Министерство здравоохранения и социального развития Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования Кировская государственная медицинская академия Биоорганическая химия Методическое руководство для самостоятельной аудиторной работы студентов Киров 2009 2 ББК 28.072я43 УДК 577.1(075.8) О-66 Печатается по решению редакционно-издательского совета Кировской государственной медицинской академии протокол №17 от 30 сентября 2009г Орлова О.Ю. Биоорганическая химия: методическое руководство для самостоятельной подготовки студентов к практическим занятиям и экзамену/ сост. О.Ю. Орлова, Л.В. Власова, С.А. Куклина. – Киров: Кировская ГМА, 2009 – 60 с. Учебно-методическое пособие предназначено для организации самостоятельной аудиторной работы студентов специальностей «Лечебное дело» и «Педиатрия» по основным разделам биоорганической химии. Содержание руководства соответствует программе по биоорганической химии для медицинских ВУЗов и включает материал всех изучаемых тем с рассмотрением теоретических вопросов, литературу по каждой теме, описание лабораторных работ и правила оформления протоколов. Лабораторные работы носят научно-исследовательский характер. Для подготовки к экзамену в пособии имеются контрольные вопросы для самостоятельной подготовки к экзамену по биоорганической химии. Рецензент: Цапок П.И. –заведующий кафедрой биологической химии Кировской ГМА, доктор медицинских наук, профессор. © ГОУ ВПО Кировская ГМА, 2009. ©О.Ю. Орлова, Л.В.Власова, С.А. Куклина, 2009. 3 СОДЕРЖАНИЕ ВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………..…4 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ…………………………………………………………….....5 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ АУДИТОРНОЙ ТЕМА 1 КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ………………………………………………………….……….…..8 ТЕМА 2 СОПРЯЖЕНИЕ И АРОМАТИЧНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ …………………………………………..…………………………………...10 ТЕМА 3 ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ. КИСЛОТНЫЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ……………………………….……………...12 ТЕМА 4 РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ УГЛЕВОДОРОДОВ. ………………………15 ТЕМА 5 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1.……………………………………………………19 ТЕМА 6 РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ И ЭЛИМИНИРОВАНИЯ У НАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА...………………………………………20 ТЕМА 7 РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ В АЛЬДЕГИДАХ И КЕТОНАХ……...……………………………………………………………………24 ТЕМА 8 РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В КАРБОНОВЫХ КИСЛОТАХ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ…… ………………………………………………………27 ТЕМА 9 ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ В МОЛЕКУЛАХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ………………………………………………………………………32 ТЕМА 10 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2. ПОЛИ - И ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.………………………………………………..35 ТЕМА 11 МОНОСАХАРИДЫ………………………………………………………………..39 ТЕМА 12 ДИ- И ПОЛИСАХАРИДЫ….……………………………………………………..41 ТЕМА 13 - АМИНОКИСЛОТЫ..…………………………………………………………..43 ТЕМА 14 ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ ……………………………………………………….…….44 ТЕМА 15 ОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ.………………………………………………………..47 ТЕМА 16 НЕОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ……………………………………………………..48 ТЕМА 17 БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. НУКЛЕОТИДЫ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.…………………………………..50 ТЕМА 18 …………………………..…………………………………………………………..54 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ ПО БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ …………………………….….………..55 ЛИТЕРАТУРА ……….……………………………………..…………………………..…...........58 4 Предисловие В свете современных тенденций развития высшей медицинской школы большое количество часов отводится на самостоятельную работу студентов, однако большой объем изучаемого материала по биоорганической химии затрудняет студентам систематизацию и усвоение материала по предмету. Целью данного пособия является организация самостоятельной работы студентов лечебного и педиатрического факультетов к практическим занятиям по биоорганической химии. Авторы благодарят за помощь в оформлении пособия Н.Л. Зобнину, а также коллектив кафедры общей химии КГМА за полезные советы и замечания. Введение Биоорганическая химия – наука, изучающая строение и механизм функционирования биологически активных молекул с позиций органической химии. Целью данной учебной дисциплины является формирование знаний взаимосвязи строения и химических свойств биологически классов органических соединений, биополимеров и их структурных компонентов, т.е. платформы для восприятия биологических и медицинских знаний на молекулярном уровне. В преподавании биологической химии используются традиционные формы обучения – лекции и лабораторные занятия, которые дополняются самостоятельным изучением студентами отдельных разделов программы. Преподавание предмета « Биоорганическая химия « включает задачу: научить студента понимать строение и реакционную способность биологически значимых соединений. Завершающей формой контроля знаний и умений студентов является экзамен, который рекомендован Всероссийским учебно-научно-методическим центром по непрерывному медицинскому и фармацевтическому образованию проводить с использованием комплексных билетов. Начальным этапом сдачи экзамена является проведение тестового контроля. 5 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Основные умения и навыки, приобретаемые студентами по курсу биоорганической химии: 1. Умение классифицировать органические соединения по строению углеродного скелета и по природе функциональных групп. 2. Умение пользоваться правилами химической номенклатуры. Умение составлять названия по структурной формуле и по названию составлять структурную формулу представителей биологически важных классов органических соединений. 3. Умение определять в молекуле наличие центра хиральности и представлять пространственное строение биологически важных органических соединений. 4. Умение по строению определять в молекуле наличие реакционных центров и устанавливать их характер: кислотный, основный, электрофильный или нуклеофильный и качественно оценивать реакционную способность органических соединений. 5. Умение проводить качественные реакции с целью обнаружения ненасыщенности; наличие диольного фрагмента; индентификации ряда аминокислот, входящих в состав белков (ароматических, серусодержащих); доказательства восстановительных свойств соединений. 6. Умение анализировать и обрабатывать результаты эксперимента, Навыки правильного ведения документации: конспектирование и оформление протоколов и лабораторного журнала. 7. Навыки обращения с химической посудой. 8. Навыки безопасной работы в химической лаборатории. Умение обращаться с едкими, ядовитыми, легколетучими органическими соединениями и работать с горелками, спиртовками и электрическими нагревательными приборами. ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИЯХ НА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЯХ ПО БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ. Перед началом работы необходимо внимательно изучить содержание опыта и усвоить технику его исполнения. На практических занятиях по биоорганической химии все опыты проводятся с малым количеством реактивов, что значительно упрощает их и снижает риск возникновения несчастных случаев, но полностью не исключает. Поэтому необходимо соблюдать правила техники безопасности, противопожарной безопасности, а также знать меры оказания первой помощи при несчастных случаях. 6 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ 1. Все работы: а) с легковоспламеняющимися жидкостями (ацетон, бензол, толуол, эфиры, спирты); б) с концентрированными кислотами и щелочами; в) связанные с выделением вредных веществ и дыма, проводятся только в вытяжных шкафах. 2. При разбавлении концентрированных кислот водой нужно лить кислоту в воду, а не наоборот. Разлитые кислоты и щелочи нужно немедленно засыпать песком и убрать. 3. Отработанные кислоты и щелочи нужно собирать в предназначенную посуду, а не выливать в раковину. 4. Нельзя пробовать вещества на вкус. При определении вещества по запаху нужно легким движением направить пары или газ к носу и осторожно вдыхать. 5. Сухие реактивы нужно брать чистой лопаточкой или шпателем. 6. Нельзя допускать загрязнения реактивов; открыв склянку, нужно ставить пробку нижней частью вверх. Закрывать сосуд можно только той же пробкой. Излишек реактива нельзя сливать обратно в склянку. 7. Работать нужно только с минимальным количеством реактивов. Если не указано, сколько реактива надо взять для опыта, то следует брать сухого вещества в количестве, закрывающем дно пробирки, а раствора не более 1/6 объема пробирки. 8. При работе с легковоспламеняющимися жидкостями электронагревательные приборы, горелки, находящиеся по близости, должны быть выключены. Нагревание легковоспламеняющихся жидкостей разрешается производить только на водяных банях. 9. Нельзя зажигать спиртовку от другой спиртовки. При нагревании жидкости в пробирке или колбе, необходимо держать их так, чтобы отверстие было направлено от себя и от соседей. 10.По окончании работы необходимо выключить электронагревательные приборы, горелки, закрыть все склянки, вымыть посуду и руки с мылом. Нельзя загрязнять раковину фильтрами, обрывками бумаги, спичками, стеклянным боем и т.п. ПРАВИЛА ПРОТИВОПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ПОЖАРА НУЖНО НЕМЕДЛЕННО ВЫЗВАТЬ ПОЖАРНУЮ КОМАНДУ И НАЧАТЬ ГАСИТЬ ЕГО ПЕРВИЧНЫМИ СРЕДСТВАМИ, УЧИТЫВАЯ ПРИРОДУ ЗАГОРЕВШЕГОСЯ ВБЩЕСТВА 1) При загорании легковоспламеняющихся жидкостей необходимо выключить 7 все электронагревательные приборы, вентиляцию. 2) Если загорелась жидкость в стакане или колбе, нужно прикрыть мокрым полотенцем и фарфоровой чашкой. Если загорелась жидкость, разлитая по столу или полу, накрыть асбестовым одеялом. 3) Жидкости, нерастворимые в воде (эфир, бензол и т.д.) нельзя тушить водой. Нужно тушить песком или порошковым огнетушителем. 4) Для тушения жидкостей, растворимых в воде (спирт, ацетон), нужна вода. 5) Если загорание произошло в вытяжном шкафу, нужно прежде всего выключить тягу, а затем приступить к тушению пожара. 6) Если загорелась одежда на человеке, нужно немедленно обвернуть его мокрой материей, одеялом. МЕРЫ ОКАЗАНИЯ ПЕРВОЙ ПОМОЩИ ПРИ НЕСЧАСТНЫХ СЛУЧАЯХ I. При порезах стеклом нужно удалить осколки из ранки и, убедившись, что стекла там нет, смазать поверхность вокруг пораженного места йодом и перевязать. II. При поражении электрическим током необходимо прежде всего обесточить пострадавшего. Однако это требует большой осторожности и осмотрительности спасающего. Если отключение тока будет невозможным, то необходимо выбить токоведущие части сухой палкой, доской или оторвать пострадавшего изолированными руками (обмотать полотенцем). Пострадавшему необходимо обеспечить полный покой: расстегнуть одежду, стесняющую дыхание, создать приток свежего воздуха, дать понюхать нашатырный спирт и побрызгать водой, сделать искусственное дыхание. III. При термических ожогах к обожженному месту следует приложить примочку из 2% - раствора перманганата калия. Лучшим средством является примочка 96% - раствором этилового спирта. IV. При ожогах кислотами и щелочами следует обмыть пораженное место большим количеством воды, а затем сделать примочку: а) при ожогах кислотой - 2% - раствором питьевой соды; б) при ожогах щелочью -1 - 2% - раствором уксусной или борной кислоты. Затем смазать вазелином. ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Оформление лабораторных работ выполняется в тетради в виде таблицы: Название опыта Содержание работы Результаты наблюдений Уравнение реакций с указанием механизма Выводы 8 Тема 1: КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Значение темы: Основные правила химической номенклатуры лежат в основе названий органических соединений, являющихся объектами изучения биоорганической и биологической химии. Цель занятия: - сформировать знания об основных классах органических соединений и основных принципах химической номенклатуры. - выработать навыки использования их в наименовании биологически активных природных и синтетических соединений, интермедиатов обмена веществ в живом организме и лекарственных препаратов. - на основе знаний основных классов органических соединений научить строить названия биологически активных природных и синтетических соединений в живом организме и лекарственных препаратов. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -основные положения теории строения органических соединений А.М. Бутлерова. - основные правила систематической номенклатуры отдельных классов. - основные классы органических соединений. Изучите теоретический блок 1. Значение биоорганической химии для биологии и медицины. 2. Общая характеристика и классификация органических соединений: а) по строению углеродной цепи, б) по количеству и типу функциональных групп. 3. Номенклатура органических соединений; а) заместительная, б) радикально - функциональная, в) тривиальная. Выполните письменно 1.Напишите структурные формулы: а) любого амина. б) алициклического спирта. в) ароматического альдегида г) любого алифатического кетона 9 д) любого сложного эфира е) простейшего тиола ж) простейшей сульфокислоты 2. К каким классам: по углеродному скелету и функциональной группе относятся вещества, формулы приведены ниже C а) CH3 O O OCH3 б) CH3 C в) CH3 CH2 CH3 OH O O C г) CH OH д) CH3 OH ж) CH3 е) N N з) CH2OH и) CH3 CH3 к) NH 2 3. Напишите структурные формулы соединений, названия которых приведены по заместительной номенклатуре: а) 2-аминопропановая кислота б) 2-аминоэтанол в) 3- меркаптопропандиол-1,2 г) бутандиовая кислота д) 3- этилбензальдегид е) циклогексанол 4. В приведенных органических соединениях подчеркните функциональные группы и определите: 1) тип углеродного скелета 2) класс соединения по функциональной группе 3) дать названия соединений по заместительной номенклатуре: NH 2 CH C CH CH CH 2 2 2 а) б) C2H5 N NH 2 в) CH3 д) HOOC SO3H CH OH CH 2 COOH г) е) CH O 2 C CH3 CH2 C H 10 2. Дайте название биологически важных соединений по заместительной номенклатуре: - БАЛ - британский антилюизит (антидот при отравлении солями тяжелых металлов) СН2─ СН ─ СН2 │ │ │ SH SH OH - норадреналин (гормон мозгового вещества надпочечников) .. CH CH2 NH2 OH OH OH - родоначальник сульфаниламидных H2N лекарственных препаратов SO3H - тимин (компонент нуклеиновых кислот) OH 4 3 5 2 6 N HO CH3 N 1 Тема 2: СОПРЯЖЕНИЕ И АРОМАТИЧНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ Значение темы: Для прогнозирования реакционной способности органических соединений необходимо знание электронного строения химических связей, электронных эффектов заместителей и гетероатомов в сопряженных и ароматических системах, что дает понимание закономерностей протекания химических процессов в живых организмах в норме и при развитии заболеваний. Цель занятия: - Сформировать навыки использования знаний электронного строения молекул для объяснения хода протекания химических реакций биологически важных соединений, определяющих их биологические и физиологические функции. 11 - научить прогнозировать реакционную способность органических соединений - объяснить закономерности протекания химических процессов в живых организмах в норме и при развитии заболевания Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний - виды гибридизации атома углерода - типы ковалентной связи, ее характеристику - строение б и п связей Изучите теоретический блок 1.Гибридизация. Ковалентная связь, ее типы и характеристики. Электроотрицательность атомов, полярность и поляризуемость связи. 2. Сопряженные системы с открытой цепью сопряжения. 3. Ароматические системы. Правило Хюккеля. 4. Индуктивные и мезомерные эффекты. 5. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Выполните письменно 1 Укажите вид гибридизации атома углерода в соединениях: а) СН2=СН-СН2-СOOН б) 2.Укажите число атомов, участвующих в сопряжении и вид сопряжения: а) б) CH2 в) CH O C OH H 3. Какие соединения являются ароматичными? а) б) NH 2 в) г) OH 4. Используя шкалу электроотрицательности, укажите направление полярности связей и знак индуктивного эффекта выделенных заместителей: а) СН3-СН2-ОН б) СН3-NH2 в) СН3-СН2-СООН г) CH3 12 5. Графически (изогнутыми стрелками) укажите мезомерный эффект выделенных заместителей и определите его знак: а) СН3-ОН б) CH2 CH C г) O в) д) CH2 Cl H е) O C OH NH2 H 6. Укажите вид и знак электронных эффектов заместителей, какой характер носят заместители в каждом из этих соединений: электронодонорный или электроноакцепторный? а) б) CH CH CH NH CH2 в) CH3 CH 2 Cl CH NH 2 г) CH2 2 2 O C CH2 C H CH3 д) CH 2 OH е) OCH3 O ж) N O NH2 з) NH2 O и) NH 2 S OH O Тема 3: ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ. КИСЛОТНЫЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Значение темы: Пространственное строение, описывающее молекулы органических соединений в трехмерном пространстве, дает возможность объяснить не только физические и химические свойства веществ, но и проявляемую ими био- 13 логическую активность Пространственное строение молекул тесно связано со стереоспецифичностью ферментативных реакций биохимических процессов в живом организме Цель занятия: - выработать навыки использования положений и правил стереоизомерии для описания пространственного строения биологически активных соединений. - сформировать знания кислотно-основных свойств органических соединений, определяющих большинство химических реакций в живом организме. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -основные положения теории строения А.М. Бутлерова. Изомерия (структурная, цис-трансизомеры) -sp3 гибридизация атома углерода, тетраэдрическое строение молекул метана - электроотрицательность элементов -электронные эффекты заместителей: электронодонорные и электроакцепторные Изучите теоретический блок 1. Химическое строение Структурная изомерия. 2. Конфигурация химических молекул. 3. Конформация. Проекционные формулы Ньюмена 4. Элементы симметрии молекул 5. Энантиомеры. Проекционные формулы Фишера. 6 Диастереомерия. 7. Рацематы. 8. Кислоты и основания Бренстеда. 9. Зависимость кислотных свойств от: а) природы атома в кислотном центре; б) наличия сопряжения; в) характера органического радикала; г) влияния растворителя. 10. Факторы, влияющие на основность органических молекул. 11. Амфотерность органических соединений. 12. Понятие о кислотах и основаниях Льюиса. Выполните письменно 1. Изобразите формулу Фишера: а)энантиомеры аланина б) L-изомера 2-амино-З-фенилпропановой кислоты (фенилалаланина), 14 в) D-изомера 2-аминобутановой кислоты; Правила написания формул Фишера: Асимметрический атом углерода помещают в точку пересечения горизонтальной и вертикальной линий и не обозначают символом. Углеродную цепь располагают вертикально таким образом, чтобы вверху находилась старшая группа. На горизонтальной линии располагают атом водорода и заместитель (гидроксильная группа, аминогруппа, галоген и т.п.). 2. Определите принадлежность к D- или L- ряду: а) СH2OH б) (CH2)2COOH H2N H HOOC COOH H NH2 Правила обращения с формулами Фишера. Конфигурацию соединения не изменяет: 1) Четное число перестановок рядом стоящих заместителей. 2) Вращение на 180 градусов без выведения из плоскости. Конфигурация меняется на противоположную: 1) При нечетном числе перестановок рядом стоящих заместителей. 2) При вращении на 180 градусов с выведением из плоскости. 3) При повороте формулы на 90 градусов в плоскости листа. 3. Подчеркните в следующих молекулах кислотные центры и укажите их вид а) б) HO CH2 CH COOH H2N SO3H NH 2 4. В молекулах подчеркните кислотные центры, определите, какое соединение является более сильной кислотой, указав электронное влияние заместителей, связанных с кислотными центрами. Приведите формулы сопряженных оснований. а) уксусная кислота и бромксусная кислота б) уксусная кислота и пропандиовая кислота в) уксусная кислота и этанол г) метанол и фенол д) метанол и метиламин е) вода и метиловый спирт; ж) фенол и бензиловый спирт; з) метанол и метантиол; 15 к) этанол и этиламин; л) пропанол или 2-хлорэтанол. 5. Расположите в порядке возрастания кислотности: СН3СООН; СCl3СООН; СН3ClСООН; 6. Напишите уравнение реакции взаимодействия уксусной кислоты с NaOH 7. В молекулах подчеркните основные центры и укажите, какие из них являются π - основаниями: а) CH2 = CH – CH – S – CH3 б) CH3 NH CH2 SH │ NH2 в) г) CH2 CH2 NH2 CH CH NH CH3 OH CH3 8. Сравните основность соединений: а) NH3 и CH3NH2 (напишите уравнения реакций взаимодействия с НCl) б) C2 H5 – NH2 и (C2 H5)2NH в) C2 H5 – NH2 и CCl3 – CH2 – NH2 г) C2 H5 – NH2 и д) NH 2 е) NH 2 NH2 NH и и NO 2 NH 2 9. Определите порядок возрастания основности атома азота в соединении: N 3 NH 2 CH 2 N(CH3)2 1 Тема 4 РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ УГЛЕВОДОРОДОВ. Значение темы: Систематизация знаний по реакционной способности углево- 16 дородов является необходимым условием для успешного понимания свойств природных и синтетических соединений, участвующих в процессе жизнедеятельности организма. Цель занятия: -на основе электронного строения молекулы находить реакционные центры в органических молекулах и показывать все интермедиаты -сформировать знания по протеканию свободно - радикальных реакций, процессов электрофильного присоединения и замещения в молекулах углеводородов как основу для понимания подобных реакций, протекающих в организме, а также при синтезе лекарственных веществ. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний - строение атома углерода в sp3 гибридизации - номенклатура углеводородов - сопряжение, электронные эффекты заместителей - кислотность- основность органических соединений - кислоты Льюиса Изучите теоретический блок 1. Реакции радикального замещения с участием насыщенного атома углерода: а) понятие о цепных процессах; б) галогенирование и пероксидное окисление алканов. 2. Реакции элекгрофильного присоединения в молекулах алкенов: а) гидрирование; галогенирование; гидрогалогенирование; гидратация; б) механизм реакции АЕ; роль катализаторов; в) правило Марковникова; г) особенности присоединения к молекулам с ЭА - заместителями при двойной связи. 3. Реакции элекгрофильного замещения в ароматических системах: а) механизм реакций галогенирования и алкилирования ароматических соединений: σ - и π - комплексы. б) ориентирующее действие заместителей в ароматическом кольце и их влияние на реакционную способность в реакциях SE. Выполните письменно 1. Реакции радикального замещения алканов и циклоалканов 1.1. Сравните устойчивость частиц: а) . CH 3 ; . CH2 ; CH2 CH . CH2 17 б) в) + CH2 O -CH C 2 ; CH2 ; CCl H 3 CH CH3 + CH2 CH2- ; CH 3 ; CH3 C + CH3 + ; CH2- 1.2. Напишите уравнения реакций с указанием механизма: а) фотохимического хлорирования 3-метилпентана; б) фотохимического хлорирования метилциклогексана; в) этилбензола с бромом при облучении УФ – светом; г) пероксидного окисления 2,2,4-триметилпентана. д) выберите вероятное направление реакции: CH2 CH2 CH CH2 . CH . CH CH3 OH CH2 CH CH2 2. Реакции электрофильного присоединения к алкенам 2.1. Какой из катионов образуется легче? + а) + CH CH CH3 3 CH3 CH CH2 и б) CH3 CH + CH2 и CH2 + CH CH2 2.2. Напишите уравнения реакций с указанием механизма а) гидрохлорирование бутена -1; б )гидробромирования пропеналя; в) гидратации бутен-2-овой кислоты; г) + HCl д) Н+ CH3 + H2O CH 3 . CH2 CH3 18 3.Реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду 3.1. Напишите уравнения реакций с указанием механизма C2H5 + Br2 а) FeBr3 COOH + CH3CH2Cl б) в) катализатор -? OCH3 AlCl3 + Cl2 SE г) нитрования бензолсульфокислоты (катализатор-?) д) напишите цепочку превращений: ? ? CH3 А NO2 Лабораторная работа: Опыт .№1 Бромирование алканов Реакции свободнорадикального замещения являются одним из важнейших способов получения галогенпроизводных алканов, которые находят широкое применение в производстве лекарственных веществ и медицинской практике. Ход работы: В две пробирки поместите 4 - 5 мл гексана или петролейного эфира (смесь предельных углеводородов) и 5 - 6 капель раствора брома в четыреххлористом углероде. Тщательно перемешайте. Одну из пробирок поместите в темное место, другую поставьте под источник УФ света на 5 -7 минут По истечении времени сравните окраску растворов в обеих пробирках. Во второй пробирке раствор брома обесцвечивается. В выводе отметьте: 1. По какому механизму протекает реакция бромирования предельных углево- 19 дородов? Напишите уравнение реакции. 2.Почему для проведения реакции необходимо облучение УФ-светом? Опыт №2 Качественная реакция на двойную связь. Ход работы. В пробирку поместите 3 - 4 капли олеиновой кислоты и 1 - 2 мл четыреххлористого углерода. Перемешайте до растворения и добавьте 3 - 4 капли 5% - раствора брома. Отметьте наблюдаемые изменения. В выводе отметьте: 1.Напишите реакцию бромирования олеиновой кислоты. 2. Какая качественная реакция используется для доказательства ненасыщенности соединений? Опыт №3 Получение триброманилина. Эта реакция используется в фармацевтическом анализе для открытия анилина и его производных. Ход работы: Приготовьте раствор анилина. Для этого в пробирку поместите 1 каплю анилина и 6 - 7 капель воды, тщательно перемешайте. Добавьте несколько капель бромной воды до появления белого осадка. В выводе отметьте: 1.Напишите уравнение реакции, укажите промежуточные соединения. Тема 5 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1 Контрольная работа включает разделы: 1. Классификация и номенклатура органических соединений. 2. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений и способы его передачи. Сопряжение и ароматичность. Электронные эффекты заместителей. 3. Пространственное строение и стереоизомерия. 4. Кислотность и основность органических соединений. 5. Реакционная способность углеводородов. Выполните письменно САРС 1.Подчеркните функциональные группы, укажите класс соединения по углеродному скелету и функциональной группе, назовите соединения по М.Н.: а) б) NH 2 в) CH -CH CH2 - CH - COOH 2 2 NH 2 OH NH 2 NH 2 г) CH -C-CH -COOH 3 2 CH3 д) HS-C-CH 2-COOH O C2H5 2. Изобразите графически электронные эффекты заместителей, укажите вид и 20 знак электронных эффектов в каждом случае, определите характер заместителя (ЭД или ЭА): а) парааминобензойная кислота; г) 4-нитрофенол; б) мета-аминофенол; д) орто-хлорбензальдегид. в) циклогексиламин; 3. Подчеркните кислотные и основные центры, на основании электронных эффектов определите, какое соединение является более сильной: а) кислотой CH3 – CH2 – NH2 метанол этанол CH3 – CH – NH2 Cl этантиол пропановая кислота б) основанием NO 2 OH OH CH3 – NH2 CH3 – SH муравьиная кислота пропановая кислота Укажите фактор, влияющий на силу кислоты или основания. 4. Определите, к D- или L- ряду принадлежит соединение: NH 2 COOH C 2H 5 H 5. Напишите уравнение реакции с указанием механизма: а) пероксидное окисление метилциклогексана; б) фотохимическое хлорирование изопропана; в) гидрохлорирование пропен-2-овой кислоты; г) нитрование бензальдегида (катализатор). Тема 6 : РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ И ЭЛИМИНИРОВАНИЯ У НАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА Значение темы: Одним из этапов метаболизма органических соединений в организме часто являются реакции, протекающие по механизму нуклеофильного замещения при насыщенном атоме углерода. Образование ацил- и аминоациладенилатов, реакции замещения тиогрупп, которые являются одним из важнейших этапов в биосинтезе α-аминокислот, белков, фосфо-липидов и других биологически активных веществ. Конкурентные реакции элиминирования играют важную роль в процессе метаболизма углеводов и жирных кислот. 21 Цель занятия: -выработать умение прогнозировать реакционную способность биоорганических соединений в реакциях нуклеофильного замещения и элиминирования, происходящих в организме, в зависимости от строения субстрата. -рассмотреть реакции метилирования, протекающие при биосинтезе фосфолипидов, метионина и других биологически важных веществ. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний - типы реагентов (нуклеофил) -строение карбкатиона и карбаниона, факторы влияющие на их стабильность - кислотность- осноность Изучите теоретический блок 1. Общая характеристика и медико-биологическое значение насыщенных соединений: - галогенопроизводных; - спиртов и их производных; - тиолов и их производных; -аминов. 2. Общие закономерности протекания реакций нуклеофильного замещения и элиминирования у насыщенного атома углерода: - реакционная способность реагента (нуклеофильность); - химическая природа уходящей группы; - специфические особенности структуры субстрата. Выполните письменно 1. Обозначьте нуклеофильный центр и нуклеофильные частицы в следующих соединениях: NH3 HCl NaOH NaSН CH3ONa HOH NaOC6H4 R-SH R- NH2 2. Какой нуклеофил является более сильным: а)C2H5OH или C2H5NH2 б) OH 3. Напишите продукты реакций SN или - O 22 а) CH3 CH COOH + HOH SN Cl б) CH3 CH2 Cl + CH3ONa SN 4. Оцените легкость разрыва связи С – Cl а) CH2 CH CH2 CH Cl CH 2 б) Cl Cl CH2 CH2 Cl CH2 Cl 5. Напишите уравнение реакции SN. Укажите субстрат, его реакционный центр, реагент и его нуклеофильный центр: a) CH2 = CH - CH2 Cl + NaOH б) СН3 – J + NH2 в) OH + CH3 г) Cl CH2 CH2 OH H+ OH + KSH д) CH 3 J + CH3 е) J + C6H5ONa CH3 CH2 NH CH 3 6. Напишите реакцию элиминирования: а) 2-иод-З-метилгексана; б) 2-гидрокси-З-метилбутана; в) 2-хлор-З-метил-бутана. 7. Разберите механизм и ход протекания реакций SN у насыщенного атома углерода (sp3) в биологически важных соединениях: а) Норадреналин является медиатором в системе передачи нервного импульса. Адреналин – гормон мозгового вещества надпочечников, который, в частности, стимулирует мобилизацию депонированных углеводов и жиров Э.Ц. 23 δ+ Н.Ц. HO CH HO CH 3 CH 2 NH2 OH + OOC CH (CH2)2 S CH2 NH3 Норадреналин нуклеофил HO CH OH HO O S-аденозилметионин субстрат CH 2 NH CH 3 Ade + + - H+ SN OH OH OOC CH (CH2)2 S CH2 Ade + NH3 O Уходящая группа (нуклеофуг) Адреналин продукт SN OH OH б) Бетаин – продукт окисления холина, является донором метильной группы в биосинтезе незаменимой для человека α АК метионина из гомоцистеина CH 3 + OOC CH2 N + + δ+ NH3 CH COO CH 3 + (CH 2)2 SH CH 3 -Н S (CH2)2 + N CH2 COO S CH3 N Бетаин субстрат CH3 NH3 CH COO + Метионин продукт SN Гомоцистеин нуклеофил CH3 Диметилглицерин (уходящая группа) в) В реакциях трансметилирования гомоцистеин может превращаться в метионин под действием N-метилтетрагидрофолиевой кислоты, является универсальным донором одноуглеродных фрагментов δ+ OH N N H2N CH 3 R + N OH SH N (CH 2)2 + NH3 CH COO H2N R + N N S CH 3 (CH 2)2 + NH3 CH COO H H N-метилтетрагидрофолиевая кислота субстрат N N SN H Гомоцистеин нуклеофил Тетрагидрофолиевая кислота уходящая группа Лабораторная работа: Метионин продукт 24 Опыт №1 Получение хлорэтана из этанола. В данной реакции используется кислотный катализ для перевода гидроксильной группы в хорошо уходящую ониевую группу. В организме гидроксильная группа замещается только после превращения ее в эфиры фосфорной, дифосфорной и трифосфорной кислот. Ход работы: в пробирку поместите 6-7 капель этилового спирта и добавьте 1 лопаточку хлорида натрия. Хорошо перемешайте содержимое и прибавьте (в вытяжном шкафу) 2 - 3 капли концентрированной серной кислоты. Нагревайте на слабом пламени горелки и периодически подносите отверстие пробирки к пламени. Полученный хлорэтан загорается с образованием зеленого дыма. В выводе отметьте: 1Напишите уравнение реакции получения этилхлорида, с указанием механизма реакции. 2. Какую роль играет в данной реакции серная кислота? Опыт №2 Дегидратация этанола. Реакции дегидратации играют важную роль в процессах метаболизма биологически важных соединений: углеводов, жирных кислот. Ход работы: Приготовьте 3 пробирки. № пробирки I II III КОМПОНЕНТЫ H2SO4 (конц.) С2Н5ОН Al2O3 Вг2 вода 2% - раствор КМn04 Н2О КОЛИЧЕСТВО 7-8 капель 4-5 капель 5-6 кристаллов 5 -6 капель 1 капля 5-6 капель Закройте 1-ю пробирку пробкой с газоотводной трубкой, которую опустите во 2-ю пробирку. Нагревайте 1-ю пробирку на слабом пламени горелки, когда бромная вода обесцветится, быстро опустите газоотводную трубку в 3-ю пробирку. После того, как раствор перманганата калия обесцветится, подожгите выделяющийся газ у конца газоотводной трубки. Газ горит светящимся пламенем. Занятие № 7 Тема: РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ В АЛЬДЕГИДАХ И КЕТОНАХ Значение темы: Карбонильные соединения, содержащие альдегидную и кето группы, играют важную роль в процессах биосинтеза и распада многих биологически важных соединений: белков, углеводов, липидов, низкомолекулярных 25 биорегуляторов и др. Цель занятия: - Изучить реакции нуклеофильного присоединения в альдегидах и кетонах, необходимые для объяснения их основных химических свойств и реакционной способности в биохимических реакциях. - Рассмотреть прототропные таутомерные равновесия: кето-енольное и иминаминное, колчато-цепную таутомерию Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -Строение двойной связи -электронные эффекты заместителей -нуклеофильные и электрофильные реагенты, субстрат -реакции элиминирования -кислотность-основность Изучите теоретический блок 1. Общая характеристика реакционной способности карбонильных соединений. 2. Зависимость реакционной способности альдегидов и кетонов от распределения электронной плотности в их молекулах. 3. Реакции нуклеофильного присоединения: - механизм, условия и биологическое значение реакций взаимодействия альдегидов и кетонов с водой, спиртами, тиолами, аминами, гидридами металлов; - реакции альдольной конденсации и альдольного расщепления; - йодоформная реакция, ее диагностическое значение. Выполните письменно 1. Укажите электрофильный центр субстрата и наибольший заряд δ+ на нем а) этаналь б) 2,2,2-трихлорэтаналь в)метаналь г) пропанон-2 2. Укажите нуклеофильный центр реагента: а) HCN б) H2O в) CH3CH2-OH г) CH3-SH д) CH3CH2-NH2 3. Напишите уравнения реакций образования полуацеталя (с указанием механизма), объясните роль катализатора: а) пропаналя с метанолом б) бензальдегида с этанолом; в) пентаналя с этантиолом г) образования циклического полуацеталя из 2,3,4,5,6 пентагидроксигексаналя; 4. Напишите уравнения реакций получения из пропанона-2: 26 а) имина с аммиаком и анилином; 5. Напишите уравнения реакций альдольной конденсации и альдольного расщепления уксусного альдегида, пропионовогоальдегида; 6. Напишите уравнения реакции гидролиза: а) CH3 CH2 CH б) C2H5 CH N OC2H5 OC2H5 CH 3 H2О, Н+ H2О, Н+ H2О, Н+ H2О, Н+ 7. Какое соединение вступает в реакцию « серебряного зеркала»: пропаналь или пропанон-2? Напишите уравнение реакции. 8. Разберите механизм и ход протекания реакций нуклеофильного присоединения альдегидов и кетонов в биологически важных соединениях: Лабораторная работа: Опыт №1 Йодоформная проба на ацетон Данная реакция имеет практическое значение для диагностики сахарного диабета, при котором наблюдается повышенное содержание "кетоновых тел" (ацетона, ацетоацетата, β-гидроксибутирата) в крови и моче. Ход работы: В пробирку поместите 1 каплю раствора йода в йодиде калия и добавьте по каплям 10% - раствор гидроксида натрия до обесцвечивания интенсивной окраски йода. Прибавьте 1 каплю ацетона и нагрейте на слабом пламени горелки. При этом образуется муть, а затем осадок йодоформа желтого или желтовато-белого цвета с характерным запахом. В выводе отметьте: 1.Напишите реакцию образования йодоформа. 2. Какие соединения можно обнаружить с помощью йодоформной пробы? 27 Тема 8: РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В КАРБОНОВЫХ КИСЛОТАХ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ Значение темы: Карбоновые кислоты и их функциональные производные являются участниками важных биохимических процессов. В результате превращений трикарбоновых кислот осуществляется синтез АТФ и тканевое дыхание. Карбоксильная группа входит в состав α-аминокислот, из которых построены молекулы белка, некоторых витаминов (витамин Н - биотин, витамин РР никотиновая кислота и ее амид) и др. Цель занятия: - Сформировать знания закономерностей и особенностей реакций нуклеофильного замещения карбоновых кислот и их производных, имеющих важное значение в процессах жизнедеятельности организма. - Изучить условия и механизм реакции нуклеофильного замещения карбоновых кислот и их производных. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -электронные эффекты заместителей - сопряженные системы - кислотность-основность органических соединений -механизм нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода Изучите теоретический блок 1. Электронное строение карбоксильной группы, реакционные центры в молекулах карбоновых кислот и их производных. Взаимное влияние карбонильной и гидроксильной групп. 2. Механизм реакций нуклеофильного замещения карбоновых кислот и их производных. 3. Реакция этерификации. Сложные эфиры и сложные тиоэфиры. 4. Амиды, гидразиды, нитрилы, ангидриды. 5. Гидролиз функциональных производных карбоновых кислот. Кислотный и щелочной катализ. 6. Примеры биологически важных реакций нуклеофильного замещения с уча стием сложных тиоэфиров и ацилфосфатов. 7.Названия и формулы карбоновых кислот. 28 Карбоновая кислота Формула Название аниона I. МОНОКАРБОНОВЫЕ а) предельные 1.Муравьиная (метановая) 2. Уксусная (этановая) 3.Пропионовая (пропановая) 4. Масляная (бутановая) 5. Валериановая (пентановая) 6. Пальмитиновая 7. Стеариновая Н-СООН СН3-СООН CH3-CH2-COOH CH3-CH2-CH2-COOH CH3-CH2-CH2-CH2-COOH C15H31 – COOH C17H35 – COOH формиат ацетат пропионат бутират валероат пальмитат стеарат CH2 = CH – COOH C17H33COOH (18/1) C17H31COOH (18/2) C17H29COOH (18/3) акрилат олеат линолеат линоленоат HOOC - COOH HOOC - CH2 - COOH HOOC-CH2-CH2-COOH HOOC-CH2-CH2-CH2-COOH оксалат малонат сукцинат глутарат HOOC - CH = CH - COOH фумарат б) непредельные 8. Акриловая (пропеновая) 9. Олеиновая 10. Линолевая 11. Линоленовая II. ДИКАРБОНОВЫЕ а) предельные 12. Щавелевая (этандиовая) 13. Малоновая(пропандиовая) 14. Янтарная (бутандиовая) 15.Глутаровая (пентандиовая) б) непредельные 16. Фумаровая III. ОКСИКИСЛОТЫ 17. Молочная CH3 - CH - COOH | OH лактат 18. Яблочная HOOC - CH - CH2 - COOH | OH малат 19. Пировиноградная CH3 - C - COOH || O пируват 20. Щавелевоуксусная HOOC - CH2 - C - COOH || O IV. ОКСОКИСЛОТЫ оксалоацетат 29 CH3 - C - CH2 - COOH || O 21. Ацетоуксусная ацетоацетат V. ТРИКАРБОНОВЫЕ 22. Лимонная OH | HOOC-CH2-C-CH2-COOH | COOH цитрат Выполните письменно 1. Укажите класс соединения, обведите группу, которая может замещаться на нуклеофил: O O CH C 3 а) CH C б) OC2H5 3 NH 2 O O в) CH3 C г) CH3 C O SKoA CH3 C O O O д) CH3 C C6Hе)5 C OH OPO3H2 2. Укажите субстрат, нуклеофил, нуклеофуг, реакционные центры. Почему необходим кислотный катализ? Напишите уравнение реакции (с указанием механизма): а) пропановая кислота с пропанолом-2 б) пропионилфосфата с аммиаком; O в) образования метилбутаноата; С OCH3 г) получения метилсалицилата (анальгетик). д) ацетилкофермента А с метанолом; е) СН3 – С – ОСН3 + С3Н7NH2 ║ О OH 30 ж) получение аспирина COOH OH + CH3COOH з) глицерина с пальмитиновой кислотой; 3. Напишите формулы функциональных производных карбоновых кислот, укажите их класс и уравнения кислотного гидролиза: а) пропилэтаноат б) метиламид муравьиной кислоты в) бутирилфосфат O C г) щелочного гидролиза никотинамида (витамина РР) NH2 N 4. Напишите уравнение реакции, протекающей с участием СН-кислотного центра: а) конденсации двух молекул CH3 – C = O SKoA 5. Разберите механизм и ход протекания нуклеофильного замещения у карбонильных соединений в биологически важных процессах: а) Одной из стадий орнитинового цикла, в котором идет синтез мочевины печени, является перенос карбамоильной группы на орнитин с образованием цитруллина б) Карбамоиласпартат является промежуточным соединением в синтезе пиримидиновых нуклеотидов в клетках живых организма. 31 в) Реакция с участием ацетилкофермента А приводит к образованию новых углерод-углеродных связей, что дает возможность синтезировать новые биологически важные соединения в организме Лабораторная работа: Опыт № 1 Качественная реакция на щавелевую кислоту. Данная реакция находит применение при клиническом исследовании мочи. Кристаллы оксалата кальция появляются в моче человека при некоторых патологических состояниях. Кристаллы плохо растворимы в воде и обладают характерной формой (в виде почтовых конвертов). Ход работы: В пробирку поместите, порошок щавелевой кислоты (высота 5 мм) и несколько капель воды до полного растворения. Затем нанесите 1 каплю испытуемого раствора на предметное стекло и прибавьте 1 каплю раствора хлорида кальция. Образуется кристаллический осадок. В выводе отметьте: 1.Напишите уравнение реакции образования оксалата кальция. 32 Опыт №2 Образование нерастворимых солей высших жирных кислот. Ход работы: В пробирку последовательно поместите 5-6 капель раствора мыла и 1 - 2 капли раствора хлорида кальция. Хорошо перемешайте содержимое пробирки до образования белого осадка. В выводе отметьте: 1 Напишите уравнение реакции образования кальциевой соли стеариновой кислоты. 2. Какие соединения называют мылами?. Опыт №3 Открытие этилового спирта реакцией образования уксусно-этилового эфира. Ход работы: В пробирку поместите половину лопаточки порошка безводного ацетата натрия и 4 капли этанола. Добавьте 3 капли концентрированной серной кислоты и осторожно нагрейте смесь до кипения. Через несколько секунд появляется характерный приятный запах этилацетата. В выводе отметьте: 1. Напишите уравнение реакции образования этилацетата с указанием механизма. 2.Какова роль конц. серной кислоты в реакции этерификации? Тема 9: ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ В МОЛЕКУЛАХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. Значение темы: Процессы окисления и восстановления занимают центральное место в обеспечении организма энергией за счет распада питательных веществ, а также являются одним из ключевых этапов в развитии многих патологических процессов. Цель занятия: - Сформировать знания особенностей окисления и восстановления органических соединений как при нормальной жизнедеятельности организма, так и при нарушении окислительно-восстановительного баланса. -Рассмотреть особенности реакций окисления и восстановления органических соединений, активные формы кислорода, их образование и обезвреживание. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -электронные эффекты заместителей -электроотрицательность элементов органогенов -гетеролитический разрыв связей 33 Изучите теоретический блок 1. Медико-биологическое значение реакций окисления и восстановления органических соединений. 2. Общая характеристика окислительно-восстановительных свойств алифатических и ароматических углеводородов, кислород-, азот-, серусодержащих органических соединений. 3.Особенности окислительно-восстановительных процессов в организме. 4. Активные формы кислорода, их образование и обезвреживание. Медикобиологическое значение 5. Участие в окислительно-восстановительных процессах и принцип действия систем: а) НАД + ─ НАДН + H + б) ФАД – ФАДН2 в) хинон - гидрохинон. 6. Пероксидное окисление ненасыщенных жирных кислот: механизм нейтрализации пероксидов жирных кислот, значение в процессах нормальной жизнедеятельности и в развитии патологии. 7. Биологическое окисление N- содержащих соединений: инактивация биогенных аминов и окислительное дезаминирование аминокислот. Выполните письменно 1. Рассмотрите механизм окислительно-восстановительного действия системы с участием НАД + ─ НАДН + H + в следующих реакциях, какие продукты получатся под действием коферментов оксидоредуктаз? а) 4-аминогексанон-2 НАДН+ + Н+ НАД+ б) СН3 – СН – СН2 – С – ОС2Н5 │ ║ ОН О НАД + в) 2 H2N – CH – COOH │ CH2SH (цистеин) г) 1-амино-3-метилбутанон-2 НАДН+ + Н+ НАДН+Н+ д) НООС – СН2 – С – СООН ║ О 34 2. Рассмотрите механизм окислительно-восстановительного действия системы с участием ФАД – ФАДН2 , назовите продукты реакции ФАД а) пентандиовая кислота ФАД б) С15Н35 – С – ║ О SКоА ФАДН2 в) НООС – СН = СН – СООН ФАД г) НООС – СН2 – СН2 – СН2 – СООН S–S НАДН+Н+ д) CH2 CH(CH2)4 COOH CH2 (липоевая кислота) 3. Напишите механизм реакции пероксидного окисления линолевой кислоты. 4. Напишите последовательность реакций: +С2Н5ОН Ацетоуксусная кислота НАДН+Н+ А -Н2О Б ФАДН2 В Г Лабораторная работа: Опыт №1 Определение доброкачественности диэтилового эфира. При хранении, особенно на свету простые эфиры медленно окисляются кислородом воздуха с образованием пероксидов, гидропероксидов и альдегидов. Это свойство необходимо учитывать при работе, т.к. некоторые эфиры, например диэтиловый, используются в фармацевтической и медицинской практике (для наркоза). Учитывая взрывоопасность пероксидов и гидропероксидов необходимо всегда проверить их на наличие пероксидных соединений. Проба на наличие пероксидов проводится с йодидом калия. Если в эфире содержатся пероксиды, то они окисляют йодид калия до свободного йода, окрашивающего раствор в буро-коричневый цвет. Для разрушения пероксидных соединений эфир обрабатывают раствором щелочи или восстановителей - сульфита натрия, сульфата железа (II) и др. Пробу на ацетальдегид проводят с фуксинсернистой кислотой. . Ход работы: В две пробирки поместите по 3 - 4 капли диэтилового эфира. В первую пробирку добавьте 2 капли 10% - раствора йодида калия и 2 капли 10% раствора соляной кислоты, при наличии пероксидов раствор окрашивается в буро-коричневый цвет. Если окраска слабая, то добавьте 1 каплю 0,5% - крахмального клейстера. Появляется синее окрашивание (йодо-крахмальная проба). 35 Во вторую пробирку прибавьте 2-3 капли фуксин-сернистой кислоты. При наличии ацетальдегида появляется розовое окрашивание. В выводе отметьте: -какая реакция применяется для открытия пероксидных примесей в диэтиловом эфире? - напишите уравнение реакции Опыт № 2 Окисление олеиновой кислоты. Ход работы: В пробирку поместите 1-2 капли олеиновой кислоты и 1 - 2 капли 5% - раствора карбоната натрия. Добавьте 1 - 2 капли 2% - раствора перманганата калия. Раствор окрашивается в буро-коричневый цвет. В выводе отметьте: - с какой целью используется реакция с раствором перманганата калия? - напишите уравнение реакции окисления олеиновой кислоты. Опыт № 3 Окисление этилового спирта. Ход работы: В пробирку поместите 2 капли этанола, 2 капли 5% - раствора дихромата калия и 1 каплю 10% - раствора серной кислоты. Полученный оранжевый раствор слегка нагрейте над пламенем горелки до начала изменения цвета. Обычно уже через несколько секунд появляется зеленоватая окраска, характерная для хрома (III). Одновременно ощущается запах ацетальдегида (запах прелых яблок). В выводе отметьте: - напишите уравнение реакции окисления этилового спирта в уксусный альдегид. Опыт № 4 Окисление боковых цепей гомологов бензола. Ход работы: В пробирку поместите 3 капли 2% - раствора перманганата калия, 5 капель воды и 1 каплю 10% - раствора серной кислоты. Добавьте 1 каплю толуола и содержимое хорошо перемешайте, нагрейте смесь и отметьте изменение окраски. В выводе напишите уравнение реакции окисления толуола. Тема 10 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2 Контрольная работа включает разделы: 1. Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода. 2. Реакции нуклеофильного присоединения в альдегидах и кетонах. 3. Реакции нуклеофильного замещения в карбоновых кислотах и их производных. 4. Окисление и восстановление в молекулах органических соединений. ПОЛИ - И ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Значение темы: Большинство веществ, участвующих в метаболизме, а также многие лекарственные препараты являются поли- и гетерофункциональными 36 соединениями. Наряду со способностью вступать в реакции по каждой функциональной группе, такие вещества приобретают и специфические химические свойства, которые играют большую роль в обеспечении биологических функций. Цель занятия: - сформировать знания строения специфических органических соединений, являющихся физиологически активными и лежащих в основе важнейших групп лекарственных препаратов. -рассмотреть соединения биологически активного ряда многоатомные спирты, дикарбоновые кислоты, аминоспирты, аминокислоты, оксокислоты, гидроксикислоты Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -электронные эффекты заместителей -кислотность-основность, СН-кислоты -нуклеофильные реакции карбонильных соединений -реакции нуклеофильного замещения и элиминирования у насыщенного атома углерода Изучите теоретический блок 1. Полифункциональные соединения биологически активного ряда: а) многоатомные спирты; б) дикарбоновые кислоты; в) двухатомные фенолы; г) диамины. 2. Гетерофункциональные соединения: а) аминоспирты; б) гидроксикислоты; в) оксикислоты; г) аминокислоты; д) гетерофункциональные производные бензола. 3. Специфические химические свойства поли- и гетерофункциональных соединений: а) элиминирование; б) декарбоксилирование; в) присоединение к алкенам; г) хелатообразование; д) внутримолекулярная циклизация; е) межмолекулярная циклизация 37 Выполните письменно 1. Напишите реакцию циклизации, назовите класс образующегося продукта: а) двух молекул α-аминокислоты глицин: H2N — СН2 — СООН б) НО – (СН2)4 – С = О │ Н в) Н2N – (СН2)3 – C = O │ OH г) НО – (СН2)4 – С = О │ ОН д) О = С – (СН2)3 – С = О │ ОН │ ОН 2. Напишите реакцию декарбоксилирования: а) пировиноградной кислоты; б) ацетоуксусной; в) 3-аминопропановой кислоты. 3. Напишите реакцию элиминирования: а) 3-гидpоксистеариновой кислоты; б) яблочной кислоты; в) β-аминомасляной кислоты. 4. Изобразите схему образования нейромедиатора ацетилхолина из холина и ацетилкофер- мента А (СН3СОSКоА). Лабораторная работа: Опыт №1 Получение тартрата и гидротартрата калия. Реакция получения кислой калиевой соли винной кислоты (гидротартрата) очень часто применяется в фармацевтической практике: при помощи ионов калия открывают винную кислоту и ее соли, а также - в медицине: при отравлении щелочами противоядием является винная кислота. Ход работы: В пробирку поместите 1-2 капли 15% - раствора винной кислоты и 2 - 3 капли 5% - раствора гидроксида калия. Выпадает белый кристаллический осадок плохо растворимого в воде гидротартрата калия. Если осадок не появляется, охладите пробирку под струей холодной воды и потрите стенки пробирки 38 стеклянной палочкой. После выпадения осадка добавьте 3-4 капли едкого калия до растворения осадка. Кислая соль при этом переходит в хорошо растворимую среднюю соль (тартрат). Раствор тартрата калия сохраните для следующего опыта. В выводе отметьте: -о чем свидетельствует образование двух солей винной кислоты? - напишите уравнение реакции образования гидротартрата и тартрата калия. Опыт №2 Доказательство наличия гидроксильных групп в винной кислоте. Эта реакция используется для приготовления реактива Фелинга, который применяется для обнаружения глюкозы в моче. Ход работы: В пробирку поместите по 2 капли 2% - раствора сульфата меди (II) и 10% раствор гидроксида натрия. Выпадает голубой осадок гидроксида меди (II). К выпавшему осадку добавьте раствор тартрата калия, полученный в опыте №1. Осадок гидроксида меди (II) растворяется с образованием темно-синего раствора. В выводе отметьте: -объясните, почему не изменяется цвет раствора в 1-й и изменяется во 2-й пробирке. -напишите уравнение реакции гидроксида меди(II) с тартратом калия. Опыт № 3 Разложение лимонной кислоты. Ход работы: Приготовьте 3 пробирки. № пробирки 1 2 3 Компоненты Количество Лимонная кислота 2-3 капли Серная кислота (конц.) 10 капель Насыщенный раствор гидроксида 5 капель бария Раствор йода в йодиде калия 2 капли 10% - раствор гидроксида натрия несколько капель до обесцвечивания Закройте 1-ю пробирку пробкой с газоотводной трубкой и осторожно нагрейте на слабом пламени горелки. Смесь начинает пениться. Поднесите конец газоотводной трубки к пламени горелки, выделяющийся газ горит голубым пламенем. Не прекращая нагревание, опустите конец газоотводной трубки сначала во 2-ю пробирку. После того как раствор помутнеет, перенесите газоотводную трубку в 3-ю пробирку до появления бледно-желтого осадка. В выводе отметьте: - какие продукты разложения лимонной кислоты обнаруживаются в 1-й пробирке и во 2-й пробирке? -напишите уравнения реакции 39 Тема 11: МОНОСАХАРИДЫ. Значение темы: Изучение химического строения и основных свойств моносахаридов и их биологически важных производных является основой для понимания их биологической роли как участников метаболических процессов в организме, а также как структурных элементов ди- и полисахаридов, протеогликанов, гликопротеинов, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений. Цель занятия: - Сформировать знания принципов стереохимического строения, цикло-оксотаутомерии, биологически важных свойств моносахаридов, а также приобрести навыки проведения реакций на обнаружение глюкозы и фруктозы в биологических жидкостях. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -энантиомеры, дистереомеры -относительная конфигурация, L и D стереохимические ряды -механизм реакции нуклеофильного присоединения в карбонильных соединениях -строение полуацеталей и ацеталей -окисление и восстановление спиртов, альдегидов и кетонов. Изучите теоретический блок 1. Классификация моносахаридов: а) по характеру карбонильной группы; б) по длине углеродной цепи. 2. Стереоизомерия моносахаридов. D- и L- стереоизомеры. 3. Открытые и циклические формы моносахаридов. - и -аномеры. Проекционные формулы Фишера и циклические формулы Хеуорса. Цикло-оксотаутомерия. Мутаротация. 4. Строение и биологическая роль производных моносахаридов (дезокси-, аминопроизводные, аскорбиновая кислота). 5. Химические свойства: а) образование гликозидов; б) алкилирование и ацилирование; в) окисление и восстановление. 40 Выполните письменно 1. Напишите D- и L-стереоизомеры. По какому признаку их относят к D- и Lряду: а) рибозы; б) глюкозы; в) фруктозы. 2. Напишите строение - и -аномеров D- маннопиранозы; 3. Изобразите схему цикло-оксо-таутомерных превращений для D-глюкозы; 4. Напишите образование D-фруктозо-6-фосфата при помощи формул Фишера и Хеуорса. 5. Изобразите с помощью формул Хеуорса: а) - D - фруктофуранозы; б) 2-дезокси --D-рибофуранозы; в) глюкозо-1-фосфата; г) фруктозо-1,6-дифосфата; д) D - галактуроновой кислоты; е) N-ацетил - -D-глюкозамина. 6. Напишите реакцию: а) ацилирования - D- глюкопиранозы; б) алкилирования - D - рибофуранозы; в) окисления рибозы, назовите полученные продукты в различных условиях окисления; г) восстановления галактозы; д) получения этил--D-маннопиранозида; е) окисления аскорбиновой кислоты; ж) взаимного превращения с указанием промежуточного соединения: D - манноза ↔ D - фруктоза; 7. Напишите цепочку превращений: -D-глюкопираноза C2H5OH HCl окисление А В H2O,H+ декарбоксилир-е С Д гидролиз Лабораторная работа: Опыт №1 Доказательство наличия гидроксильных групп в глюкозе. Ход работы: В пробирку поместите 6 капель 10% - раствора гидроксида натрия, добавьте 1 каплю 2% - раствора сульфата меди (II) и 1 каплю 0,5% - раствора глюкозы. Образовавшийся первоначально осадок быстро растворяется, и образуется раствор синего цвета. Полученный раствор сохраните для опыта 2. В выводе отметьте: -какие структурные фрагменты, содержащиеся в молекуле глюкозы, обнаружи- 41 ваются реакцией с гидроксидом меди (II)? -напишите уравнение реакции Опыт №2 Восстановление гидроксида меди (II) глюкозой в щелочной среде. Эта реакция носит название пробы Троммера и используется для обнаружения глюкозы в моче. Ход работы: К полученному в опыте 1 раствору добавьте несколько капель воды, чтобы столбик жидкости в пробирке составил 2 см. Нагрейте ее над пламенем горелки до начала кипения так, чтобы нагревалась только верхняя часть, а нижняя оставалась для контроля. Появляется желто-красное окрашивание. В выводе отметьте: - чем объясняется наличие восстанавливающих свойств у глюкозы? -напишите уравнение реакции. Опыт №3 Реакция Селиванова на фруктозу. Ход работы: В пробирку поместите 1 - 2 кристалла резорцина, 2 капли концентрированной соляной кислоты и 2 капли 0,5% - раствора фруктозы. Нагрейте до начала кипения. Появляется красное окрашивание. В выводе отметьте: -напишите реакцию образования гидроксиметилфурфурола из фруктозы. Тема 12: ДИ- И ПОЛИСАХАРИДЫ. Значение темы: Для понимания путей метаболических превращений ди- и полисахаридов в живом организме, а также их роли как энергетических носителей необходимо знание принципов строения их молекул. Цель занятия: - Сформировать знания основ строения и химических превращений важнейших гомо- и гетерополисахаридов во взаимосвязи с их биологическими функциями. -Рассмотреть строение и свойства восстанавливающих и невосстанавливающих дисахаридов, гомо- и гетерополисахаридов. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -таутомерия полисахаридов - получение и свойства гликозидов -конформация альдогексоз - восстанавливающие свойства альдогексоз 42 Изучите теоретический блок 1. Восстанавливающие дисахариды: мальтоза, целлобиоза, лактоза. Химическое строение, номенклатура, цикло-оксо-таутомерия, восстановительные свойства. 2. Невосстанавливающий дисахарид сахароза. Состав, строение, номенклатура. 3. Гомополисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза. Структурный состав, типы гликозидных связей. 4. Гетерополисахариды соединительной ткани: хондроитинсульфат, гиалуроновая кислота. Структурный состав, типы связей, физиологические функции. Выполните письменно 1. Напишите уравнение реакции получения дисахаридов. Дайте название: а) восстанавливающего дисахарида, состоящего из Д-глюкозы и Д-рибозы; б) невосстанавливающего дисахарида, состоящего из 2-х молекул Дглюкопиранозы. 2. Напишите структурную формулу дисахарида: а) - D - галактопиранозил - (1→ 4) - - D - глюкопираноза; б) - D - глюкопиранозил - (1→ 4) - - D - фруктофуранозид; в) - D - фруктофуранозил - (2→ 4) - - D - галактопираноза; г) - D - маннопиранозил - (1→ 2) - - D - фруктофуранозид; д) - D - фруктопиранозил - (2→ 4) - - D - глюкопираноза; 3. Напишите цикло-оксо-таутомерию дисахарида мальтозы; 4. Напишите формулу гиалуроновой кислоты, укажите структурный состав и типы связей. Лабораторная работа: Опыт №1 Отсутствие восстанавливающей способности у сахарозы. Свободная D- глюкоза дает положительную пробу Троммера, a Dглюкозный остаток в сахарозе из-за отсутствия гликозидного гидроксила этой пробы не дает. Ход работы: В пробирку поместите 1-2 капли 1% раствора сахарозы, 6 -7 капель 10% - раствора гидроксида натрия, 6-7 капель воды. Прибавьте 1-2 капли 2% раствора сульфата меди (П). Образуется прозрачный синий раствор комплексного соединения меди с сахарозой. Нагрейте верхнюю часть пробирки над пламенем горелки до начала кипения. Изменения окраски не происходит. В выводе отметьте: -напишите строение сахарозы с помощью формул Хеуорса. -почему сахароза не способна к цикло-оксо-таутомерии? Опыт №2 Восстановление гидроксида меди (II) лактозой в щелочной среде (проба Троммера). Ход работы: В пробирку поместите 4-5 капель 10% - раствора гидроксида натрия, добавьте 1 каплю 2% - раствора сульфата меди (II) и 1 каплю 1% - рас- 43 твора лактозы. Образовавшийся первоначально осадок быстро растворяется, и образуется раствор синего цвета. К полученному раствору добавьте несколько капель воды, чтобы столбик жидкости в пробирке составлял 2 см. Нагрейте ее над пламенем горелки до начала кипения так, чтобы нагревалась только верхняя часть, а нижняя оставалась для контроля. Появляется желто-красное окрашивание. В выводе отметьте: -напишите строение лактозы. - какой из моносахаридных остатков в молекуле лактозы способен к циклооксо-таутомерии? - объясните причину наличия восстанавливающих свойств у лактозы. Опыт №3 Йодкрахмальная проба. В основе этой реакции лежит образование соединения включения, в котором молекулы йода находятся в спиралях одноцепочечной молекулы амилозы. Ход работы: В пробирку поместите 4-5 капель 0,5% - крахмального клейстера и 1 каплю раствора йода в йодиде калия. Появляется синее окрашивание. Нагрейте раствор, он обесцвечивается. При охлаждении окраска снова появляется. В выводе отметьте: - какой дисахарид является структурной единицей амилозы? -какой тип гликозидной связи в этом дисахариде? Тема 13: - АМИНОКИСЛОТЫ. Значение темы: - Аминокислоты являются структурными единицами белков и регуляторных пептидов. Знание строения и свойств - аминокислот является необходимым для понимания их метаболизма в процессах нормальной жизнедеятельности и в развитии патологии. Цель занятия: - Сформировать систему знаний биологически важных особенностей строения и физикохимических свойств - аминокислот, необходимых для понимания их роли в процессах жизнедеятельности организма. - Рассмотреть особенности протекания реакций, характерные для - аминокислот на базе их строения и физико-химических свойств. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний - кислотность-основность - водородная связь - реакции нуклеофильного замещения в карбонильных соединениях, получение амидов кислот и их гидролиз - химические свойства аминогрупп 44 Изучите теоретический блок 1. Типы классификации - аминокислот, входящих в состав белка. 2. Стереоизомерия. Кислотно-основные свойства. 3. Химические свойства - аминокислот. 4. Биологически важные реакции - аминокислот. Пиридоксалевый катализ. Выполните письменно 1. Приведите формулы гидроксилсодержащих - АК. Охарактеризуйте их: а) по структуре радикала б) по полярности радикала в) по кислотно-основным свойствам г) по биологическому значению 2. Напишите уравнения реакций. Укажите класс полученных соединений: а) характеризующие амфотерность α-АК-глутамина. сухой HCl б) серин + СН3ОН в) глицин + С2Н5 – С – Cl ║ О г) метионин + С3Н7 – С – Н ║ О д) механизм реакции восстановительного аминирования на примере получения глутаминовой кислоты из α-оксоглутаровой кислоты е) кислотно-основные свойства на примере аспарагиновой кислоты 3. Изобразите механизм пиридоксалевого катализа для реакций, назовите полученные соединения: а) декарбоксилирования гистидина. б) трансаминирования между аспарагиновой и пировиноградной кислотой; Тема 14: ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ. Значение темы: белки составляют материальную основу химической деятельности клетки. Для пептидов характерна регуляторная функция (гормоны, ингибиторы и активаторы ферментов, переносчики ионов через мембраны и т.д.). Цель занятия: - Сформировать знания химических основ структурной организации белковых молекул для дальнейшего изучения биологических функций белков на молекулярном 45 уровне. -Рассмотреть первичную, вторичную, третичную, четвертичную структуры пептидов и белков, образующие их связи Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний - водородная связь - химические свойства аминогруппы -основность и нуклеофильность аминогруппы Изучите теоретический блок 1. Первичная структура пептидов и белков. Номенклатура. Свойства пептидной связи. 2. Типы вторичной структуры. 3. Третичная структура. Связи, стабилизирующие укладку белковой молекулы в пространстве. 4. Четвертичная структура. 5. Типы белковых молекул (глобулярные и фибриллярные). 6. Качественные реакции на белки. Выполните письменно 1. Покажите образование дипептида, состоящего из серусодержащих - АК. 2. Изобразите пептидную группу и охарактеризуйте ее свойства. 3. Напишите трипептид, состоящий из нижеприведенных - аминокислот. Назовите его, подчеркните N- и С – концы, определите характер белка. Куда он будет перемешаться в поле постоянного тока при приведенном в скобках рН? Какие цветные реакции он дает? а) His, Gly, Lys (рН < 5,0) б) Ala, Pro, Cys (pH= 9,0) в) Asp, Trp, Ile (рН = 9,0) г) Asn, Arg, Туг (рН= 7,0) д) Met, Phe, Glu (pH=9,0) е) Pro, Gly, Lys (pH= 5,0) ж) Gln, Ala, Met (pH= 4,0) 4. Напишите трипептид, состоящий из трех незаменимых α-АК. В какой среде находится его изоэлектрическая точка? Покажите образование зарядов. 46 5. Какие типы связей могут образоваться в третичной структуре белковой молекулы между радикалами следующих - аминокислот: а) Arg и Glu; б) Asp и Lys; в) А1а и Ile г) Glu и Туг, д) Ser и Ser, e) Cys и Cys. Лабораторная работа: КАЧЕСТВЕНННЫЕ (ЦВЕТНЫЕ) РЕАКЦИИ НА - АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ I. Универсальные. Опыт №1. Биуретовая реакция (на пептидную связь). Ход работы: В пробирку поместите 5 капель раствора яичного белка и 5 капель 10% - раствора гидроксида натрия. Добавьте 1-2 капли 2% - раствора сульфата меди (II). Появляется красно - фиолетовая окраска. В выводе отметьте: - все ли белки дают биуретовую реакцию? II. Специфические. Опыт №2. Ксантопротеиновая реакция (на ароматические аминокислоты). Концентрированная азотная кислота, действуя на содержащиеся в белке аминокислоты ароматического характера, превращает их в нитросоединения желтого цвета. Желтое окрашивание при добавлении аммиака или едкой щелочи переходит в оранжевое. Ход работы: В пробирку поместите 10 капель раствора яичного белка и 2 капли концентрированной азотной кислоты. Смесь осторожно нагрейте до появления желтого цвета и охладите. Добавьте по каплям концентрированный раствор аммиака до появления оранжевой окраски. В выводе отметьте: - какие - аминокислоты в составе белка можно открыть с помощью ксантопротеиновой реакции? Опыт №3 Реакция Фоля (на серусодержащие аминокислоты). Сущность реакции заключается в том, что от входящих в состав белков, содержащих серу, при кипячении со щелочью сера отщепляется с образованием сульфида натрия, который с ионом свинца (II) дает буро-черный осадок сульфида свинца (II). 47 Na2S + Рb(СН3СОО)2 PbS↓ + 2СНзСООNa Ход работы: В пробирку поместите 5 капель яичного белка и 2 - 3 капли 10% раствора гидроксида натрия и добавьте 2-3 капли 10% - раствора ацетата свинца. Нагрейте пробирку над пламенем горелки до кипения. Выпадает буро-черный осадок. В выводе отметьте: - какие - аминокислоты в составе белка можно открыть данной качественной реакцией? - напишите в общем виде схему реакции белка с ацетатом свинца (II) Тема 15: ОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ. Значение темы: Для понимания биологической роли и путей метаболических превращений омыляемых липидов необходимо знание их структуры и основных свойств, определяющих их роль в жизнедеятельности организма Цель занятия: -Сформировать знания принципов строения биологически важных представителей ос-новных классов омыляемых липидов, определяющих их физиологические функции. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -строение и свойства двойной связи -электронное строение свободных радикалов -механизм электрофильного присоединения и нуклеофильного замещения -свойства сложных эфиров Изучите теоретический блок 1. Липиды. Биологическая роль. Классификация. 2. Структурные компоненты омыляемых липидов. Строение высших жирных кислот. 3. Простые липиды. Нейтральные жиры, масла, воска. Биологическая роль. 4. Сложные липиды. Глицерофосфолипиды, сфинголипиды, гликолипиды. Биологическое значение. 5. Химические свойства липидов: гидролиз, окисление, реакции присоединения (гидрирование, галогенирование). Йодное число. Выполните письменно 1.Напишите уравнение реакции: а) синтеза 1-олеоил-2-стеароил-3-пальмитоилглицерина; б) получения масла, содержащего линолевую кислоту. 48 в) образования 1-стеароил-2-олеоилфосфатидилэтаноламина; г) щелочного гидролиза фосфатидилхолина, ацилированного остатками стеариновой и олеиновой кислот д) йодирования 1-олеоил-2-стеароил-3-пальмитоилглицерина; е) гидрирования 1-линоленоил-2,3-дипальмитоилглицерина; ж) пероксидного окисления олеиновой кислоты; з) одного этапа -окисления пальмитиновой кислоты; и) окисления олеиновой кислоты надуксусной кислотой; к) окисления линолевой кислоты раствором КМnO4 в кислой и в нейтральной среде. Лабораторная работа: Опыт №1 Гидролиз (омыление) жира. Ход работы: К 10 каплям растительного масла добавьте 0,5 мл насыщенного спиртового раствора КОН. Смесь нагрейте на кипящей водяной бане не менее 20 минут, при этом образуется гидролизат (использовать для опыта 2). В выводе отметьте: -напишите уравнение реакции, дайте название полученным продуктам Опыт №2 Исследование продуктов гидролиза жира. а) выделение высших каобоновых кислот К части гидролизата добавьте 0,5 мл. 10% - серной кислоты, слегка нагрейте. Всплывает маслянистый белый слой жирных кислот. К оставшейся части гидролизата добавьте 2 мл дистиллированной воды и энергично встряхните. б) открытие глицерина Поместите в пробирку 2 капли 2% раствора CuSO4 и 2 капли 10% раствора NaOH и перемешайте. К образовавшемуся гидроксиду меди добавьте половину разбавленного гидролизата, осадок растворится и появится окрашивание - образовался глицерат меди (II). в) получение свинцового мыла К оставшейся части гидролизата добавьте 0,5 мл 10% раствора (СН3СОО)2Рb. Получилось нерастворимое свинцовое мыло. В выводе отметьте: - напишите уравнения реакций, -объясните появление синего окрашивания. Тема 16: НЕОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ. Значение темы: Группировка терпенового типа (изопреноидная цепь) включена в структуру многих биологически активных соединений. К терпенам относятся растительные пигменты и жирорастворимые витамины. Стероиды выполняют в организме разнообразные функции (стероидные гормоны, желчные кислоты, стерины и т.д.). Цель занятия: - Сформировать знания принципов строения важных классов низкомолекуляр- 49 ных биорегуляторов – терпенов и стероидов. - Рассмотреть общее строение тетрапррольных соединений, лактим-лактамную таутомерию пиримидиновых и пуриновых оснований. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний - сопряжение, ароматичность -электронное строение пиридинового и пиррольного атома азота -реакции электрофильного и нуклеофильного замещения -кислотность-основность органических соединений. Изучите теоретический блок 1. Неомыляемые липиды. Общая характеристика 2. Терпены. Изопреноиды. Каратиноиды ( - каротин, витамины группы А, Е, К). 3. Стероиды. Основы строения. 4. Стероидные гормоны. 5. Желчные кислоты. 6. Стерины. Холестерин. Витамин D, как продукт расщепления эргостерина. Выполните письменно 1. Напишите уравнение реакции получения ретинола (витамина A1) из - каротина. 2. Изобразите формулу холестерина и покажите, где находится гидрофобная и гидрофильная части молекулы. 3. Напишите уравнение реакции холестерина с олеиновой кислотой. 4. К какому классу принадлежит соединение, формула которого приведена ниже, какое соединение является его структурной основой? OH CH3 CH3 CH CH2 CH2 COOH CH3 OH 50 5. Напишите уравнение реакции получения витамина D3 (кальциферола) из эргостерина: CH3 hυ CH3 эргостерин OH 6. Изобразите схему получения гликохолевой и таурохолевой кислот путем взаимодействия холевой кислоты с глицином Н2N – CH2 – COOH и таурином H2N – CH2 – CH2 – SO3H, объясните их биологическую роль. Контрольная работа №3. Контрольная работа включает разделы: 1. Поли-, гетерофункциональные соединения и гетероциклы биологически активного ряда. 2. Моносахариды, дисахариды, гомо- и гетерополисахариды. 3. - Аминокислоты, пептиды, белки. 4. Омыляемые и неомыляемые липиды. Тема №17: БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Значение темы: Гетероциклические соединения являются родоначальниками важнейших групп лекарственных и физиологически активных веществ, составляют химическую основу многих метаболических путей в живом организме. Цель занятия: -Сформировать знания строения и особенностей биологически важных гетероциклических соединений как химическую основу физиологически активных веществ. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -сопряжение и ароматичность 51 -электронное строение пиридинового и пиррольного атома азота --реакции электрофильного и нуклеофильного замещения. Изучите теоретический блок 1. Пятичленные гетероциклические соединения как основа строения: а) гема (простетической группы гемоглобина); б) индола и имидазола (структурных элементов триптофана и гистидина); в) биотина (витамина Н) - бициклической системы, участвующей в реакциях переноса карбоксильных групп. 2. Шестичленные гетероциклы: а) пиридин как структурная основа коферментов (пиридоксальфосфата, НАД+); б) пиримидин и пурин - гетероциклические системы, гидрокси- и аминопроизводные которых являются компонентами нуклеиновых кислот (урацил, тимин, цитозин, аденин, гуанин); в) барбитуровая кислота (гидроксипроизводное пиримидина) - основа снотворных и противосудорожных средств - барбитуратов. 3. Лактим-лактамная таутомерия пиримидиновых и пуриновых оснований. Выполните письменно 1. Напишите схемы таутомерных превращений: а) СН3 – С – СН2 – С – ОС2Н5 ║ ║ О О б) НООС – С = СН – СООН │ NH2 в) O H 3C N H г) тимина OH CH 3 N HO N д) гуанина OH N N H 2N H N N 52 2.Классифицируйте по: а) природе гетероатома б) числу атомов в цикле; в) степени насыщенности; г) размеру цикла; следующие соединения: тиофен, пиридин, пиримидин, пирролин, пирролидин, пурин. 3. Кофеин, теофиллин и теобромин являются алкалоидами пуринового ряда. Они содержатся в листьях чая, зернах кофе, бобах какао. В организме являются эффективными средствами, возбуждающими ЦНС, стимулирующими работу сердца, обладающими мочегонными свойствами. Напишите структурные формулы этих веществ по приведенным ниже названиям: а) 1,3,7-триметил-2,6-диоксопурии (кофеин); б) 1,3-диметил-2,6-диоксопурин (теофиллин); в) 3,7-диметил-2,6-диоксопурин (теобромин). 4. Изобразите формулу барбитуровой кислоты в лактимной форме и напишите строение следующих лекарственных препаратов: барбитал (5,5диэтилбарбитуровая кислота); фенобарбитал (5-этил, 5-фенил-барбитуровая кислота). 5. Напишите структурные формулы пиразола, тиазола и пиразина, укажите их биологическую роль. 6. Изобразите формулу гема – простетической группы гемоглобина. Лабораторная работа: Опыт №1 Растворимость мочевой кислоты и ее динатриевой соли в воде. Мочевая кислота плохо растворима в воде: 1г. ее растворяется в 10-15л. воды, но хорошо растворима в щелочах, благодаря слабо выраженным кислотным свойствам. При этом образуются моно- и легкорастворимые двузамещенные соли. Ход работы: В пробирку поместите несколько кристаллов мочевой кислоты. Добавьте по каплям воду, встряхивая при этом пробирку. Обратите внимание на плохую растворимость мочевой кислоты. Затем добавьте 1 каплю 10%-раствора гидроксида натрия. Мутный раствор просветляется в связи с образованием динатриевой соли мочевой кислоты. Образующийся раствор сохраните для опыта 2. В выводе отметьте: -напишите реакцию взаимодействия мочевой кислоты с гидроксидом натрия -напишите таутомерные формы мочевой кислоты Опыт №2 Мурексидная проба. Эта реакция очень чувствительна и часто применяется в фармацевтической практике для открытия производных пурина - ксантина, теобромина, кофеина и мочевой кислоты, а также в медицинской практике при анализе моче- 53 вых камней. Ход работы: На предметное стекло пипеткой нанесите 1 каплю соли мочевой кислоты, полученной в предыдущем опыте и 1 каплю концентрированной азотной кислоты. Осторожно выпарите образовавшуюся смесь над пламенем горелки на расстоянии примерно 6 - 8 см. Появляется желто-красное окрашивание аллоксантина, образовавшегося в результате окисления азотной кислотой. Стекло охладите и сбоку нанесите 1 каплю 10%-раствора аммиака. На границе соприкосновения появляется полоска пурпурно-фиолетового цвета, обусловленная образованием мурексида - аммонийной соли мочевой кислоты. В выводе отметьте: -объясните причины возникновения окрашивания в мурексидной пробе. -какое применение в медицине находит мурексидная проба. НУКЛЕОТИДЫ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Значение темы: Нуклеиновые кислоты играют главную роль в передаче генетической информации и управлении процессом биосинтеза белка. Цель занятия: - Сформировать знания строения и химических свойств нуклеиновых кислот и их мо-номерных единиц – нуклеотидов как химическую основу для усвоения различных уровней организации ДНК и РНК. -Рассмотреть особенности строения и принципы номенклатуры класса нуклеиновых кислот, нуклеозидмоно- и полифосфатов. Методические рекомендации по самостоятельной аудиторной работе студентов Необходимый исходный уровень знаний -цикло-оксо и лактим-лактамная таутомерия -строение и свойства сложных эфиров -водородная связь -строение и свойства N –гликозидов Изучите теоретический блок 1. Структурные компоненты нуклеозидов и нуклеотидов. 2. Строение и состав рибонуклеозидов и дезоксирибонуклеозидов. 3. Первичная структура нуклеиновых кислот. Типы связей между нуклеотидами. 4. Вторичная структура ДНК. Правила Чаргаффа. Принцип комплементарности. 5. Нуклеозидмоно- и полифосфаты. Биологическая роль. Выполните письменно 1. Напишите возможные таутомерные формы гуанина и укажите более устойчи- 54 вую форму. 2. Напишите формулы и укажите типы связей: а) рибонуклеозидов: С; G; U. б) дезоксирибонуклеозидов: dT; dA. в) нуклеотидов: Gp; Up; pdT; pdA. г) фрагмента РНК: С - А - U. д) фрагмента ДНК: d (G - Т - С). 3. Исходя, из правила комплементарности напишите последовательность другой цепи ДНК, антипараллельной следующей: (5'→3') C - Т - А - G - C (3'→5') ? 4. Напишите реакцию гидролиза ГТФ. Тема №18. 1. Итоговый тест-контроль 2. Проверка протоколов лабораторных работ. 55 Контрольные вопросы для самоподготовки студентов 1 курса лечебного и педиатрического факультетов к экзамену по биоорганической химии. 1. Классификация органических соединений по структуре углеродного скелета, по характеру функциональных групп. Функциональные группы, характерные для биологически важных соединений. 2. Принципы международной номенклатуры органических соединений. 3. Сопряженные системы с открытой цепью сопряжения, π-π и p-π - сопряжение. 4. Ароматические системы. Критерий ароматичности. Правило Хюккеля. 5. Ковалентные, σ- и π - связи. Их электронное строение. Поляризация связей. Индуктивный и мезомерный эффекты заместителей. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители. 6. Пространственное строение органических соединений. Стереоизомерия хиральных молекул (энантиомерия). Асимметрический атом углерода. Формулы Фишера, D- и L- изомеры. 7. Классификация органических реакций: по конечному результату, по характеру разрыва ковалентных связей. Понятия: субстрат, реагент, реакционный центр. Механизм реакции. 8. Кислотно-основные свойства органических соединений по теории Бренстеда и Лоури. СН, SH, NH, ОН- кислоты. Факторы, определяющие кислотноосновные свойства. 9. Реакции радикального замещения в алканах – галогенирование, пероксидное окисление. Понятие о цепных процессах. 10.Реакции электрофильного присоединения в алкенах – гидрогалогенирование, гидратация. Правило Марковникова. 11.Реакции электрофильного замещения в ароматических соединениях – галогенирование, алкилирование. Роль катализатора в образовании электрофильной частицы. Влияние заместителей в бензольном кольце на скорость и направление реакции. 12.Нуклеофильное замещение и элиминирование у насыщенного атома углерода на примере гидроксильных соединений. 13.Реакции нуклеофильного присоединения в альдегидах и кетонах. Присоединение воды, спиртов, тиолов, аминов, альдольная конденсация. 14.Карбоновые кислоты. Классификация. Электронное строение карбоксильной группы и карбоксилат-аниона. Зависимость кислотных свойств от природы радикала. 15.Реакции нуклеофильного замещения в карбоксильной группе – образование ангидридов, сложных эфиров, сложных тиоэфиров, амидов. 16.Пероксидное окисление С-Н связи. Его биологическое значение. Окисление С=С связи, бензола и его гомологов. 17.Методы защиты живого организма от активных форм кислорода. 56 18.Особенности окислительно-восстановительных реакций органических соединений. Окисление кислород-, азот- и серусодержащих соединений. 19.Механизм действия активных центров коферментов оксидоредуктаз (НАД; ФАД и убихинона). 20.Поли- и гетерофункциональные соединения биологически активного ряда, их специфические химические свойства (многоатомные спирты и фенолы, двухосновные карбоновые кислоты, гидрокси-, оксо- и аминокислоты). 21.Гетерофункциональные производные бензольного ряда как лекарственные средства. Салициловая кислота и ее производные (ацетилсалициловая кислота, фенилсалицилат). 22.Механизм антибактериальной активности сульфаниламидных препаратов. 23.Механизм образования лактата из пировиноградной кислоты в организме. 24.Структура тетрапиррольных соединений (порфирин, гем). Биологическая роль. 25.Биологически важные производные пиридина – никотинамид, пиридоксаль. 26.Гетероциклы с несколькими гетероатомами. Имидазол, пиримидин, пурин. Биологическая роль. 27.Аминокислоты, входящие в состав белков. Строение, номенклатура. Кислотно-основные свойства, биполярная структура. Стереоизомерия. 28.Основные типы классификации -аминокислот, входящих в состав белков. 29.Биосинтетические пути образования -аминокислот из кетонокислот. Реакция восстановительного аминирования и трансаминирования. Пиридоксалевый катализ. 30.Химические свойства -аминокислот как гетерофункциональных соединений. Реакции этерификации, ацилирования, алкилирования, образования иминов. 31.Биологически важные реакции -аминокислот. Реакции окислительного дезаминирования и гидроксилирования. 32.Декарбоксилирование -аминокислот – путь к образованию биогенных аминов, и биорегуляторов (коламин, гистамин, триптамин, γ-аминомасляная кислота). 33.Пептиды и белки. Первичная структура белков. Строение и свойства пептидной группы. Понятие о вторичной, третичной и четвертичной структуре. 34.Углеводы Классификация моносахаридов. Стереоизомерия. D- и L- стереохимические ряды. 35.Открытые и циклические формы моносахаридов. Формулы Фишера и Хеуорса. Фуранозы и пиранозы; - и -аномеры. Цикло-оксо-таутомерия. 36.Строение биологически важных представителей пентоз (рибоза, ксилоза); гексоз (глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза); дезоксисахаров (2дезоксирибоза); аминосахаров (глюкозамин). Взаимопревращения альдоз и кетоз. 37.Химические свойства моносахаридов. Алкилирование, ацилирование, восста- 57 новление, окисление. 38.Окислительно-восстановительные свойства аскорбиновой кислоты. 39.Дисахариды, восстанавливающие и невосстанавливающие. Мальтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Состав, строение, восстановительные свойства. 40.Полисахариды. Классификация. Гомополисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза. Состав, строение, биологическая роль. 41.Гетерополисахариды: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат. Состав, строение, типы связей, биологическая роль. 42.Липиды. Классификация, строение. Природные жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая. 43.Омыляемые липиды. Жиры как смесь триацилглицеринов. Биологическая роль. Химические свойства: реакции гидролиза, окисления, гидрирования, галогенирования. Йодное число. 44.Фосфолипиды. Фосфатидовые кислоты. Фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилхолин. Биологическая роль. 45.Неомыляемые липиды. Терпены. Изопреноиды. Сопряженные полиены: каротиноиды, витамин А. 46.Стероиды. Стероидные гормоны. Прегнан, кортикостерон, андростан, андростерон, эстран, эстрадиол. 47.Желчные колоты. Холевая кислота. 48.Стерины. Холестерин. Витамины группы D. 49.Нуклеиновые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот: пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин). Лактам-лактимная таутомерия. 50.Нуклеозиды. Характер связи нуклеинового основания с углеводным остатком. Гидролиз. 51.Нуклеотиды – структурные единицы нуклеиновых кислот. Строение, номенклатура, гидролиз. 52.Нуклеозидмоно- и полифосфаты – АМФ, АДФ, АТФ. Понятие о макроэргических связях. 53.Строение НАД, НАДФ и ФАД, механизм переноса электронов и протонов. 54.Первичная структура нуклеиновых кислот. Фосфодиэфирная связь. Нуклеотидный состав ДНК и РНК. 55.Понятие о вторичной структуре ДНК. Роль водородных связей между комплементарными пиримидиновыми и пуриновыми основаниями. 58 ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Тюкавкина Н А., Бауков Ю И. Биоорганическая химия. М.: Медицина, 2005 542с Дополнительная 1. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия М.: Просвещение, 1987.- 815с. 2.Райлс А., Смит К., Уорд Р. Основы органической химии (для студентов биологических, медицинских и сельскохозяйственных специальностей). М.: Мир. 1983 - 352с. 3. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии" под редакцией Тюкавкиной Н.А., М.: Медицина, 1985 – 254с. 4. Николаев А..Я. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1989 - 495с.
