Пространственное строение веществ изучает раздел химии и стереохимия. От пространственного строения соединений зависят их физические и химические свойства и биологическая активность.

Конформационная изомерия – это вид изомерии, при котором различие между изомерами (конформерами) обусловлено поворотом отдельных участков молекулы вокруг одинарных s-связей. (см. методическую разработку кафедры).

Энантиомерия возможна у любых органических соединений, имеющих ассиметрический атом углерода, соединённый с четырьмя различными атомами или группами атомов. Например, молекула молочной кислоты.

Молекулы веществ, содержащих ассиметрический атом углерода называют хиральным центром. Наши руки не содержат элементов симметрии и относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению.Они не могут быть совмещены в пространстве.

Хиральные молекулы также не содержат элементов симметрии и относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению и не могут быть полностью совмещены в пространстве.

Энантиомеры – стереоизомеры,молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение: Д (-) Молочная кислота и L (+) Молочная кислота. Для обозначения внешней конфигурации энантиомеров вводится понятие о Д и L-формах. Для энантиомеров с одним хиральным центром: Д-форма – энантиомер, в котором заместитель (–ОН группа и др.), соединённые с хиральным центром записываются справа по отношению к углеродной цепи, а L-форма – слева.

В данном случае в молочной кислоте –ОН группа – Д,L определяющий гидроксил.

Энантиомеры обладают оптической активностью. Они способны вращать плоскость поляризации света. Оптическая активность энантиомеров исследуется с помощью прибора – поляриметра, в котором луч света пройдя через специальную призму Николя колеблется только в одной плоскости, становится плоскополяризованным. Энантиомеры способны отклонять его либо влево, либо вправо. У энантиомеров угол вращения плоскости поляризации света одинаковый, но направление вращения противоположное. Один энантиомер – левовращающий, знак (-), а другой правовращающий, знак (+). У молочной кислоты Д (-); a=-2,6° и L (+); a=+2,6° при 22°С в 2,5 % водном растворе.

Знак вращения плоскости поляризации света не связан с принадлежностью к Д- или L-ряду. Он определяется экспериментально. Таким образом, энантиомеры обладая одинаковыми физическими и химическими свойствами, отличаются по оптическим свойствам. Они являются оптическими антиподами.

Смесь равных количеств энантиомеров называется рацематом. Он не обладает оптической активностью. Организм избирательно относится к энантиомерам. Утомление мышц при длительной работе обусловлено накоплением в них L (+) молочной кислоты.

Многие биологически важные соединения содержат в молекуле более одного центра хиральности. Количество стереоизомеров для них определяют по формуле: z=2ⁿ, z – количество стереоизомеров, n – число хиральных центров. Например, 2,3,4 – тригидроксибутаналь. Количество стереоизомеров равно 2 в степени 2 =4. Первая пара энантиомеров 1) Д – эритроза и 2) L-эритроза и вторая пара энантиомеров 3)Д-треоза и 4)L-треоза.

Энантиомеры каждой пары сходны между собой по физическим и химическим свойствам, но отличаются по оптическим свойствам, являются оптическими антиподами. 1 и 3; 1 и 4; 2 и 3; 2 и 4-ая пары стереоизомеров не являются энантиомерами, у них проявляется другой вид стереоизомерии – диастереоизомерия. Диастереоизомеры – это стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, т.е. «зеркальными» изомерами. У перечисленных выше пар стереоизомеров проявляется s-диастереометрия, т. к. заместители связаны с центром хиральности s-связями.

Если заместители находятся по одну сторону углеродной цепи, то такой стереоизомер называют эритро-формой, если по разные стороны, то трео-формой. У s-диастереомеров конфигурация одного хирального центра одинаковая, а другого противоположная. s-диастереомеры отличаются по физическим и химическим свойствам и не являются зеркальным изображением один другого. Понятие энантиомерии и s-диастереомерии взаимоисключающие. Если пара стереоизомеров не являются энантиомерами, то они будут s-диастереомеры.

p-диастереомеры – это стереоизомеры, отличающиеся друг от друга различным пространственным расположением одинаковых заместителей относительно плоскости p-связи. Например, бутандиовая кислота. Она образует 2 p -диастереомера (цис-p-диастереомер, малеиновая кислота)

и (транс-p-диастереомер, фумаровая кислота).

Молекулы бутендиовой кислоты не содержат центров хиральности. p-диастереомеры отличаются друг от друга по физическим и химическим свойствам, а также по физиологическому действию. Более устойчивыми являются транс-p-диастереомеры. Поэтому они более распространены в природе. Фумаровая кислота содержится как в растительных, так и животных организмах. В последних, она образуется как промежуточный продукт обмена углеводов в анаэробных условиях. Малеиновая кислота токсична, в природе не встречается, получается синтетическим путём.

Таким образом, пространственное строение органических веществ тесно связано с проявлением ими биологической активности, а также возможностью участия в биохимических процессах.