Химия природного сырья

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский государственный технологический университет Кафедра органической химии и технологии органических веществ Курс лекций по дисциплине «Химия природного сырья» для студентов направления 240100.62- «Химическая технология», профилей подготовки: Химическая технология органических веществ, Технология и переработка полимеров, Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов и направления 241000.62-«Энерго-и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», профиля подготовки: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Красноярск 2012 Любяшкин А.В. Химия природного сырья. Курс лекций для студентов бакалавриата направления 240100.62- «Химическая технология», профилей подготовки: Химическая технология органических веществ, Технология и переработка полимеров, Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов и направления 241000.62- «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», профиля подготовки: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. - Красноярск: СибГТУ, 2012.- 140 с. Утвержден на заседании кафедры ОХ и ТОВ 2012 г., протокол №. Рекомендовано к изданию редакционно-издательским Советом СибГТУ в качестве курса лекций 2012 г., протокол №. В курсе лекций изложен материал, составляющий основу органической химии природного сырья, основу биоорганической химии. Рассмотрены строение и реакционная способность углеводов: моносахаридов, ди- и полисахаридов, изложены современные представления об аминокислотах, белках и нуклеиновых кислотах, о строении и применении терпенов. Настоящий курс лекций может быть рекомендован для студентов бакалавриата химических и химико-технологических направлений подготовки при изучении курса химии природного сырья.  Любяшкин А.В., 2012  ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет, 2012 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 5 Модуль 1 ЛЕКЦИЯ 1. Моносахариды 7 ЛЕКЦИЯ 3. ДИСАХАРИДЫ 30 ЛЕКЦИЯ 3. ПОЛИСАХАРИДЫ 37 Модуль 2 ЛЕКЦИЯ 4. ТЕРПЕНЫ 54 Модуль 3 ЛЕКЦИЯ 5. нефть 73 ЛЕКЦИЯ 6. Серосодержащие соединения 75 Модуль 4 ЛЕКЦИЯ 7. Аминокислоты. Белки 94 ЛЕКЦИЯ 8. нуклеиновые кислоты 113 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 139 Приложение А (справочное) Ключевые слова 140 ВВЕДЕНИЕ Освоение лекционного курса является важнейшим этапом учебного процесса, совершенствующим теоретическую и практическую подготовку будущего бакалавра. Лекции по дисциплине «Химия природного сырья» в соответствии с программой курса читаются в течение V-го семестра на 3-ем курсе для студентов бакалавриата направления подготовки 240100.62 Химическая технология, профилей подготовки Химическая технология органических веществ, Технология и переработка полимеров, Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов; в течение III-го семестра на 2-ом курседля студентов направления подготовки 241000.62 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, профиля подготовки Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Целью освоения лекционного курса «Химия природного сырья» является формирование у будущего бакалавра профессиональных компетенций, согласно которым бакалавр должен: По направлению «Химическая технология» (ПК-3) использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире; (ПК 7) обладать способностью осуществлять химико-технологические процессы, измерять показатели свойств сырья и конечной продукции; (ПК-23) обладать способностью использовать знания свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности. (ПК 25) изучать химическую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования. По направлению Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии (ПК-3) использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире; (ПК 7) обладать способностью осуществлять химико-технологические процессы, измерять показатели свойств сырья и конечной продукции; ( (ПК-23) обладать способностью использовать знания свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности. (ПК 25) изучать химическую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования. Модуль 1. Углеводы ЛЕКЦИЯ 1. Моносахариды (2 часа) Общие представления об углеводах. Классификация углеводов. Моносахариды, строение, стереоизомерия. Номенклатура D,L и R,S. Явление мутаротации моносахаридов. Восстановление и окисление моносахаридов. Оксинитрильный синтез. Реакции с гидроксиламином и фенилгидразином. Эпимеризация, алкилирование, ацилирование и иные реакции. Отдельные представители моносахаридов Углеводы – это группа природных соединений, представляющих собой полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. Большинство углеводов имеет общую формулу Сn(Н2О)m , например С6Н12О6, С5Н10О5, С12Н22О11 . Углеводы – это важнейший класс веществ, необходимых для существования всего живого на земле. Так, растения состоят из углеводов примерно на 80 %; около 20% сухого вещества животных также приходится на углеводы. В растениях углеводы образуются в процессе фотосинтеза, при котором под действием солнечного света, в присутствии катализатора – хлорофилла – из углекислого газа и воды синтезируется глюкоза. Тысячи молекул глюкозы объединяются в молекулы гораздо большего размера – целлюлозу, которая является основным строительным материалом растений. Молекулы глюкозы могут соединяться и иным способом, давая большие молекулы крахмала, питательного вещества для роста растений. Животные, поедая растения, расщепляют крахмал и целлюлозу, превращая их в глюкозу. Часть глюкозы в тканях животных окисляется в углекислый газ и воду с выделением энергии, полученной от солнца при фотосинтезе. Другая часть глюкозы превращается в организме в жиры, а некоторое количество – в аминокислоты и, далее, в белки, из которых состоят почти все органы и ткани животных. Трудно переоценить и значение углеводов в различных областях деятельности человека. Переработкой углеводов заняты крупные отрасли промышленности: химическая (производство химических волокон, порохов, пластмасс), целлюлозно-бумажная, текстильная, пищевая и другие. Классификация углеводов Углеводы условно можно разделить на две большие группы: 1) Моносахариды (монозы), 2) Полисахариды (полиозы). Первая группа – моносахариды - в свою очередь подразделяется на альдозы, то есть углеводы, содержащие альдегидную группу (альдопентозы, альдогексозы – в зависимости от числа углеродных атомов – пять или шесть в молекуле моносахарида) и на кетозы, содержащие кетонную группу в молекуле (кетопентозы, кетогексозы и т.д.). Вторая группа – полисахариды – делится на: а) сахароподобные (олигосахариды), например дисахариды, трисахариды и другие, молекулы которых состоят из двух, трех или нескольких молекул моносахаридов, связанных друг с другом простыми эфирными связями; б) несахароподобные полисахариды (крахмал, целлюлоза), которые построены из очень большого количества молекул (сотен или даже тысяч) моносахаридов. Моносахариды Наиболее распространенными моносахаридами являются пентозы и гексозы. Самый часто встречающийся в природе углевод – альдогексоза под названием глюкоза. Согласно определению, глюкоза содержит в своем составе шесть атомов углерода и одну альдегидную группу. Эмпирическая формула глюкозы С6Н12О6, структурная формула приведена на рисунке 1. Рядом для сравнения приведены формулы других альдогексоз – маннозы и галактозы. Рисунок 1 – Строение некоторых моносахаридов Для того, чтобы понять, чем отличаются друг от друга по строению эти и другие моносахариды, следует вернуться к понятию стереоизомерии или оптической изомерии. Стереоизомерия органических молекул Существует особый вид изомерии органических молекул, когда две молекулы отличаются друг от друга только расположением групп в пространстве. Это становится возможным для таких соединений, которые содержат хотя бы один асимметрический атом углерода. Асимметрический атом углерода – это такой атом, все четыре заместителя при котором различаются между собой. Примером соединения, содержащего асимметрический атом углерода может служить молочная (2-гидрокcипропановая) кислота: Атом углерода в молочной кислоте, связанный с гидроксильной, карбоксильной, метильной группами и с атомом водорода, является асимметрическим (в формуле помечен звездочкой). Поэтому для молочной кислоты возможна стереоизомерия, т.е. существование двух разных пространственных изомеров (рис. 2): Рисунок 2 – Стереоизомеры молочной кислоты Оба этих изомера были выделены в чистом виде. Оказалось, что все их химические свойства одинаковы. Совпадали и все физические характеристики, кроме одной: эти изомеры проявляли различную оптическую активность. Оптическая активность – это способность веществ поворачивать плоскость поляризации плоскополяризованного света. Если один из изомеров молочной кислоты, обозначенный буквой А, поворачивал плоскость поляризации на некоторый угол против часовой стрелки, то второй изомер Б поворачивал плоскость поляризации на такой же угол , но по часовой стрелке. Подобные изомеры получили название энантиомеры, или зеркальные двойники, причем левовращающий изомер А обозначают знаком (-), а правовращающий Б - знаком (+). Если внимательно посмотреть на рисунок, то становится видно, что одна из приведенных формул молочной кислоты представляет собой зеркальное отображение второй формулы. Иными словами, эти молекулы отличаются друг от друга, как правая и левая рука: они одинаковы, но совместить их в пространстве невозможно. Такие изомеры обозначают так же, как и руки – левый (L) и правый (D). Часто для более простого изображения стереоизомеров используют так называемые проекционные формулы Фишера. Они представляют собой проекцию тетраэдрической молекулы на плоскость, причем асимметрический (или хиральный) атом углерода не обозначается символом С, а располагается в точке пересечения перпендикулярных линий связей (формула А на рис.3): Рисунок 3 – Проекционная формула и реальное направление связей на примере молекулы (+)-молочной кислоты Пользуясь проекционными формулами, следует помнить, что группы, расположенные в формуле слева и справа, на самом деле выступают из плоскости страницы, т.е. направлены к читателю. Группы, расположенные вверху и внизу, находятся за плоскостью листа, удаляясь от нас (формула Б). Следствие: проекционную формулу нельзя поворачивать на 900 , т.к. при этом она превратится в другой стереоизомер. По этой же причине нельзя мысленно вынуть такую формулу из плоскости страницы, перевернуть и наложить на лист «обратной» стороной. Однако можно переворачивать проекционные формулы на 1800, не вынимая их из плоскости чертежа.. Возникает вопрос: какой из приведенных изомеров следует называть правым, а какой – левым? В России для решения этого вопроса обычно пользуются стандартом, предложенным американским химиком Розановым: строение стереоизомеров сравнивают с глицериновым альдегидом, для которого установлены следующие формулы (рис. 4): Рисунок 4 – Проекционные формулы энантиомеров молочной кислоты При этом следует помнить, что D,L-номенклатура устанавливает лишь относительную конфигурацию стереоизомеров. R,S-номенклатура В настоящее время химики широко используют так называемую R,S-номенклатуру вместо D,L-номенклатуры. R,S-номенклатура (R- от латинского rectus, правый, S-sinister, левый) является универсальной, так как определяет абсолютную конфигурацию стереоизомерных молекул, то есть указывает истинное расположение атомов или групп вокруг хирального центра. Для определения конфигурации по этой номенклатуре нужно в первую очередь определить старшинство атомов или групп, окружающих хиральный центр. Если атомы, непосредственно связанные с асимметрическим атомом углерода (хиральным центром) разные, то чем больше атомный номер в таблице Менделеева, тем заместитель старше. Старшему заместителю присваивается номер 1, следующему по старшинству 2 и т.д. Так, для D-глицеринового альдегида (рис. 5) старшим заместителем с номером 1 будет гидроксигруппа ОН, т.к. у кислорода атомный номер 8. Младшим заместителем с номером 4 будет атом водорода, т.к. его атомный номер 1. Возникает вопрос: как определить, какой заместитель старше: метильная группа СН3 или альдегидная СНО, поскольку обе группы связаны с хиральным центром одинаково, углеродным атомом, имеющим атомный номер 6. В таком случае сравнивают второй ряд заместителей в этих группах. В метильной группе СН3 второй ряд состоит из трех атомов водорода: Н,Н,Н. А вот в альдегидной группе СНО атом углерода одна связь направлена к атому водорода, а две – к атому кислорода. В этом случае второй ряд выглядит так: Н,О,О. Значит, альдегидной группе, как более старшей, присваиваем номер 2, а метильной – 3. После определения старшинства заместителей (1) посмотрим на тетраэдрическую молекулу со стороны, противоположной младшему заместителю, т.е. атому водорода (2) на рисунке 5. Рисунок 5 – Определение R- или S-конфигурации стереоизомера При этом оказывается, что переход от первого заместителя через второй к третьему осуществляется по часовой стрелке, значит, это R-конфигурация глицеринового альдегида (3). Если переход 1-2-3 получается против часовой стрелки, то мы имеем дело с S-конфигурацией. Стереоизомерия альдогексоз Вернемся к рисунку 1, на котором с помощью проекционных формул изображены D-глюкоза, D-манноза и D-галактоза. Каждая из приведенных молекул состоит из шести атомов углерода, четыре из которых – асимметрические. Для определения конфигурации этих изомеров по Розанову смотрят на нижний из асимметрических атомов углерода. Если гидроксильная группа при данном атоме расположена справа, то моносахарид относится к D-ряду, если слева – то к L-ряду. Обратим внимание на то, что все три эти моносахарида являются стереоизомерами, но в то же время это не зеркальные двойники, т.е. не энантиомеры. Стереоизомеры, которые не представляют собой зеркальные отображения друг друга, называются диастереомерами. Таким образом, глюкоза, манноза и галактоза по отношению друг к другу являются диастереомерами. Возникает вопрос: сколько всего существует стереоизомеров для альдогексозы? Для определения числа стереоизомеров существует простая формула: N = 2n , где N – число стереоизомеров; n – число асимметрических атомов углерода в данной молекуле. Следовательно, для альдогексозы число стереоизомеров составит 24=16. Из этих шестнадцати изомеров восемь будут правыми и восемь – левыми. Так, для глюкозы можно написать два энантиомера: Рисунок 6 – Проекционные формулы энантиомеров глюкозы Весь ряд стереоизомеров правых альдогексоз и их названия приведены ниже на рисунке 7. Для каждого из приведенных на рисунке правых стереоизомеров существует зеркальный двойник – соответствующий L-изомер. С учетом этого и получается 16 вычисленных выше по формуле стереоизомеров альдогексоз. При этом следует помнить, что каждой из шестнадцати альдогексоз соответствует только один энантиомер, остальные четырнадцать будут по отношению к ней диастереомерами. Точно так же можно легко установить, что для альдопентоз, в молекулах которых есть всего 3 асимметрических атома углерода, существует 23 , то есть 8 стереоизомеров: 4 левых и 4 правых. Их строение и названия будут показаны ниже. Рисунок 7 – Ряд стереоизомеров правых альдогексоз Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов При исследовании химических свойств моносахаридов выяснилось, что и альдозы, и кетозы могут существовать как в линейной, так и в циклической форме. Это явление получило название кольчато-цепной таутомерии. Рассмотрим его на примере D-глюкозы. Рисунок 8 – Образование циклических форм глюкозы Замыкание цикла происходит потому, что гидроксильная группа, стоящая у нижнего асимметрического атома углерода в молекуле D-глюкозы, реагирует с альдегидной группой как нуклеофил, образуя полуацеталь. При этом полуацетальный гидроксил, возникающий у верхнего атома углерода на рис.8, может быть направлен как влево (такой изомер называют β-аномером), так и вправо (тогда получается α-аномер). Это зависит от того, с какой стороны происходит атака спиртовой гидроксильной группы по карбонильной группе: со стороны от читателя или с противоположной. Обратим внимание на то, что первый атом углерода (верхний на рисунке) после замыкания цикла стал асимметрическим, т.е. число стереоизомеров альдогексоз с учетом этого становится 25 = 32. Как видно, образуется шестичленный цикл, состоящий из пяти атомов углерода и одного атома кислорода. Известное гетероциклическое шестичленное кислородсодержащее соединение называется пиран, поэтому глюкозу, замкнутую в подобный цикл, называют глюкопиранозой. Изображать циклические формулы моносахаридов с помощью проекционных формул Фишера не очень удобно: искажаются длины связей, да и вся форма молекулы. Поэтому часто для изображения циклических форм углеводов используют перспективные формулы Хеуорса. На рисунке 9 показано применение формул Хеуорса для α- и β-аномеров глюкопиранозы: Рисунок 9 – Аномеры D-глюкопиранозы изображены с помощью формул Хеуорса Для того, чтобы перейти от формулы Фишера к формуле Хеуорса, надо соблюдать следующие правила. Сначала рисуют шестиугольник, расположенный в горизонтальной плоскости (стороны шестиугольника, выступающие перед плоскостью листа, утолщают и заштриховывают). Затем расставляют атомы водорода и гидроксильные группы, начиная с первого атома углерода, т.е. с правого угла шестиугольника, причем те атомы и группы, которые в фишеровской формуле располагались слева (рис.8), помещают в формуле Хеуорса вверху, над плоскостью цикла; а группы, располагавшиеся справа, окажутся внизу, под плоскостью цикла. Исключение составит только последний асимметрический атом углерода: группировка СН2ОН всегда оказывается вверху, а атом Н – внизу, хотя в проекционной формуле он был слева. Это происходит из-за того, что при замыкании в цикл данный тетраэдр переворачивается и атом Н меняется местами с группой СН2ОН. Следует отметить, что в природе наиболее часто встречаются углеводы, в которых глюкоза и другие альдогексозы замкнуты именно в шестичленный, или пиранозный цикл. Однако встречаются и соединения, в которых глюкоза образует иную циклическую форму. Представим себе, что D-глюкоза на рис.8 замкнется в цикл через гидроксильную группу, связанную не с 5-м, а с 4-м атомом углерода. Тогда образуется не шестичленный, а пятичленный цикл с атомом кислорода. Подобное гетероциклическое соединение называется фуран, а такая циклическая форма глюкозы – α,D-глюкофураноза. На рис.10 она изображена с помощью формулы Фишера (А) и Хеуорса (Б). Рисунок 10 – Различные способы изображения α,D-глюкофуранозы Хотя формулы Хеуорса довольно наглядны, но и они не очень точно показывают истинное строение углеводов. Наиболее точны формулы, показывающие пространственное строение молекул и истинные углы между связями. Например, молекула глюкозы более реально выглядит так (рис. 11): Рисунок 11 – Реальное изображение аномеров глюкозы в пространстве В настоящее время выяснено, что глюкоза существует как в циклической, так и в линейной формах, между которыми устанавливается равновесие. Если по какой-либо причине содержание одной из форм начинает убывать, то за счет смещения равновесия запас этой формы немедленно пополнится. Таким образом, моносахариды ведут себя так, как будто они одновременно на 100% и циклические полуацетали, и линейные альдегидоспирты. Физические свойства моносахаридов. Явление мутаротации Моносахариды – белые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус. Все моносахариды проявляют оптическую активность. Сказанное относится и к альдозам, и к кетозам. Например, кетогексоза – фруктоза – белое кристаллическое вещество, хорошо растворяется в воде, слаще глюкозы примерно в 4 раза. D-глюкоза может существовать в двух изомерных формах: в виде α,D-глюкопиранозы и β,D-глюкопиранозы. Первая плавится при 1460С и имеет удельное вращение, равное +1120. Вторая плавится при 1500С ; удельное вращение составляет +190. Удельное вращение – величина угла, на который данное вещество поворачивает плоскость поляризации света при концентрации вещества 1г/мл и толщине слоя раствора 1 дм.. Если растворить кристаллы α-аномера глюкозы в воде и измерять удельное вращение с помощью поляриметра, то оказывается, что первоначальное значение угла +1120 постепенно уменьшается, пока не достигнет величины +52,70. Аналогично, когда растворяют β-аномер, величина удельного вращения изменяется от +190 до +52,70. Это явление, когда свежеприготовленные растворы моносахаридов постепенно меняют величину удельного вращения до какого-то другого значения, наызвается мутаротацией. Мутаротация объясняется тем, что в растворе постепенно устанавливается равновесие между α- и β-аномерами моносахарида (см. рис. 9 и 11). Учитывая, что удельное вращение у них разное, по достижении равновесия установится некое промежуточное значение удельного вращения, соответствующее равновесной концентрации α- и β-аномеров. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОСАХАРИДОВ Рассмотрим химические свойства моносахаридов на примере одной из альдогексоз – D-глюкозы. 1. Восстановление моносахаридов приводит к многоатомным спиртам: В качестве восстановителя в данной реакции можно применять вместо алюмогидрида лития другие реагенты: водород в присутствии никеля, амальгаму натрия, боргидрид натрия и т.д. Сорбит, получаемый в этой реакции, относится к многоатомным спиртам. Это белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Применяется как заменитель сахара для больных диабетом. Аналогично реакция идет и для других гексоз; так, из D-маннозы при восстановлении образуется D-маннит. 2. Окисление моносахаридов дает соответствующие кислоты: Глюкоза способна окисляться до глюконовой кислоты и при действии реактива Толленса, т.е. аммиачного раствора оксида серебра (реакция серебряного зеркала), а также при нагревании с реактивом Фелинга. Реактив Толленса готовят из растворов едкого натра и нитрата серебра. Выпадающий осадок оксида серебра растворяют в избытке водного аммиака, при этом осадок растворяется и образуется ион Ag(NH3)2+. Этот раствор и есть реактив Толленса. Альдозы окисляются реактивом Толленса до альдоновых кислот по схеме: При этом реактив Толленса восстанавливается до металлического серебра. Реактив Фелинга готовят из сульфата меди и щелочного раствора калия-натрия виннокислого. Этот синий раствор представляет собой комплекс Cu2+ c тартрат-ионом. (Иногда применяют реактив Бенедикта, который содержит комплекс Cu2+ c цитрат-ионом). Оба этих реактива окисляют альдозы при нагревании до альдоновых кислот, давая красный осадок оксида меди (I): 3. Оксинитрильный синтез. Моносахариды, как все альдегиды, способны реагировать с синильной кислотой с образованием оксинитрилов: Из приведенной схемы видно, что оксинитрильное производное Б, полученное из глюкозы А, можно гидролизовать до кислоты В и затем, через промежуточный -лактон глюконовой кислоты Г восстановить до оксиальдегида Д. Последний представляет собой альдогептозу, или моносахарид, состоящий из семи углеродных атомов. Таким образом, реакция с синильной кислотой дает возможность переходить от низших сахаров к высшим, удлиняя углеродный скелет моносахарида (синтез Килиани-Фишера). 4. Реакция с гидроксиламином. Подобно большинству альдегидов, моносахариды реагируют с гидроксиламином, образуя оксимы: Из приведенной схемы видно, что из глюкозы А при действии гидроксиламина образуется оксим Б. От оксима Б с помощью водоотнимающих средств можно отщепить молекулу воды, при этом получается оксинитрил В. От последнего при действии гидроксида серебра отщепляют еще одну молекулу воды; образуется моносахарид Г (D-арабиноза), представляющий собой альдотетрозу. Следовательно, реакция с гидроксиламином в конечном счете позволяет переходить от высших сахаров к низшим, то есть укорачивать углеродный скелет моносахаридов. Этот метод иногда называют ретрореакцией Килиани-Фишера. Переход от высших сахаров к низшим позволяет осуществлять и метод Руффа: 5. Реакция с фенилгидразином. При действии на моносахариды фенилгидразина первоначально образуется фенилгидразон. По не совсем понятной причине, соседняя с альдегидной вторичная спиртовая группа далее окисляется избытком фенилгидразина до карбонильной, а затем дает с еще одним молем фенилгидразина двойной гидразон – озазон. Интересно, что моносахариды, отличающиеся пространственным строением только двух верхних углеродных атомов, дают в этой реакции один и тот же озазон. Такие сахара называются эпимерами. Эпимерами будут, например, глюкоза, фруктоза и манноза. 6. Действие щелочей (эпимеризация). При действии щелочей на глюкозу образуется смесь всех трех эпимеров – глюкозы, фруктозы и маннозы. Причина в том, что под действием щелочи из глюкозы образуется енол (I), который является общим для всех эпимеров на схеме. Из енола (I) равновесно образуются D-глюкоза (А), D-фруктоза (В) и D-манноза (С).Точно так же из фруктозы – кетогексозы – в щелочной среде образуются глюкоза и манноза, т.е. альдогексозы. Из-за этого фруктоза дает реакцию серебряного зеркала, хотя и не имеет альдегидной группы. 7. Реакция алкилирования. Моносахариды вступают в реакцию алкилирования в циклической (полуацетальной) форме. Если использовать для алкилирования мягкий алкилирующий агент, например, метанол в присутствии хлористого водорода, то метилированию подвергается только полуацетальный гидроксил в молекуле моносахарида. При действии более сильного алкилирующего средства, такого, как иодистый метил в присутствии оксида серебра, метилируются все пять гидроксильных групп: Когда в молекуле моносахарида метилированию подвергся полуацетальный гидроксил (формула А), название его будет метил-α-D-глюкопиранозид. Это соединение не способно раскрывать цикл с образованием линейной формы, так как в нем отсутствует подвижный атом водорода при полуацетальном гидроксиле: этот атом водорода замещен на метильную группу. Аналогично, пентаметил-α-D-глюкопиранозид (Б) тоже не может дать линейную форму. 8. Реакция ацилирования. При действии на глюкозу ацилирующих реагентов, например, уксусного ангидрида, образуется пентаацетильное производное – пентаацетил-α-D-глюкопиранозид: 9. Циклизация в производные фурфурола. При нагревании с разбавленной серной кислотой пентозы превращаются в фурфурол: В аналогичных условиях гексозы циклизуются с образованием 5-гидроксиметилфурфурола: 10. Брожение сахаров. Под брожением сахаров понимают их превращение в какие-либо продукты под действием ферментов, например, лимоннокислое брожение, маслянокислое брожение, ацетонобутиловое и др. Так, при спиртовом брожении из углеводов под влиянием фермента дрожжей «зимазы» образуется этиловый спирт: В данной схеме приведены только исходные и конечные вещества; на самом деле механизм спиртового брожения очень сложен. Отдельные представители моносахаридов Кроме глюкозы в природе распространены и другие моносахариды. Это, например, представители пентоз - арабиноза, ксилоза, рибоза (рис. 12): Рисунок 12 – Альдопентозы D-ряда в линейной форме Обращает на себя внимание тот факт, что знак направления вращения плоскости поляризации света (+) или (-) бывает как у правых (D), так и у левых (L) изомеров. Арабиноза встречается в природе в вишневом клее, входит в состав свеклы. Ксилоза в виде полисахарида – ксилозана – находится в соломе, отрубях, древесине, в шелухе подсолнечника. Рибоза играет особо важную биологическую роль. В циклической фуранозной форме она входит в состав клеточных ядер в виде РНК – рибонуклеиновой кислоты; другое производное рибозы, дезоксирибоза, это основа ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Рисунок 13 – Рибоза и дезоксирибоза в циклической форме Помимо глюкозы, в природе встречаются и другие альдогексозы. Это, например, манноза (рис.1). Она обнаруживается в ячмене, в корках апельсина. Продукт ее восстановления, D-маннит, содержится в грибах, в маслинах, в жасмине. Другая альдогексоза, галактоза, входит в состав дисахарида – лактозы ( молочного сахара). Наиболее распространенным представителем кетогексоз является D-фруктоза (рис. 14). Это белое кристаллическое вещество, растворимое в воде, Рисунок 14 –Циклические таутомеры D-фруктозы на вкус втрое слаще сахара. Входит в состав сока большинства фруктов, а также мёда. Хотя фруктозу можно замкнуть как в пиранозный, так и в фуранозный циклы, обычно она встречается в виде β,D-фруктофуранозы. Вопросы: 1. Классификация моносахаридов на альдозы и кетозы 2. Стереоизомерия органических молекул. 3. Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов. 4. Качественные реакции на реактив Толенса и реактив Фишера. 5. Синтез Килиани-Фишера ЛЕКЦИЯ 2. ДИСАХАРИДЫ (2 часа) Восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. Реакции мальтозы в открытой и циклической формах. Строение лактозы, целлобиозы, фруктозы, гентиобиозы и их применение. Дисахариды (другое название – биозы), образуются путем соединения двух молекул моносахаридов простой эфирной связью. Поэтому при кислотном гидролизе молекула любого дисахарида дает две молекулы моносахаридов. Все дисахариды можно разделить на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие. К невосстанавливающим дисахаридам относится, например, трегалоза (грибной сахар) рис. 15: Рисунок 15 – Строение трегалозы Как показано на рисунке, молекула трегалозы состоит из двух остатков глюкопиранозы, соединенных между собой кислородным мостиком, т.е. простой эфирной связью. При этом оба полуацетальных гидроксила в молекуле трегалозы отсутствуют, поскольку за их счет образована эфирная связь. Поэтому молекула трегалозы не способна к таутомерному превращению с образованием открытой, альдегидной формы. Следовательно, трегалоза не будет вступать в реакции, свойственные альдегидам, например, не будет восстанавливать серебро из его оксида в реакции серебряного зеркала. Полное название трегалозы – 1-(α,D-глюкопиранозидо)-α,D-глюкопиранозид. Дисахариды, в молекулах которых нет ни одной свободной полуацетальной гидроксильной группы, называются невосстанавливающими. Невосстанавливающие дисахариды вступают в реакции по спиртовым группам, например, подобно глюкозе трегалоза может алкилироваться иодистым метилом, давая октаметильное производное (рис. 16) или ацилироваться: Рисунок 16 – Строение октаметилтрегалозы Невосстанавливающие дисахариды получаются в тех случаях, когда соединение звеньев моносахаридов происходит через 1-е углеродные атомы. Однако есть и другой способ соединения, при котором 1-й углеродный атом одного звена соединится через кислородный мостик с 4-м углеродным атомом второго звена моносахарида. Таким способом образована, например, мальтоза (иное название – солодовый сахар) или 4-(α,D-глюкопиранозидо)-D-глюкоза. Молекула мальтозы, состоящая из двух остатков D-глюкозы, построена так, что в ней имеется один полуацетальный гидроксил, способный превращаться в альдегидную группу (на рисунке 17 в верхней формуле справа, см. ниже:). Рисунок 17 – Таутомерное равновесие для мальтозы Поэтому мальтоза может существовать в открытой форме (рис. 17 внизу) и, соответственно, давать все реакции, свойственные альдегидам. Так, мальтоза способна восстанавливать оксид серебра до металла, т.е. дает реакцию серебряного зеркала. Дисахариды, в молекулах которых имеется свободная полуацетальная гидроксильная группа, называются восстанавливающими. Продуктом окисления мальтозы является мальтобионовая кислота. Аналогично мальтоза вступает в альдегидной (открытой) форме в реакцию восстановления, в реакции с гидроксиламином, с синильной кислотой, с фенилгидразином (с образованием озазона), и во все остальные реакции, характерные для альдегидной группы, в которые вступает глюкоза. Так же, как и моносахариды, мальтоза может вступать в реакции алкилирования и ацилирования. Эти реакции осуществляются в циклической форме. Следует отметить, что алкилированию и ацилированию подвергаются все дисахариды, вне зависимости от того, восстанавливающие они или невосстанавливающие: При ацилировании уксусным ангидридом образовалась октаацетилмальтоза, которая не способна к раскрытию цикла. Иногда при образовании дисахарида один из остатков моносахарида находится в форме β-аномера. Так устроена молекула дисахарида целлобиозы. Она, как и мальтоза, состоит из двух остатков глюкозы, связанных между собой β-связью (рис. 18): Рисунок 18 – Целлобиоза, или 4-(,D-глюкопиранозидо)- D-глюкоза Целлобиоза, как и мальтоза, относится к восстанавливающим дисахаридам, так как в ее молекуле имеется свободный полуацетальный гидроксил, который на рисунке изображен крайним справа. Поэтому целлобиоза способна к раскрытию цикла с образованием открытой альдегидной формы и, следовательно, дает все реакции, свойственные альдегидам: окисляется в целлобионовую кислоту и т.д. Целлобиоза образуется при гидролизе целлюлозы в качестве промежуточного продукта; при ее дальнейшем гидролизе получается глюкоза. Еще одним представителем восстанавливающих дисахаридов является лактоза, или молочный сахар. Лактоза содержится в молоке, на вкус менее сладкая, чем обычный сахар. Молочная промышленность производит молочный сахар трех видов: для медицинских препаратов рафинированный ; для антибиотиков, на технические цели и для рафинации – сахар – сырец; для пищевой промышленности – очищенный, или пищевой. При производстве антибиотиков одним из главных компонентов сред для ферментации является кристаллизат молочного сахара (45 % лактозы). Состоит из звеньев галактозы и глюкозы (рис. 19): Рисунок 19– Лактоза, или 4-(,D-галактопиранозидо)глюкоза В молекуле лактозы, как и в целлобиозе, образуется β-связь между двумя звеньями моносахаридов; при гидролизе лактоза дает D-глюкозу и D-галактозу. Из двух остатков ,D-глюкопиранозы состоит дисахарид гентиобиоза (рис. 20). Однако строение гентиобиозы существенно отличается от целлобиозы тем, что эфирная связь между звеньями осуществляется через полуацетальный гидроксил ,D-глюкопиранозы (верхнее звено на рисунке) и через гидроксил 6-го углеродного атома второго звена ,D –глюкозы: Рисунок 20 – Строение дисахарида гентиобиозы В семенах горького миндаля содержится производное гентиобиозы – амигдалин, на основе которого уже много лет изготавливают противораковые препараты. Самым распространенным в природе дисахаридом является сахароза, которую также называют тростниковым или свекловичным сахаром. Сахароза относится к невосстанавливающим дисахаридам, так как в ее молекуле нет свободных полуацетальных гидроксильных групп, следовательно, сахароза не способна давать открытую форму. Ее молекула состоит из остатков глюкозы и фруктозы (рис. 21): Рисунок 21 – Сахароза, или 2-(,D-глюкопиранозидо)-, D-фруктофуранозид Когда сахарозу подвергают гидролизу, образуется смесь глюкозы и фруктозы. При этом наблюдается интересное явление: сахароза, обладая оптической активностью, поворачивает плоскость поляризации света по часовой стрелке (правое вращение). После гидролиза знак вращения меняется: образующаяся фруктоза значительно сильнее вращает плоскость поляризации влево, чем глюкоза вправо. Поэтому смесь продуктов гидролиза становится левовращающей. Явление смены знака вращения плоскости поляризации называется инверсией, а полученная смесь – инвертным сахаром, или искусственным медом. Вопросы: 1. Восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. 2. Реакции мальтозы в открытой и циклической формах. 3. Строение лактозы, целлобиозы, фруктозы, гентиобиозы и их применение. 4. Явление инверсии. ЛЕКЦИЯ 3. ПОЛИСАХАРИДЫ (2 часа) Общие представления о полисахаридах. Крахмал, строение, амилоза и амилопектин. Целлюлоза, строение, химическая модификация, применение. Гемицеллюлозы, декстраны. Полисахариды представляют собой соединения, состоящие из многих сотен или даже тысяч звеньев моносахаридов, входящих в состав одной молекулы. Это природные полимеры, которые можно рассматривать, как продукты поликонденсации альдоз или кетоз. Из звеньев глюкозы построены два важнейших полисахарида: крахмал и целлюлоза. Оба они образуются в растениях из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза. Целлюлоза – основной строительный материал растения, придающий ему жесткость и форму; это самое распространенное в природе органическое вещество. Крахмал служит запасным пищевым фондом растений и содержится главным образом в семенах. В технике его получают из картофеля. Строение крахмала Крахмал – это полисахарид, состоящий из звеньев α,D-глюкопиранозы, соединенных между собой. Крахмал состоит из растворимой в воде части – амилозы, и нерастворимой части, которая называется амилопектин (рис. 22). Амилоза Амилопектин Рисунок 22 – Схема строения полисахаридов крахмала Молекулы амилозы имеют линейное строение и молекулярную массу до 200000; у амилопектина строение разветвленное и молекулярная масса до 1000000. Доля амилозы в крахмале около 20%, амилопектина – 80%. Амилозу можно обнаружить с помощью реакции с йодом: она дает синее окрашивание. В молекулах амилозы звенья глюкозы связаны между собой через 1-ю и 4-ю гидроксильные группы (рис. 23): Рисунок 23 – Строение участка молекулы амилозы Молекулы амилопектина имеют разветвленное строение, поскольку в них звенья ,D-глюкопиранозы связаны между собой не только через 1-ю и 4-ю гидроксильные группы, но и через 6-ю (рис. 24): Рисунок 24 – Строение участка молекулы амилопектина Крахмал представляет собой основной источник резервной энергии в растительных клетках. Главным образом крахмал используется в качестве пищевого продукта: картофель, пшеница, рис, кукуруза и т.д. Очень близок к крахмалу гликоген, другое название – животный крахмал. Он откладывается в печени и является резервным веществом для организма человека и животных. Полисахарид гликоген снабжает организм животных глюкозой при повышенных физических нагрузках, а также в промежутках между приемами пищи. Молекулы гликогена имеют еще более разветвленную структуру, чем амилопектин. Целлюлоза Целлюлоза является главным компонентом древесины и растительных волокон; например, хлопок представляет собой практически чистую целлюлозу. Она нерастворима в воде, не имеет вкуса и не проявляет восстанавливающих свойств. Молекула целлюлозы состоит из множества циклических звеньев D-глюкозы; в отличие от крахмала, эти звенья связаны между собой β-связями. Значение молекулярной массы, определяемое для целлюлозы, составляет от 250000 до 1000000 и более. Это означает, что молекула целлюлозы состоит не менее чем из 1000 – 1500 звеньев глюкозы. Условное строение цепи целлюлозы показано на рисунке 25: Рисунок 25 – Строение участка молекулы целлюлозы Длинные молекулы целлюлозы вытянуты и уложены пучками, причем они удерживаются одна возле другой межмолекулярными водородными связями, образующимися между множеством соседних гидроксильных групп. Пучки сплетены между собой подобно веревке и в древесине окружены лигнином, отчего древесина становится знакомой нам прочной и плотной массой. Лигнин – часть одревесневших растительных тканей, заполняющая вместе с гемицеллюлозами пустоты между фибриллами целлюлозы. В химическом плане лигнин представляет собой нерегулярный полимер с разветвленными макромолекулами, построенными в основном из остатков замещенных фенолоспиртов: транс-синапового (3,5-диметокси-4-гидроксикоричного), транс-кониферилового (3-метокси-4-гидроксикоричного) и транс-пара-кумарового (2-гидроксикоричного) соединенных между собой как углерод-углеродными, так и простыми эфирными связями. Для получения чистой целлюлозы из древесины используют специальные технологии для отделения ее от лигнина. Выделение целлюлозы в чистом виде основано на действии реагентов, растворяющих или разрушающих нецеллюлозных компонентов в жестких условиях. Эти процессы проводят в целлюлозно-бумажном производстве. К ним относятся, например, сульфатная варка (обработка водным раствором натриевой щелочи и сульфида натрия); сульфитная варка, включающая обработку гидросульфитами натрия, кальция, магния или аммония, содержащими свободный диоксид серы; щелочная варка и некоторые другие. Химическая модификация целлюлозы Целлюлоза представляет собой легко доступный и относительно дешевый полимер. Существует ряд реакций, протекающих по трем гидроксильным группам целлюлозы, имеющимся в каждом звене. Нитрование целлюлозы проводят смесью азотной и серной кислот; образуются сложные эфиры целлюлозы – нитраты. При этом в каждое звено может войти одна, две или три нитрогруппы. Полностью нитрованная целлюлоза называется пироксилин, или бездымный порох (рис. 26): Рисунок 26 – Строение звена тринитрата целлюлозы Часто ее называют нитроцеллюлозой и используют для изготовления пластмасс типа целлулоида, в производстве кино- и фотопленки и различных лаков. Недостатком всех этих продуктов является легкая воспламеняемость; при их горении образуются очень токсичные окислы азота. Ацилирование целлюлозы, так же как и нитрование, относится к реакциям образования сложных эфиров. При действии смеси уксусного ангидрида, уксусной кислоты и небольшого количества серной кислоты из целлюлозы образуется ее триацетат (рис. 27): Рисунок 27 – Строение звена триацетата целлюлозы В процессе ацилирования целлюлозы ее цепь расщепляется на фрагменты меньшего размера, по 200 – 300 звеньев глюкозы в каждом, при этом часть ацетатных групп подвергается гидролизу, так что в каждом звене остается примерно по две ацетатных группы. Такой продукт обычно называют ацетатом целлюлозы. Ацетат целлюлозы не горит, поэтому из него изготавливают негорючую кино- и фотопленку. Обладает растворимостью в ацетоне. Если продавливать раствор ацетата целлюлозы в ацетоне через тонкие отверстия (фильеры), то при быстром испарении ацетона образуются тончайшие волокна ацетатного шелка. Кроме ацетатов целлюлозы в промышленности получают и другие ацильные производные: ацетопропионаты, ацетобутираты, в которые кроме ацетатных групп СН3СОО вводят остатки пропионовой С2Н5СОО и масляной С3Н7СОО кислот. Эти производные широко используют в производстве этролов – эфироцеллюлозных пластмасс, гранулированных термопластичных материалов. При обработке целлюлозы концентрированной щелочью происходит замещение атома водорода на натрий в первичной спиртовой группе каждого остатка глюкозы. Образуется так называемая щелочная целлюлоза (рис. 28). Рисунок 28 – Строение звена щелочной целлюлозы При обработке щелочной целлюлозы водой снова регенерируется целлюлоза, но уже с измененной вторичной структурой; ее называют гидратцеллюлозой. Этот процесс называется мерсеризацией и используется в текстильной промышленности для придания тканям лучшего вида и лучшей окрашиваемости. Вискозное волокно получают следующим образом. Обрабатывают целлюлозу водным раствором едкого натра, а затем сероуглеродом CS2. При этом щелочная целлюлоза образует с сероуглеродом водорастворимое производное – ксантогенат целлюлозы, строение которого показано ниже (рис.29). Щелочной вязкий раствор ксантогената, называемый вискозой, продавливают через фильеры в ванну с разбавленным раствором серной кислоты, ксантогенат разлагается с образованием целлюлозы в виде тонких нитей вискозного шелка, или искусственного шелка, по свойствам близкого к натуральному. Рисунок 29 – Строение звена ксантогентата целлюлозы Если вискозу продавливать в кислотную ванну через узкую щель, то целлюлоза регенерируется в виде тонкой пленки, которую пластифицируют глицерином, получая прозрачный упаковочный материал - целлофан. Простые эфиры целлюлозы получают в промышленности, алкилируя целлюлозу алкилхлоридами в щелочной среде. Так получают, например, метиловый, этиловый и бензиловый эфиры целлюлозы, которые используют в производстве текстильных материалов, пленок и различных пластмасс. Например, для получения этилцеллюлозы обрабатывают щелочную целлюлозу хлористым этилом. При этом можно добиться разной степени алкилирования, в том числе образуется триэтилцеллюлоза (рис. 30): Рисунок 30 – Строение звена триэтилцеллюлозы Этилцеллюлоза (этоцел) нашла применение в производстве этролов, полиграфических красок, электроизоляционных пленок и лаков, а также для пленочного покрытия лекарственных препаратов. Метилцеллюлозу применяют для загущения водной среды. Метилцеллюлоза позволяет водонерастворимые вещества переводить в водной среде в устойчивое тонкодисперсное состояние, так как она образует гидрофильные мономолекулярные защитные слои вокруг отдельных частиц. Ценными свойствами метилцеллюлозы являются ее высокое связующее действие для пигментов, высокая адгезия в сухом состоянии и способность образовывать пленки. Эти интересные свойства используются при приготовлении водных малярных красок и клеящих веществ. В фармацевтической практике она используется в качестве обезжиренной основы для так называемых слизистых и эмульсионных мазей типа масло/вода, которые служат для защиты кожи от световых ожогов и для обработки ран. Кроме того, метилцеллюлоза служит самостоятельным лекарственным препаратом. Во всевозможных эмульсиях метилцеллюлозу применяют в качестве эмульгаторов и стабилизаторов для растительных масел. Очень широко используется она также в пищевой промышленности. Так, в производстве мороженого ее применение обеспечивает необходимую пышность, стабильность и вкус. Метилцеллюлоза используется в ароматических эмульсиях, подливах, фруктовых соках, консервах и т. д. Аналогичным методом получают бензилцеллюлозу (рис. 31), действуя на щелочную целлюлозу хлористым бензилом С6Н5СН2Сl. Рисунок 31– Строение звена бензилцеллюлозы Бензилцеллюлоза обладает высокой адгезией к различным поверхностям, высокой водостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Растворима в большом количестве растворителей. Бензилцеллюлоза – нетеплостойкий и неморозостойкий материал, однако имеет высокие химическую стойкость и пластичность. Бензилцеллюлоза применяется в основном для изготовления кабелей. Благодаря хорошей адгезионной способности бензилцеллюлоза широко используется для изготовления защитных покрытий и лаков. Бензилцеллюлозные растворы применяются для получения «вечных» обоев и декоративной моющейся бумаги. Из нее получают также прессовочные и литьевые композиции для производства водо- и щелочестойких изделий. Для получения -гидроксиэтилцеллюлозы обрабатывают щелочную целлюлозу этиленхлоргидрином: Полученная -гидроксиэтилцеллюлоза основное применение находит при производстве красок. Помимо этого используется в бытовой химии, косметике, например, для наращивания ресниц, входит в состав лечебных масок. Широко используется в строительной промышленности, в фармацевтике в составе пластырей и в таблетках как вспомогательное вещество, в химической и других отраслях. Карбоксиметилцеллюлоза, которая является простым эфиром целлюлозы, представляет собой белое твёрдое вещество. Наибольшее практическое значение имеет ее натриевая соль, растворимость которой в щелочах или в воде определяется степенью этерификации целлюлозы и условиями растворения. Получают карбоксиметилцеллюлозу взаимодействием целлюлозы с монохлоруксусной кислотой или с её натриевой солью в присутствии едкого натра. Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы присутствует на рынке нефтехимической промышленности в течение длительного срока. Тем не менее, этот полимер постоянно востребован в отраслях промышленности, связанных с бурением, где он применяется как загуститель и стабилизатор глинистых суспензий при бурении нефтяных и газовых скважин. Карбоксиметилцеллюлоза – это и добавка к синтетическим моющим средствам, препятствующая ресорбции загрязнений из моечного раствора на ткани, и флотореагент при обогащении медно-никелевых и калийных руд; и загуститель печатных красок. Это компонент клеевых композиций для обоев, загуститель и пластификатор обмазочных масс сварных электродов, загуститель зубных паст, косметических средств, пищевых продуктов (например, соков, муссов). Объем мирового производства карбоксиметилцеллюлозы превышает 150 тысяч тонн в год. При модификации целлюлозы возможно введение в ее молекулы путем алкилирования самых различных элементов, например, фосфора: Для этого, как показано на схеме выше, 2-О-ацетат целлюлозы обрабатывают ангидридом хлоруксусной кислоты, получая 2-О-ацетат-6-О-хлорацетат целлюлозы, который при действии триэтилфосфита образует 2-О-ацетат-6-О-диэтилфосфороацетат целлюлозы, который используют как антипиреновую (снижающую горючесть) добавку к волокнам. Такое многообразие продуктов алкилирования объясняется тем, что в зависимости от модифицирующей группы свойства целлюлозы существенно меняются. Разные алкилцеллюлозы обладают различными механическими свойствами, растворимостью в органических растворителях, отличаются по электропроводности. Гидролизный спирт получают путем кислотного гидролиза целлюлозы, которую берут в виде древесных отходов. После гидролиза образуется смесь целлобиозы и глюкозы, которую с помощью процесса брожения превращают в этанол: При этом лигнин остается, его называют гидролизным лигнином. Окисление целлюлозы может приводить к различным продуктам. Если в качестве окислителя используют тетраоксид азота N2O4 в среде органического растворителя, образуется целлуроновая кислота: В этом случае окислению подвергаются первичные спиртовые группы шестого углеродного атома в звеньях целлюлозы, длина полимерной цепи при окислении укорачивается из-за сопутствующего расщепления. Если окисление проводят в более жестких условиях, например, хромовым ангидридом, то окисляются не только первичные, но и вторичные спиртовые группы, причем циклические звенья могут расщепляться с образованием карбоксильных групп: Гемицеллюлозы Гемицеллюлозы – это полисахариды, содержащиеся наряду с целлюлозой и лигнином в клеточной стенке растений. Большинство гемицеллюлоз отличается от целлюлозы лучшей растворимостью в щелочах и способностью легко гидролизоваться кипящими разбавленными минеральными кислотами. В растениях гемицеллюлозы служат опорным конструкционным материалом и, возможно, резервным питательным веществом. Содержание гемицеллюлозы в древесине и других растительных материалах - соломе, шелухе семян, кукурузных кочерыжках и т.п. составляет 13-43%. Извлекают гемицеллюлозы обычно щелочными растворами непосредственно из растительных материалов или экстракцией диметилсульфоксидом из холоцеллюлозы (углеводного комплекса, остающегося после выделения из древесины лигнина). В отличие от целлюлозы макромолекулы гемицеллюлозы разветвлены и построены из пентоз (ксилозы, арабинозы) или гексоз (маннозы, галактозы, фруктозы); степень полимеризации 50-300; молекулярная масса значительно меньше, чем у целлюлозы. В древесине хвойных пород преобладают полисахариды, состоящие из гексоз (гексозаны, чаще смешанные глюко- и галактоглюкоманнаны), в лиственных – из пентоз (пентозаны, преимущественно ксилан и арабан). Если целлюлоза и крахмал построены исключительно из звеньев глюкозы, то молекулы гемицеллюлоз состоят из звеньев различных моносахаридов (моноз). Поэтому при полном гидролизе целлюлозы и крахмала образуется только глюкоза, а при гидролизе гемицеллюлоз – смесь различных пентоз и гексоз. Гемицеллюлозы легко гидролизуются разбавленными минеральными кислотами с образованием галактозы, ксилозы, арабинозы и уроновых кислот. В гидролизатах гемицеллюлозы наиболее часто встречаются следующие моносахариды: гексозы — D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза, D-фруктоза; пентозы — D-ксилоза, L-арабипоза; уроновые кислоты — D-глюкуроновая, D-галактуроновая, D-маннуроновая. Полисахариды, образующие при гидролизе только одну монозу, называются гомополисахаридами. Полисахариды, образующие при гидролизе смесь различных моноз, называются гетерополисахаридами. Следовательно, гемицеллюлозы относятся к гетерополисахаридам. Если участок цепи гемицеллюлозы состоит в основном из гексоз, например, из D-галактозы или D-маннозы, то такие полимеры называют гексозанами, в данном случае это галактан и маннан (рис. 32): Рисунок 32– Строение звеньев галактана и маннана На рисунке 32 показано, что элементарным звеном гексозана галактана является , D-галактопираноза, а гексозан маннан построен из звеньев , D-маннопиранозы. Аналогично пентозан ксилан состоит из звеньев , D-ксилопиранозы, а арабан – из ,L-арабофуранозы (рис. 33): Рисунок 33– Строение звеньев ксилана и арабана В гидролизной промышленности из пентозансодержащего сырья производят ксилозу, ксилит, фурфурол и его производные, этанол, кормовые дрожжи и т.д. В лесохимической промышленности при пиролизе древесины лиственных пород гемицеллюлозы служат источником получения метанола и уксусной кислоты. В бумажном производстве присутствие гемицеллюлозы в целлюлозе способствует набуханию и фибрилляции волокон и тем самым снижению энергозатрат и продолжительности размола древесины. Препараты, содержащие панкреатин, компоненты желчи и гемицеллюлозу применяют для лечения больных с острым и обострением хронического гепатита, у пациентов с острым и обострением хронического панкреатита, при язвенной болезни желудка и 12-перстной кишки, при воспалительных заболеваниях тонкой кишки. Это, например, фестал, мезим, нормоэнзим, дигестал, экзистал, панстал, тагестал и многие другие пищеварительные препараты. Гемицеллюлоза, входящая в состав этих препаратов, обеспечивает расщепление полисахаридов растительного происхождения (перевариваемой клетчатки). Декстраны Декстраны – это группа полисахаридов бактериального происхождения, полимеры D-глюкозы. Молярная масса достигает 10 млн. В линейной части молекулы декстрана остатки глюкозы соединены связями между 1 и 6-м атомами углерода; ветвление полимерной цепи обусловлено связями между 1 и 4-м, 1 и 3-м, 1 и 2-м атомами. На рисунке 34 показан только линейный участок декстрановой цепи, на котором звенья β,D-глюкопиранозы соединяются между собой 1-6 связями: Рисунок 34– Строение участка линейной цепи декстрана Боковые ветви молекулы состоят обычно из одного или двух остатков глюкозы, реже встречаются более длинные боковые цепи. Декстраны продуцируются разными видами бактерий семейства стрептококковых Streptococcaceae. Наиболее изучены декстраны, продуцируемые видами Leuconostoc mesenteroides и Leuconostoc dextranicum. В промышленности декстран получают выращиванием бактерий-продуцентов на среде, содержащей сахарозу, с последующим осаждением декстрана органическим растворителем. В Красноярске действует крупномасштабное производство декстрана на ОАО «Красфарма». Декстран с молекулярной массой 30-80 тыс. (содержит не менее 95% 1 - 6-связей) используют для приготовления плазмозаменителей противошокового и гемодинамического действия. Препарат обеспечивает нормальное осмотическое давление, соответствующее осмотическому давлению крови. В хроматографии используются модифицированные декстраны - так называемые сефадексы (молекулярные сита). Это декстраны, сшитые поперечными связями эпихлоргидрином, и их производные - сорбенты в гель-хроматографии, ионообменной и гидрофобной хроматографии и электрофорезе. Вопросы: 1. Крахмал, строение, амилоза и амилопектин. 2. Целлюлоза, строение, химическая модификация для получения волокон. 3. Эфиры клетчатки. 4. Гемицеллюлозы, декстраны. Модуль 2. «Терпены» ЛЕКЦИЯ 4. ТЕРПЕНЫ (2 часа) Строение и номенклатура терпенов. Классификация терпенов. Моноциклические терпены. Бициклические терпены. Трициклические терпены. Реакции присоединения (гидрирования, галогенирования, гидратации). Реакции дегидрогалогенирования, окисления. Реакции изомеризации. Производство камфоры. Борнеол. Эфирные масла, скипидар, канифоль. Терпенами называют непредельные углеводороды растительного происхождения состава C10H16. Терпены и их кислородные производные (спирты, альдегиды, кетоны, эфиры) весьма широко распространены в природе. Они содержатся в эфирных маслах, растительных смолах и бальзамах. Наряду с терпенами С10H16 и их кислородными производными в эфирных маслах и смолах присутствуют углеводороды составов C15H24, С20Нз2 и их кислородные производные. Первые называются сесквитерпенами (полуторатерпенами), вторые - дитерпенами. Из некоторых природных смол были выделены многочисленные кислородные производные тритерпенов С30Н48. Широко распространенные в природе каротиноиды являются представителями тетратерпенов С40Н64. Из молекулярных формул терпенов, сесквитерпенов, дитерпенов, тритерпенов легко видеть, что в общем виде их молекулярный состав можно выразить общей формулой (С5Н8)n, то есть формально их можно считать продуктами полимеризации изопрена C5H8. Поэтому сам изопрен часто называют гемитерпеном, или семитерпеном, что означает полутерпен. Собственно терпены C10H16 являются димерами изопрена, сесквитерпены — тримерами (С5Н8)3, дитерпены—тетрамерами (С5Н8)4, тритерпены—гексамерами (С5Н8)6 и, наконец, макромолекулярные углеводороды как, например, каучук, гуттаперча и балата, соответствующие формуле (С5Н8)n для которых n очень велико, могут называться политерпенами. В конце семидесятых годов прошлого столетия было уста­новлено, что углеродный скелет терпеновых углеводородов построен из изопреновых, или изопентановых групп. Последующие исследования строения терпенов позволили сформулировать так называемое изопреновое правило (Ружичка, 1921г.), согласно которому углеродный скелет моно­терпенов построен из изопреновых единиц, связанных друг с другом по принципу «голова к хвосту». Это правило оказало большую помощь при выяснении строения высших терпенов, их кислородных производных, каротиноидов и стероидов. Все соединения, углеродный скелет которых построен из изопреновых единиц, соединенных регулярно «голова к хвосту», называют изопреноидными соединениями. Изопреноидные соединения можно определить как био­генетически взаимосвязанные вещества. Изопреновое правило не только рассматривает с единой точки зрения строение этой группы веществ, но и предусматривает, что в живом организме они синтезируются из одного общего предшественника, или промежуточного соединения, содержащего изопентановую группировку. Однако изопреновое правило не следует понимать формально в том смысле, что биосинтез изопреноидов в действительности протекает с участием изопрена. Изопрен в природе не найден. В настоящее время можно считать доказанным, что действительным промежуточным соединением, содержащим изопентановую группировку, является изопентенилпирофосфат: Классификация терпенов Если собственно терпены (монотерпены) C10H16 действительно являются димерами изопрена, то, очевидно, они должны существовать в виде структурных и пространственных изомеров, ибо имеется множество различных вариантов соединения двух молекул изопрена по изопреновому правилу. Терпены, в зависимости от строения углеродного скелета, разделяются на четыре класса. 1. Алифатические терпены, или терпены жирного ряда, имеют открытую углеродную цепь и три двойные связи. 2. Моноциклические терпены содержат один цикл и две двойные связи, являются преимущественно производными циклогексана. 3. Бициклические терпены характеризуются наличием двух конденсированных циклов и одной двойной связи. 4. Трициклические терпены содержат три конденсированных цикла. Согласно систематической классификации органических соединений, терпены принадлежат к различным классам уг­леводородов. Эти соединения имеют целый ряд общих реакций взаимопревращений, связывающих алифатические моноциклические, бициклические и трициклические терпены. Благодаря практической важности многих терпеновых углеводородов, их вы­деляют в особую группу вопреки научной классификации. Алифатические терпены имеют ограниченное распространение в природе. В эфирных маслах обнаружены два алифатических терпена: мирцен (I) и оцимен (II). Они имеют один и тот же углеродный скелет и отличаются положением трех двойных связей: Мирцен находится в ряде эфирных масел, например, в масле цветов хмеля и в скипидаре из сосны обыкновенной. В эфирном масле, выделенном из листьев крымского сумаха, мирцен содержится в количестве 52%. Оцимен найден в масле базилика и других маслах. При нагревании оцимен превращается в изомерный алифатический терпен аллооцимен (III). Аллооцимен содержит три сопряженные двойные связи, в природе не обнаружен, он образуется при термической изомеризации -пинена. Моноциклические терпены можно рассматривать как производные углеводорода ментана. Они называются терпенами ряда ментана: Из этой группы терпенов в природе особенно распространены углеводород лимонен, спирты терпинеолы и ментол. Большинство моноциклических терпенов имеют углеродный скелет 1-метил-4-изопропилциклогексана (пара-ментана) и являются ментадиенами. Сам пара-ментан в природе не найден. Теоретически могут существовать 14 изомерных ментадиенов, отличающихся друг от друга расположением двойных связей. В различных эфирных маслах содержатся различные ментадиены (некоторые из них приведены ниже). Самым распространенным из них является лимонен. n-ментан -терпинен (1-метил-4-изопропилциклогексан) (1,3-n-ментадиен) лимонен (1,8(9)-n-ментадиен) - терпинен ( 1,4,-n-ментадиен) Лимонен имеет асимметрический атом углерода, а потому существует в виде d- и 1-изомеров, а также в ви­де рацемата -(d,l). d-Лимонен содержится в лимонном, тминном и других маслах, 1-лимонен  в масле еловых игл. Рацемический лимонен (дипентен) получается димеризацией изопрена при 300° С. Бициклические терпены разделяются на три группы: карана, пинана, борнана: Известно около двадцати раз­личных бициклических терпенов. В практическом отношении наибольшую ценность представляют -пинен, -пинен, 3-карен и камфен. Особенностью бициклических терпенов является склонность к изомерным превращениям с перестройкой цикла. Представителем терпенов ряда пинана является углеводород пинен — основная часть скипидара. Т. кип. 156° С. В - и -пинене содержится один шестичленный цикл (углеродные атомы 1—6) и один четырехчленный (1, 6, 5, 7); карен имеет шестичленное кольцо (1—6) и трехчленное (1, 6, 7); камфен содержит циклогексановое (1—6) и циклопентановое (1—4, 7 или 1, 7, 4—6) кольца. Эти терпены построе­ны асимметрично и обладают оптической деятельностью. Они входят в состав многих эфирных масел и составляют основ­ную массу большинства скипидаров. Наиболее распростра­ненным является -пинен. Трициклические терпены в при­роде не встречаются, получаются синтетически. Примерами трициклических терпенов могут служить трициклен (IV) и изоциклен (V). Простейший из них – трициклен получают окислением гидразона камфоры: гидразон камфоры трициклен (1V) Тетратерпены (каротиноиды) относятся к группе природныех веществ — каротинов. Близко примыкают к ним также стерины некоторые витамины и гормоны. Каротины — это природные пигменты с формулой С4оН56. Так, ликопин обусловливает окраску томатов, каротин — окраску моркови (ка­ротин существует в виде трех изомеров — ,  и ). ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРПЕНОВ Терпены обладают высо­кой реакционной активностью, которая обусловливается их химическим строением. Наличие в них двойных связей, трех- и четырехчленных циклов делают их способными вступать во многие реакции присоединения и окисления. 1. Реакция гидрирования В присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni) терпены при­соединяют водород. а) лимонен, присоединяя две молекулы водорода, превращается в n-ментан. лимонен п-ментан б) При диспропорционировании над платиной или палладием при 300°С дипентен дает ароматический углеводород цимол, а при гидрогенизации на тех же катализаторах — полиметиленовый угле­водород ментан. в) При гидрировании на катализаторах ( паладий или никель) - и -пинена образуется пинан. 2. Галогенирование терпенов Терпены легко присоединяют галогены по двойным связям лимонен тетрабромид лимонена 3. Гидрогалогенирование терпенов а) Галогеноводороды присоединяются к терпенам по правилу Марковникова лимонен дихлоргидрат лимонена б) Взаимодействие пинена с хлоридом водорода при охлаждении дает очень нестойкий пиненгидрохлорид (1), который уже при обычной температуре переходит в хлористый борнил (2). в) Влажный хлористый водород присоединяется к - и -пинену по двойной связи и по месту расщепления четырехчлен­ного цикла 4. Дегидрогалогенирование дигалогенопроизводных терпенов При обработке дихлоргидрата дипентена анилином образуется дипентен Дихлоргидрат дипентена дипентен (ментадиен) Сочетание двух последних реакций открывает возможность совершать переход от бициклических терпенов к моноциклическим. 5. Гидратация терпенов а) Гидратацией ментадиенов, лимоненов и пиненов разбавленной серной кислотой (около 60%) получают двухатомный спирт терпин, кристаллизующийся с молекулой воды в кристаллический продукт (терпингидрат). Из вышеуказанной схемы видно, что взаимодействие 60% -ной серной кислоты с -пиненом приводит не только к разрыву двойной связи, но и разрывает четырехчленный цикл. Вначале к терпенам, с соблюдением правила Марковникова присоединяется серная кислота, причем действие последней на - или - пинен сопровождается расщеплением циклобутанового кольца. Образовавшийся кислый эфир далее гидролизуется с образованием двухатомного спирта — терпина, дающего с одной молекулой воды молекулярное кристал­лическое соединение—терпингидрат. Терпингидрат применяется в медицине в качестве лекарственного препарата и в больших количествах расходуется для получения терпинеолов. При дегидратации терпина или терпингидрата с помощью серной или фосфорной кислоты получается смесь спиртов—терпинеолов: - и -Терпинеолы имеют сильный запах сирени, -терпинеол — запах гиацинтов, благодаря чему они применяются в парфюмерии. Главным потребителем терпинеолов является горнорудная промышленность, использующая их в качестве флотореагентов при обогащении медных руд. 6. Окисление терпенов Терпены очень легко окисляются кислородом воздуха, особенно под действием света. Процесс окисления имеет цепной свободно- радикальный характер и состоит в том, что молекулярный кислород присоединяется по месту расщепления углерод - водородной связи у атомов углерода, находящихся в -положении к двойной связи, с образованием гидроперекиси. В дальнейшем гидроперекиси подвергаются разложе­нию, взаимодействуют с исходными терпенами и в конечном итоге превращаются в смеси терпеновых спиртов, альдегидов, кетонов, кислот и других соединений. Карвеол, карвон, миртенол, миртеналь содержатся во многих эфирных маслах и используются в парфюмерии. 7. Изомеризация терпенов Наиболее характерной особенностью терпеновых углеводородов является чрезвычайно развитая склонность к изомеризационным превращениям, приводящим иногда к очень глубоким измене­ниям структуры исходного терпена. Эти изомеризационные превращения вызываются действием кислых реагентов, повышенной температурой, светом и, чаще всего, совершаются с боль­шой легкостью. а) Наиболее характерны реакции пинена, которые обычно идут с изомеризацией или разрывом цикла. Так при пропускании паров пинена над глинами происходит его изомеризация в камфен (Тищенко В. Е). б) При нагревании -пинена до температуры 200—250°С происходит его изомеризация в лимонен. В аналогичных условиях ментадиен образуется также из -пинена. в) Термическая изомеризация при более высокой температуре (350°С) происходит с раскрытием обоих циклов, и -пинен превращается в алифатический терпен—аллооцимен. альфа-пинен В тех же условиях -пинен изомеризуется в мирцен. Открытая академиком Б. А. Арбузовым термиче­ская изомеризация пиненов в аллооцимен и мирцен легла в основу синтеза душистых веществ алифатического дигидротерпенового ряда. г) -Пинен при нагревании с титановой кислотой или активи­рованными кислыми алюмосиликатами изомеризуется в камфен. ЛЕСОХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО Камфора — кристаллическое вещество с т. пл. 179°С. Обладает специфическим «камфорным» запахом. Может быть получена из скипидара несколькими способами. 1. Изомеризационный метод получения, разработанный под руководством академика В.Е.Тищенко Этот изомеризационный способ основан на выделении пинена, который изомеризуют в камфен, камфен превращают в эфир борнеола. Последний омыляют до борнеола и затем проводят дегидрирование. При действии на камфен уксусной или муравьиной кислот (с добавкой конц. H2S04) получают сложный эфир изоборнеола. Эфир омылением щелочью переводят во вторичный спирт—изоборнеол, который при последующем дегидрировании в присутствии медного катализатора превращается в кетон, называемый камфорой. Рисунок 49 – Схема получения камфоры из камфена методом В.Е.Тищенко Разработка и внедрение в промышленность изомеризационного способа синтеза камфоры, наряду с открытием термической изомеризации пиненов, является крупнейшим достижением химической науки в области терпенов. 2. Дегидрирование или окисление борнеола При дегидрировании на катализаторах (оксиды металлов) борнеола также образуется технический продукт — камфора. борнеол камфора Камфора содержится в древесине камфорного лавра. Выделяется из древесины перегонкой с водяным паром. В химических превращениях камфора ведет себя как обычный кетон. Камфора применяется при изготовлении целлулоида, в производстве бездымного пороха в качестве стабилизирующей добавки, в медицине для возбуждения сердечной деятельности. Борнеол Спирт борнеол является важнейшим представителем бициклических терпенов группы камфана. Борнеол получают из эфирного масла камфорных деревьев (Борнео). В масле сибирской пихты содержится борнилацетат (1). Омылением последнего получают борнеол (2): борнилацетат ( 1) борнеол (2) Борнеол существует в виде двух геометрических изомеров (борнеола и изоборнеола), каждый из которых может быть разделен на оптические изомеры. При дегидратации борнеол дает камфен. Присоединение воды к камфену дает изоборнеол: Эта перегруппировка получила название вагнеровской или кам-феновой перегруппировки первого рода. Точно так же отщепление хлористого водорода от хлористого борнила приводит к камфену, а присоединение хлористого водорода к камфену дает хлористый борнил. Эфирные масла Эфирные масла выделяют из цветов, листьев, плодов, корней и других частей многих растений перегонкой с водяным паром, извлечением растворителями или другими способами. Они представляют собой сложные смеси многих соединений. Состав этих смесей непостоянен и зависит от ботанического вида и возраста растений, от района их произрастания, климата и времени года. Основными веществами, входящими в состав эфирных ма­сел, являются терпены, сесквитерпены и их различные кислородные производные. Очень часто в эфирных маслах содержатся кислородные производные частично или полностью гидрированных форм терпенов, например, гераниол, цитраль, ментол, терпинеолы. Нередко эти вещества являются главными компонентами эфирного масла. В масле мяты содержится применяемый в медицине и пищевой промышленности ментол. Тпл. 42°С. Он обладает характерным запахом мяты. Большинство эфирных масел имеет сильный и приятный запах, некоторые из них обладают антисептическими свойствами и, поэтому находят достаточно разнообразное применение. Аромат многих цветов, смолистый запах хвойного леса, запах свежескошенного сена обязаны ничтожным дозам эфирного масла, накапливаемого растением в определенных органах. Эфирные масла применяются либо целиком, либо из них выделяют наиболее ценные компоненты. Подавляющая часть вырабатываемых масел потребляется парфюмерной, мыловаренной, фармацевтической и пищевой промышленностью для производства парфюмерно-косметических изделий, мыльных и пищевых отдушек, ряда фармацевтических пре­паратов и гигиенических средств. Среди эфирных масел особо важное значение имеет тер­пентинное масло, или скипидар, добыча которого составляет отдельную отрасль лесохимической промышленности. Скипидар Скипидаром называют масла, получаемые путем промышленной переработки живицы или смолистой, главным образом сосновой, древесины. В зависимости от происхождения и способа получения различают следующие виды скипидаров: 1. Живичный скипидар, или терпентинное масло, получается при перегонке сосновой или реже еловой и кедровой живицы с водяным паром. Живичный скипидар является лучшим из всех существующих видов скипидара. Основное количество живичного скипидара получается из живицы сосны обыкновенной. 2. Экстракционый скипидар получается извлечением смолистых веществ из пневого и стволового осмола бензином прямой гонки. Из экстракта отгоняют растворитель и далее, на канифолеварочной колонке с присадкой водяного пара, отделяют терпеновые компоненты от смоляных кислот. 3. Сульфатный скипидар является побочным продуктом производства целлюлозы сульфатным способом. 4. Сухоперегонный скипидар представляет собой очищенное от примесей масло, получаемое при сухой перегонке смолистой сосновой древесины. Скипидар получил достаточно широкое применение. Он используется как сырьё для синтеза камфоры, флотореагентов, многих душистых веществ, лекарственных препаратов, высококачественных смазок и других ценных соединений, а также в качестве добавки или растворителя лаков, смол и масляных красок. Канифоль Канифоль представляет собой в основном трудно разделимую смесь смоляных кислот. Она получается из живицы некоторых хвойных пород путем отгонки летучих с водяным паром терпеновых соединений или непосредственно из древесины извлечением органическими растворителями или щелочами при повышенной температуре. В зависимости от способа получения канифоль подразделяется на живичную, экстракционную и талловую. Живичная канифоль получается, главным образом, из сосновой живицы. Экстракционную канифоль получают из пневого и стволового осмола извлечением смолистых веществ бензином. Талловая канифоль выделяется при фракционной перегонке таллового масла, которое является побочным продуктом при получении сульфатной целлюлозы. Смоляные кислоты — главные компоненты живицы и канифоли. Они представляют собой дитерпеновые кислоты, молекулярный состав которых выражается формулой С20 Н30О2 или C19Н29COOH. Эти кислоты, по типу связей в них, подразделяются на две группы: абиетинового и пимарового типа: а) пимаровый тип декстропимаровая б) абиетиновый тип абиетиновая кислота палюстровая кислота неоабиетиновая кислота левопимаровая кислота Кислоты абиетинового типа весьма чувствительны к окислению атмосферным кислородом и легко изомеризуются под действием тепла и кислых реагентов, в то время как кислоты пимарового типа относительно устойчивы к этим воздействиям. Различие в реакционной способности этих двух типов смоляных кислот является следствием различного их химического строения. Кислоты абиетинового типа имеют в положении 7 одну изопропильную группу, а у кислот пимарового типа в том же положении находятся два радикала: метил и винил. В отличие от кислот пимарового типа у кислот абиетинового типа двойные связи являются сопряженными. При переработке живицы на скипидар и канифоль смоляные кислоты, неоднократно подвергаясь действию повышенной температуры, изомеризуются. Вследствие этого химический состав кислотной части живицы и канифоли отличается. Левопимаровая кислота в процессе переработки живицы почти полностью изомеризуется и переходит в основном в абиетиновую кислоту, поэтому количество последней в канифоли сильно возрастает. Канифоль в настоящее время имеет весьма широкий круг потребителей. Главными потребителями являются целлюлозно-бумажная, мыловаренная, лакокрасочная, электротехническая промышленность и промышленность синтетического каучука. Канифоль применяется в качестве клея для проклейки бумаги, как эффективная добавка к мылу и лакам, в производстве пластификаторов, сиккативов, искусственной олифы и электроизоляционных материалов. Канифоль применяется в качестве эмульгатора при полимеризации дивинила, в производстве консистентных смазок, креолина, линолеума и других материалов. Вопросы: 1. Строение и номенклатура терпенов. 2. Реакции присоединения терпенов (гидрирования, галогенирования, гидратации). 3. Синтез спиртов и синтетической камфоры. 4. Смоляные кислоты пимарового и абиетинового типа. Канифоль. 5. Эфирные масла. Скипидар. Модуль 3. Нефть Лекция 5. Нефть (2 часа) Физические свойства Ароматические и неароматические компоненты нефти (арены, алканы, циклопарафины) Перегонка нефти Крекинг Пиролиз Природными источниками предельных углеводородов служат разнообразные продукты, из которых наиболее важны природные горючие газы, нефть. Природные горючие газы представляют собой смеси газообразных углеводородов; они содержатся земной коре, образуя иногда огромные газовые месторождения. Кроме того, горючие газы сопутствуют нефти (природный нефтяной газ) и часто в больших количествах выделяются из скважин в процессе нефтедобычи (попутный нефтяной газ). Главная составная часть природных газов – метан. Нефтяной газ наряду с метаном содержит этан, пропан, бутан и изобутан. Содержание углеводородов неодинаково для газов различных месторождений. Природные газы – дешевое и эффективное топливо, используемо как в промышленности, так и в быту. Кроме того, они служат ценным химическим сырьем. Особенно перспективно в этом отношении использование попутного нефтяного газа: содержащиеся в нем углеводороды являются исходными веществами для получения синтетического каучука, пластических масс и других синтетических материалов. Нефть и ее переработка Нефть – природное ископаемое, представляющее собой сложную смесь органических веществ, главным образом углеводородов. Она является ценнейшим продуктом, с использованием ее связаны самые разнообразные отрасли хозяйства. Состав нефти неодинаков в различных месторождениях. Некоторые нефти содержат значительные количества ароматических углеводородов. Нефть содержит как жидкие, так и растворенные в ней твердые и в некотором количестве газообразные углеводороды. При большом содержании последних нефть иногда под давлением газов фонтанирует из буровых скважин. Путем перегонки из нефти получают продукты различного назначения. Главный способ переработки нефти – фракционирование (перегонка), при котором (после предварительного удаления газов) выделяют следующие основные нефтепродукты: • Бензин (сырой) (С5-С12), Ткип. 35-195 оС. • Лигроин (смесь углеводородов), Ткип. 120-235 оС. • Керосин (С9-С16), Ткип. 200-300 оС. • Газойль (С15-С20), Ткип. 220-450 оС. • Нефтяные остатки (мазут). Бензиновая фракция содержит углеводороды с 5-12 атомами углерода. Повторными разгонками из нее выделяют петролейный или нефтяной эфир (Ткип. 40-70 оС), бензины различных назначений – авиационный, автомобильный (Ткип. 70-120 оС) и другие. Керосиновая фракция содержит углеводороды с 9-16 углеродными атомами, а нефтяные остатки (мазут) – смесь высших углеводородов. Из мазута при температуре выше 300 оС отгоняется некоторое количество не разлагающихся при этой температуре продуктов, которые называют соляровыми маслами и применяют в качестве различных смазочных средств. Кроме того, из мазута путем очистки, перегонки под уменьшенным давлением или с водяным паром получают и такие ценные продукты, как вазелин и парафин (последний представляет собой смесь твердых углеводородов, которыми особенно богаты некоторые сорта нефти). Остаток после переработки мазута – так называемый гудрон применяют для покрытия дорог. Мазут используют и непосредственно как топливо. Наиболее ценными для современной техники продуктами переработки нефти являются бензины. Однако, при прямой перегонке из нефти получается лишь 20% (в зависимости от сорта и месторождения нефти) бензиновой фракции. Выход ее может быть увеличен до 60-80% при помощи крекинга высших нефтяных фракций. Первая установка по крекингу нефти была построена в 1891г. в России инженером В.Г. Шуховым. В настоящее время различают следующие основные типы крекинга: • жидкофазный, при котором сырье (мазут) подается в печи крекинга в жидком виде; • парофазный, когда сырье подается в виде паров; • каталитический, при котором сырье разлагается на специальных катализаторах. В зависимости от типа крекинга получаются крекинг-бензины, отличающиеся по составу и имеющие различные назначения. При крекинге наряду с жидкими бензиновыми углеводородами получаются более простые газообразные, главным образом непредельные углеводороды. Они образуют так называемые газы крекинга (до 25% от крекируемого нефтепродукта). Последние являются ценным промышленным источником непредельных углеводородов. ЛЕКЦИЯ 6. Серосодержащие соединения Тиолы. Номенклатура, химические свойства. Тиоэфиры. Тиокарбонильные соединения. Сульфены и их производные. Сульфины. Тиолы Тиолы или меркаптаны - органические вещества, сернистые аналоги спиртов, имеющие общую формулу RSH, где R — углеводородный радикал, например, метантиол (метилмеркаптан) (CH3SH), этантиол (этилмеркаптан) (C2H5SH) и т. д. Меркаптаны получили своё название за способность связывать ионы ртути (от лат. corpus mercurio captum). Физические свойства Полярность связи S-H значительно ниже, чем полярность связи O-H, в результате водородные связи между молекулами тиолов значительно слабее, чем у спиртов, и вследствие этого их температура кипения ниже, чем у соответствующих спиртов. Таблица 1 – Температура кипения тиолов и соответствующих спиртов Тиол, R-SH Температура кипения, °C Спирт, R-OH Температура кипения, °C H2S - 61 H2O 100 CH3SH 6 CH3OH 65 C2H5SH 37 C2H5OH 78 C6H5SH 168 C6H5OH 181 Тиолы малорастворимы в воде, но хорошо растворяются в этаноле, эфире и других органических растворителях. Низшие алифатические тиолы являются жидкостями с отвратительным запахом, причём их запах чувствуется в чрезвычайно низких концентрациях 10−7-10−8 моль/л. Это свойство используется для одорирования бытового газа - добавка меркаптанов к газу позволяет обнаруживать утечки газа в помещениях. Синтез тиолов Старейшим методом получения тиолов является алкилирование гидросульфидов щелочных металлов с первичными и вторичными алкилгалогенидами, в качестве алкилирующих агентов также могут выступать алкилсульфаты или алкилсульфонаты. Реакция идёт по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения SN2 и проводится обычно в спиртовых растворах, поскольку тиолят-ионы также являются сильными нуклеофилами, побочной реакцией является их дальнейшее алкилирование до сульфидов, снижающее выход тиолов; для повышения выхода необходимо использовать большой избыток гидросульфида: RX + SH− RSH + X− RSH + SH− RS− + H2S RS− + RX R2S + X− (X = Cl, Br, I, ROSO3, RSO3) Алкилирование ксантогенатов с последующим гидролизом - метод, позволяющий получить тиолы без побочного образования сульфидов: C2H5CS2K + RX C2H5CSSR C2H5CSSR + H2O RSH + C2H5OH + CSO или тиоацетатов: CH3COSK + RX CH3COSR + KX CH3COSR + H2O RSH + CH3COOH В условиях кислотного катализа сероводород может присоединяться к алкенам с образованием тиолов: (CH3)2C=CH2 + H2S (CH3)3CSH Модификацией этого метода является присоединение тиоуксусной кислоты к алкенам с дальнейшим гидролизом образовавшегося алкилтиоцетата: RCH=CH2 + CH3COSH RCH2CH2SOCCH3 RCH2CH2SOCCH3 + OH− RCH2CH2SH + CH3COO− Ароматические тиолы могут быть синтезированы восстановлением производных ароматических сульфокислот, так, например, тиофенол синтезируется восстановлением бензолсульфохлорида цинком в кислой среде: Ароматические тиолы также могут быть синтезированы взаимодействием арилдиазониевых солей с гидросульфидами: Общим методом синтеза алифатических и ароматических тиолов является взаимодействие реактивов Гриньяра с серой: RMgX + S RSMgX RSMgX + H2O RSH Химические свойства Тиолы обладают слабыми кислотными свойствами, с металлами образуют тиоляты (меркаптиды). Являются значительно более сильными кислотами, чем соответствующие спирты. 2 R-SH + 2 Na → R-SNa + H2 Таблица 2 – константа диссоциации тиолов Тиолят-анионы высоконуклеофильны, и многие реакции замещения водорода группы -SH протекают через промежуточное образование тиолятов. Так, тиолы алкилируются под действием алкилгалогенидов с образованием сульфидов: RS- + R1Hal RSR1 + Hal- Тиолы в присутствии оснований (пиридина, третичных аминов) ацилируются с образованием соответствующих тиоэфиров карбоновых кислот (S-ацилпроизводных): Нитрозирование тиолов азотистой кислотой или нитрозилхлоридом ведёт к неустойчивым окрашенным нитрозилтиолам (тионитритам): RSH + HNO2 RSNO + H2O Эта реакция используется как качественная реакция на тиолы. Тиолы вступают в реакции присоединения к ацетиленовым, этиленовым и алленовым углеводородам. Реакция может протекать по нуклеофильному, электрофильному либо радикальному механизму. При взаимодействии тиолов с альдегидами или кетонами в кислой среде образуются тиоацетали или тиокетали – аналоги соответствующих кислородных соединений. Окисление: Тиолы окисляются самым широким спектром окислителей (кислород, пероксиды, оксиды азота, галогены и др.). Мягкие окислители (йод, алифатические сульфоксиды, активированный диоксид марганца и т. п.) реагируют с тиолами с образованием дисульфидов: 2RSH RSSR, которые, в свою очередь, при реакции с хлором образуют тиохлориды: RSSR' + Cl2 → RSCl + R’SCl При действии более жёстких окислителей (например, перманганата калия или оксидов хрома) сначала образуются сульфиновые кислоты и далее — сульфокислоты: RSH + KMnO4 → [RSO2H] + KMnO4 → RSO3H В случае окисления тетраацетатом свинца (CH3COO)4Pb в присутствии спиртов окисление идёт с образованием сульфинатов — соответствующих эфиров сульфиновых кислот: В присутствии воды тиолы окисляются хлором до соответствующих сульфонилхлоридов: RSH + H2O + Cl2 → RSO2Cl Биологическая роль Смесь тиолов содержится в веществе, выделяемом скунсами, а также в продуктах гниения белков. Пропил сульфид С3Н7SH определяет антисептическое действие лука. Аминокислота цистеин содержащая меркаптогруппу, входит в состав многих белков, окисление цистеина с образованием дисульфидных мостиков в ходе посттрансляционной модификации белков является важнейшим фактором при формировании их третичной структуры, высокая механическая прочность кератинов обусловлена, в том числе, и высокой степенью сшитости за счёт образования большого количества дисульфидных мостиков: так, например, содержание цистеина в кератине волоса человека, составляет ~14 %. Трипептид глутатион, в состав которого также входит цистеин, является коферментом глутатионпероксидаз и играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах в живых организмах. Применение За счёт сильного неприятного запаха тиолы, в частности, этантиол, используются для добавления во вредные газы, не имеющие запаха, для обнаружения утечки. Согласно правилам Ростехнадзора, запах этантиола в одорированном природном газе появляется при концентрации последнего не более 20 % (об.) от нижнего предела взрываемости. На основе сераорганических соединений, содержащих дисульфидные группировки –S–S–, созданы полимеры – полисульфидные каучуки (промышленное название – тиоколы), которые получают поликонденсацией дигалогенпроизводных алифатических соединений Cl–R–Cl [R = (CH2)2, (CH2)3] и дисульфида натрия Na2S2, в результате образуются полисульфиды [–R–S–S–]n. Такие каучуки при добавлении окислителей (например, бихроматов) образуют сшитые резиноподобные материалы – вулканизаты, которые по прочности уступают обычным каучукам, но превосходят их по бензо- и маслостойкости, а также по атмосферостойкости, они не теряют механических свойств при действии влаги, смене температур и воздействии солнечной радиации. Это позволяет применять их при изготовлении бензо- и маслопроводов как внутренние покрытия резервуаров для хранения топлива, для герметизации швов между бетонными панелями при строительстве домов и как надежную шпатлевку для лодок и яхт. Тиоэфиры Тиоэфиры (органические сульфиды) — класс сераорганических соединений, строение которых выражается общей формулой: Физические свойства Тиоэфиры — жидкости или легкоплавкие твёрдые вещества. В отличие от тиолов, хорошо очищенные тиоэфиры не обладают запахом и не токсичны, но некоторые их галогенпроизводные ядовиты, например, отравляющее вещество иприт (ClCH2CH2)2S Получение тиоэфиров Реакции меркаптанов с галогенуглеводородами: R-S-H + Cl-R1 → R-S-R1 +HCl Реакции меркаптанов с алкенами: R-S-H + CH2=CH-R1 → R-S-CH2-CH2-R1 Взаимодействие ароматических соединений с хлористой серой Химические свойства тиоэфиров Тиоэфиры подобно своим аналогам простым эфирам, могут образовывать донорно-акцепторные связи за счет неподеленных пар электронов у атома S, при этом получаются комплексные соединения, например, в результате присоединения к тиоэфирам алкилхлоидов. R2S + R1Cl → [R2S: R1]+ Cl- При действии слабых окислителей (пероксид водорода) тиоэфиры окисляются до сульфоксидов (соединений, содержащих группировку >S=O), взаимодействие с более сильными окислителями (KMnO4, HNO3) переводит их в сульфоны, представляющие собой серную кислоту с двумя органическим заместителями. Тиокарбонильные соединения Тиоальдегиды и тиокетоны — сераорганические соединения, аналоги альдегидов и кетонов, в которых атом кислорода замещен атомом серы. При названии таких соединений добавляется приставка тио- к соответствующему названию кислородсодержащего соединения. Для вышеприведенных структур – тиоэтаналь и диэтил тиокетон (диэтилтион). Полярность связи С=S ниже, а поляризуемость выше, чем у связи С=O кетонов и альдегидов, поляризуемость обуславливает и поглощение тиокарбонильной группы в видимом спектре: многие алифатические тиокетоны окрашены в жёлтый цвет, ароматические за счёт сопряжения имеют более глубокую окраску. Тиокарбонильные соединения очень реакционноспособны и обычно циклоолигомеризуются в момент получения. Так тиоэтаналь образует при циклизации триэтантиотриаль: Диметилтион циклизуется в трипропантиотрион: Тиокарбонильные соединения, у которых тиокарбонильная группа сопряжена с двойной связю или ароматическим ядром (ароматические, гетероциклические и β-функциональные α,β-ненасыщенные тиоальдегиды и тиокетоны), как правило устойчивы при нормальных условиях. Такие соединения можно получить действием сероводорода на кетимины: Химические свойства Тиокетоны и тиоальдегиды, подобно кислородсодержащим карбонильным соединениям, с нуклеофильными агентами (вода, спирты, амины) образуют продукты присоединения по тиокарбонильному атому углерода: При взаимодействии тиокарбонильных соединений с азотсодержащими веществами, реакция идет с отщеплением сероводорода, с образованием соответствующего азотсодержащего соединения. Так тиоэтаналь при взаимодействии с фенилгидразином образует фенилгидразонэтаналь: Тиокетоны способны к тион-ентиольной таутомерии: Содержание в равновесной смеси ентиольных таутомеров изменяется от ~ 0% для тиоацетона, тиокамфоры, 3,3-диметилбутантиона-2 до ~ 100% для циклогексантиона и тиоментона. Ентиольные таутомеры с электрофилами реагируют (в частности, алкилируются алкилгалогенидами) по SH-группе енольной формы: RCH=CR’SH + R''Hal RCH=CR’SR'' Тиокарбоновые кислоты Оганические вещества, аналоги карбоновых кислот, в котором один либо оба атома кислорода заменен на атомы двухвалентной серы: монотиокарбоновые кислоты RC(=O)SH (тиольная форма) либо RC(=S)OH (тионовая форма) и дитиокарбоновые кислоты RC(=S)SH Монотиокарбоновые кислоты - желтоватые жидкости с сильным неприятным запахом. Температуры кипения у низших около 50 °C, у высших — около 100 °C. Монотиокарбоновые кислоты существуют в виде смеси двух таутомерных форм — тиольной R-CO-SH и тионной R-CS-OH с преобладанием тиольной. Из-за меньшей энергии водородных связей с участием атомов серы температуры кипения тиокарбоновых кислот ниже, чем у кислородных аналогов. Низшие дитиокарбоновые кислоты - желто-красные жидкости с отвратительным запахом, на воздухе легко окисляющиеся до бис-(тиоацил)дисульфидов RC(S)S-SС(S)R. Получение тиокарбоновых кислот Общий метод синтеза тиокарбоновых кислот - взаимодействие сероуглерода CS2 (дитиокарбоновые кислоты) либо сульфоксида углерода COS с реактивами Гриньяра либо с анионами CH-кислот: X = S (дитиокарбоновые кислоты), X = O (монотиокарбоновые кислоты) Другим методом синтеза является взаимодействие карбоновых кислот с пентасульфидом фосфора, ведущее сначала к образованию монотиокарбоновых, и, затем, дитиокарбоновых кислот: Дитиокарбоновые кислоты также могут быть синтезированы взаимодействием тригалогенметильных соединений с гидросульфидами щелочных металлов: Химические свойства Гидролиз тиокарбоновые кислот: СH3COSH+H2O → CH3COOH+H2S Тиокарбоновые кислоты также алкилируются и ацилируются многими алкилирующими агентами, присоединяются к алкенам и алкинам с образованием тиоэфиров, реагируют с альдегидами с образованием дитиоацеталей. Наиболее широкое применение имеют производные тиокарбоновых кислот - тиоамиды RC(=S)NH2. Они широко используются в синтезе гетероциклических соединений, в частности, синтезе тиазолов из α-галогенкарбонильных соединений по Ганчу: Сульфеновые кислоты и их производные Сульфеновые кислоты, соединения общей формулы RS-ОН, где R-opганический остаток. Сульфеновые кислоты - нестабильные соединения; стабильность повышается при образовании водородных связей с участием группы SOH, а также при наличии электроноакцепторных заместителей у атома С, соседнего с группой SOH. Этим объясняется устойчивость антрахинонсульфеновых кислот, содержащих группы SOH в положениях 1, 1,4 или 1,5; аниона 2-нитробензолсульфеновой кислоты: Сульфеновые кислоты называют, как правило, добавляя к названию соединения-основы окончание "сульфеновая кислота": С2Н5-S-ОН - этансульфеновая кислота. Получают сульфеновые кислоты расщеплением дисульфидов: термическим разложением сульфоксидов, содержащих трет-алкильные радикалы: Наиболее известны устойчивые производные сульфеновых кислот: эфиры RSOR', соли (R-S-O)2Zn (сульфенаты), галогенангидриды RSHal (сульфенилгалогениды), сульфенамиды RSNR' и др. Галогенангидриды сульфеновых кислот получают действием галогенирующих агентов на тиолы: Также сульфенилгалогениды получают расщеплением дисульфидов: Сульфенилгалогениды вступают в реакции нуклеофильного замещения. При взаимодействии с цианидами получают алкилтиоцианаты: СН3SCl + KCN → CH3SCN + KCl Взаимодействие этансульфенилхлорида с гидросульфитом калия позволяет получить этилтиосулльфат калия: С2Н5SCl + KHSO3 → C2H5SSO3K + HCl При взаимодействии сульфенилгалогенидов с тиолами образуются дисульфиды: Производные сульфеновой кислоты способны вступать в реакции электрофильного присоединения к ненасыщенным углеводородам с образованием тиоэфиров: СН2 = СН2 + СН3 – S – Cl → Cl – CH2 – CH2 – S – CH3 Биологическая роль. Сульфеновые кислоты - интермедиаты разнообразных химических и биохимических процессов, в т.ч. процессов окисления тиольных групп в белках, фотосинтеза, термического разложения сульфоксидов. Применяют сульфеновые кислоты и их производные в качестве добавок к моторным топливам, полупродуктов в синтезе гербицидов, лекарственных препаратов. Сульфиновые кислоты и их производные Сульфиновые кислоты – соединения общей формулы RSOOH, где R-opганический остаток. Алифатические сульфиновые кислоты - малоустойчивые жидкости, ароматические - твердые вещества. Сульфиновые кислоты называют, добавляя к названию соединения основы окончание "сульфиновая кислота", например бутансульфиновая кислота. Если в соединении присутствует другая группа, имеющая приоритет, к названию соединения-основы добавляют префикс "сульфино", например 4-сульфино-1-нафтойная кислота. Получают сульфиновые кислоты восстановлением производных сульфокислот, чаще всего сульфонилгалогенидов. В качестве восстановителей используют порошок Zn в нейтральной или основной среде, Fe, Na-Hg, Mg, Ca, Al, SnCl2 и др., а также анионные нуклеофилы, например сульфиты, сульфиды, тиолаты, гидриды и т.д.: Сульфиновые кислоты образуются при окислении тиолов разбавленной Н2О2 или дисульфидов галогенами, при расщеплении сульфонов алкоголятами щелочных металлов: По кислотности сульфиновые кислоты занимают промежуточное положение между соответствующими сульфокислотами и карбоновыми кислотами. Сульфиновые кислоты обладают всеми характерными свойствами кислот: образуют эфиры RS(O)OR' и соли (сульфинаты), галогенангидриды RSOHal (сульфинилгалогениды), сульфинамиды RSONR'2 и др. В водных растворах сульфиновые кислоты полностью диссоциированы. При стоянии или нагревании диспропорционируют на сульфокислоты и S-эфиры тиосульфокислот: 3 RSOOH → RSO2OH + RSO2SR + Н2О Вопросы: 1. Номенклатура тиолов. Написать формулу пропантиола. 2. Кислотные свойства тиолов. 3. Сульфиды, сульфены, сульфины. 4. Тиокарбоновые кислоты. Модуль 4. Белки. Нуклеиновые кислоты (2 часа) ЛЕКЦИЯ 7. АМИНОКИСЛОТЫ Общие представления об аминокислотах и белках. Номенклатура и стереоизомерия аминокислот. Способы получения аминокислот. Основные реакции аминокислот. Различное отношение аминокислот к нагреванию. Пептидный синтез, олигопептиды. Полипептидные цепи как основа белков. Классификация белков. Цветные реакции на белки. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура белка. Белки, или иначе протеины, получили свое название от греческого слова протео, что означает первичный. Из всех химических соединений белки, пожалуй, наиболее важны, так как они являются основой всего живого. Белки составляют существенную часть каждой живой клетки, обеспечивают жизнедеятельность организмов. Из белков главным образом состоят кожа, мышцы, сухожилия, нервы, компоненты крови, ферментов, антител, гормонов. С точки зрения химии, белки представляют собой полимерные вещества, которые состоят из звеньев α-аминокислот, связанных между собой амидными связями. В состав одной молекулы белка может входить от нескольких сотен до тысяч остатков аминокислот. Известно более двадцати аминокислот, которые участвуют в построении белковых молекул в разных комбинациях. Число возможных комбинаций, образуемых остатками аминокислот в молекуле белка, а следовательно, и число различных белковых молекул огромно, почти бесконечно. Сначала нам следует познакомиться с химией аминокислот, а затем кратко рассмотреть, как из них строятся белковые молекулы. Аминокислоты Аминокислотами называются органические соединения, содержащие в молекуле карбоксильную и аминогруппы. В зависимости от взаимного расположения этих групп, различают α, β, γ-аминокислоты и др. Ниже приведены примеры некоторых аминокислот и даны их названия по различным номенклатурам. NН2СН2СООН – аминоэтановая к-та (м.н.), аминоуксусная к-та (р.н.) глицин, гликокол (тривиальные названия). (Здесь и ниже м.н. означает международную номенклатуру IUPAC, р.н. – рациональную номенклатуру; тривиальные, т.е. исторически сложившиеся названия чаще всего применяются для α-аминокислот. СН3СН(NН2)СООН – 2-аминопропановая к-та, α-аминопропионовая к-та, аланин. Как глицин, так и аланин относятся к α-аминокислотам, поскольку аминогруппа находится у атома углерода, соседнего с карбоксилом. К β-аминокислотам относится 3-аминопропановая кислота: NH2СН2СН2СООН, которую по р.н. называют β-аминопропионовая кислота. 4-аминобутановая, или γ-аминомасляная кислота относится к γ-аминокислотам: NH2СН2СН2СН2СООН Наиболее важными из всех аминокислот являются α-аминокислоты, так как именно из их остатков построены молекулы белков. Заметим при этом, что в молекулах всех α-аминокислот (кроме глицина) имеется асимметрический атом углерода. Следовательно, для этих соединений появляется возможность стереоизомерии, т.е. для каждой молекулы α-аминокислоты существует зеркальный двойник, или энантиомер (подробнее вопросы стереоизомерии, отнесения изомеров к D- или L- ряду, а также R,S- конфигурации рассмотрены в разделе «Углеводы») На рис. 35 изображены стереоизомеры аланина (α-аминопропионовой кислоты) в верхнем ряду – тедраэдрические модели, в нижнем ряду они же изображены с помощью проекционных формул Фишера: Рисунок 35 – Стереоизомеры аланина Следует отметить, что белки состоят исключительно из молекул левых изомеров аминокислот (L-аминокислот). В тех случаях, когда в аминокислоте имеется не один, а два или более хиральных центров, отнесение к D- или L-ряду ведут по хиральному атому, ближайшему к карбоксильной группе, т.е. по -углеродному атому. Так, на рисунке 36 аминокислота треонин отнесена к L-ряду, т.к -атом имеет левую, то есть S-конфигурацию, хотя -углеродный атом имеет R- конфигурацию: Рисунок 36 – Конфигурация треонина Ниже показаны формулы аминокислот, входящих в состав белков: Рисунок 37 – Формулы аминокислот с тривиальными названиями Приведенные на рис. 37 тривиальные названия аминокислот ничего не говорят об их строении. Это неудобно, так как приходится запоминать все эти названия и структуры для каждой аминокислоты. Однако тривиальные названия уже прочно вошли в обиход биохимии и органической химии, хотя логичнее было бы использовать международную номенклатуру (IUPAC). Некоторые из приведенных на рисунке аминокислот называют незаменимыми. Незаменимыми называются аминокислоты, которые не могут быть синтезированы организмом из веществ, поступающих с пищей. Принято считать незаменимыми для организма человека следующие аминокислоты: изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин. Способы получения α-аминокислот α-Аминокислоты получают тремя основными способами, хотя, учитывая важность этих веществ, разработано много способов их синтеза. 1. Действием аммиака на соли галогензамещенных кислот: 2. Из альдегидов последовательным действием синильной кислоты и аммиака: 3. Гидролизом белков получают смесь примерно 20 различных аминокислот. Задача состоит в том, чтобы разделить образующуюся смесь. Обычно удается выделить те аминокислоты, которые присутствуют в большем количестве, чем другие. Способы получения β-аминокислот 1. Наиболее важными способами являются получение β-аминокислот из непредельных кислот и из малоновой кислоты: Присоединение аммиака к акриловой (пропеновой) кислоте приводит к β-аминопропионовой (3-аминопропановой) кислоте. Следует отметить, что присоединение к непредельным кислотам идет не по правилу Марковникова. 2. При реакции малоновой кислоты с альдегидами и аммиаком (В. М. Родионов), также образуются β-аминокислоты: Способы получения других аминокислот Они заключаются, например, в действии аммиака на галогенозамещенные кислоты; иногда восстанавливают мононитрилы двухосновных кислот до аминокислот; в некоторых случаях используют перегруппировку Бекмана. Физические свойства аминокислот Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Хорошо растворимы в воде, реакция водных растворов почти нейтральна. Эти и некоторые другие свойства аминокислот объясняются особенностью их строения. Аминокислоты существуют в виде внутренних солей (биполярных ионов или цвиттер-ионов): ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ 1. Кислотно-основные свойства, изоэлектрическая точка. Рассмотрим, какие изменения происходят с биполярным ионом аминокислоты при подкислении или подщелачивании ее водного раствора на примере глицина: Б А В При подщелачивании среды протон отрывается от аммонийной группы цвиттер-иона А и аминокислота превращается в анион Б. Напротив, при подкислении среды происходит протонирование карбоксилат-аниона и биполярный ион А переходит в катион В. Таким образом, в кислой среде аминокислоты полностью существуют в виде катионов; если поместить такой раствор в постоянное электрическое поле, аминокислота будет мигрировать к катоду. В щелочной среде, где аминокислоты представляют собой анионы, они будут перемещаться к аноду. Существует, однако, такое промежуточное значение рН раствора, при котором аминокислота полностью существует в виде биполярного иона А; при этом аминокислота не будет двигаться в электрическом поле ни к катоду, ни к аноду. Значение рН раствора, при котором данная аминокислота не движется под влиянием электрического поля, называется изоэлектрической точкой данной аминокислоты. 2. Аминокислоты образуют соли с основаниями. Пример – натриевая соль глицина – NH2CH2COONa. С тяжелыми металлами, например, с медью, α-аминокислоты дают комплексные соли, которые бывают интенсивно окрашены: 3. Со спиртами аминокислоты образуют сложные эфиры. Так, из глицина и этанола получается этиловый эфир глицина: H2N – CH2 – COOC2H5 4. Аминокислоты образуют и другие производные, характерные для всех карбоновых кислот, например, галогенангидриды, амиды: H2N – CH2 – COCl – хлорангидрид аминоуксусной кислоты; H2N – CH2 – CONH2 – амид аминоуксусной кислоты. 5. В отличие от обычных карбоновых кислот, аминокислоты дают соли при действии на них минеральных кислот: Образовавшаяся соль называется гидрохлорид глицина или солянокислый глицин. Подобное свойство присуще всем аминам, так же образующим аммонийные соли с кислотами. 6. При действии азотистой кислоты аминокислоты превращаются в оксикислоты: В результате получилась гидроксиэтановая (оксиуксусная) кислота. Если действию азотистой кислоты (диазотированию) подвергнуть не аминокислоту, а ее этиловый эфир, образуется устойчивое диазосоединение, называемое диазоуксусным эфиром: (Покажите, используя резонансные структуры, почему диазоуксусный эфир обладает повышенной устойчивостью). 7. Аминокислоты легко вступают в реакцию ацилирования по аминогруппе при действии, например, уксусного ангидрида: В данной реакции образовалась N-ацетиламиноуксусная кислота. 8. Алкилирование аминокислот приводит к алкиламино-, затем к диалкиламинокислотам, и, наконец, к триалкиламмониевым производным: Триметиламмонийацетат представляет собой внутреннюю соль; такие четвертичные соли называются бетаинами. 9. α, β и γ-аминокислоты по-разному ведут себя при нагревании. а) α-аминокислоты при нагревании образуют дикетопиперазины: б) β-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак с образование непредельной кислоты: в) γ и δ-аминокислоты при нагревании образуют внутренние амиды – лактамы: Такое различие аминокислот в поведении при нагревании позволяет устанавливать, в каком положении по отношению к карбоксильной группе находится аминогруппа. Пептидный синтез Аминокислоты могут реагировать между собой, соединяясь в цепочки: дипептиды (из двух аминокислотных звеньев), трипептиды (из трех аминокислотных звеньев), полипептиды. При этом между фрагментами аминокислот образуются амидные связи СO-NH, которые называют пептидными связями. В принципе, получить пептидную связь по реакции поликонденсации между аминокислотами несложно: Практически при получении дипептида используют так называемый хлорангидридный метод, по которому хлорангидрид одной из аминокислот реагирует с другой аминокислотой. В результате образуется дипептид и отщепляется молекула хлороводорода: В реальности дело обстоит несколько сложнее. Кроме основного продукта реакции – глицилаланина, образуется побочный продукт – дипептид глицилглицин, поскольку хлорангидрид глицина может прореагировать с такой же молекулой: Поэтому, чтобы избежать образования побочного дипептида при синтезе глицилаланина, необходимо ввести временную защиту аминогруппы молекулы хлорангидрида, а после получения дипептида защитную группу удалить. Для защиты аминогруппы можно использовать реакцию с бензилхлорформиатом: Полученный N-бензилоксикарбонилглицин вводят в реакцию с аланином, после чего снимают защиту аминогруппы гидрированием: Аналогично, используя защитные реакции, синтезируют трипептиды, тетрапептиды и другие олигопептиды. Ниже показано строение тетрапептида аланилглицилсерилвалина (ala-ser-gly-val): Из четырех аминокислот, образующих данный тетрапептид, можно построить 24 разных тетрапептида, переставляя местами остатки аминокислот (при условии, что каждая аминокислота в одном тетрапептиде встречается 1 раз), т.е n! где n – число аминокислот. БЕЛКИ Белки, или протеины, представляют собой сложные высокомолекулярные органические соединения. Основу белков составляют полипептидные цепи, состоящие из остатков аминокислот. Поэтому при полном гидролизе белка получают смесь различных аминокислот. Многие белки растворимы в воде, в разбавленных растворах солей, в кислотах. Почти все белки растворимы в водно-щелочных растворах, но все они не растворяются в органических растворителях. Растворы белков имеют коллоидный характер. Из растворов белки можно осаждать либо добавлением органических растворителей (спирт, ацетон), либо растворами солей (меди, свинца, ртути и др.), или растворами кислот. Иногда при осаждении из раствора структура белка изменяется и он становится нерастворимым. Это явление называется денатурацией белка. Подобно аминокислотам, белки амфотерны, так как имеют в своем составе и кислотные, и основные группы. Поэтому для каждого белка имеется характерная для него изоэлектрическая точка, положение которой на шкале рН зависит от аминокислотного состава данного белка. Все белки оптически активны, поскольку имеют в своих молекулах асимметрические атомы углерода. Большинство белков обладает левым вращением. Цветные реакции белков Известны следующие цветные реакции на белки: 1. Ксантопротеиновая. При действии азотной кислоты белки дают желтое окрашивание, которое переходит в оранжевое под действием аммиака. Ксантопротеиновая реакция объясняется нитрованием ароматических колец некоторых содержащихся в белках ароматических аминокислот, например, фенилаланина: Желтая окраска обусловлена образованием ароматических нитросоединений, в щелочной среде окраска становится интенсивнее из-за образования анионов нитросоединений. 2. Биуретовая реакция. С солями меди и щелочами белки дают фиолетовое окрашивание. Такую окраску дают все соединения, имеющие в молекулах пептидные связи ( - NH – CO - ): 3. Реакция Миллона. При действии азотистой кислоты в присутствии солей ртути белки окрашиваются в красный цвет. Эта реакция связана с наличием в остатках аминокислот фенольных группировок, которые нитрозируются и дают прочный комплекс с ионами ртути: 4. Сульфгидрильная реакция. При нагревании белков с раствором плюмбита выпадает осадок черного цвета. Это сульфид свинца PbS. Такое протекание реакции доказывает наличие в белках сульфгидрильных групп (SH): Классификация белков Белки можно классифицировать по их растворимости в воде. По этому принципу все белки делятся на растворимые – глобулярные и нерастворимые – фибриллярные. К глобулярным относятся внутриклеточные белки, к фибриллярным – белки, из которых состоят внешние покровы (шерсть, волосы и пр.) Белки также подразделяются на протеины (простые белки) и протеиды (сложные белки). Последние дают при гидролизе не только аминокислоты, но и другие вещества: фосфорную кислоту, глюкозу, гетероциклы, ионы металлов и пр. В свою очередь, протеины разделяют на ряд групп. Альбумины. Растворимы в воде, при нагревании свертываются. Осаждаются насыщенными растворами солей. Имеют относительно короткие аминокислотные цепи, т.е. низкую молекулярную массу. Входят в состав яиц, крови, молока. Глобулины. Не растворимы в воде. Растворимы в разбавленных растворах солей, но осаждаются концентрированными солевыми растворами. Содержатся в мышечных волокнах, в некоторых растительных семенах (горох, конопля и др.). Проламины. Не растворимы в воде, но растворяются в 60-80%-ном спирте. Входят в состав растительных белков. Протамины. Имеют высокую основность, практически не содержат серы. Входят в состав рыбьей икры. Гистоны. Менее сильные основания, чем протамины. Входят в состав многих сложных белков. Склеропротеины. Не растворимы в воде, в растворах солей, кислот, щелочей. Устойчивы к гидролизу. К этой группе относятся белки многих покровных тканей организма. Коллаген кожи, кератин шерсти, волос, рогов, ногтей, фиброин шелка. Содержат значительное количество серы. Сложные белки подразделяются на группы в зависимости от строения небелковой части. Нуклеопротеиды. Дают при гидролизе простой белок и нуклеиновые кислоты (см. следующий раздел). Входят в состав протоплазмы, клеточных ядер, вирусов. Фосфопротеиды. Гидролизуются на простой белок и фосфорную кислоту. Обладают слабыми кислотными свойствами. Свертываются при действии кислот. К ним относится казеин молока. Глюкопротеиды. При гидролизе образуют простой белок и углевод. Не растворимы в воде, растворимы в разбавленных щелочах. Входят в состав слизей. Хромопротеиды. Распадаются при гидролизе на простой белок и красящее вещество. К ним относится, например, гемоглобин крови. Известны и другие группы сложных белков. Строение белков Как уже отмечалось ранее, основу белков составляют полипептидные цепи, состоящие из множества остатков аминокислот. Это так называемая первичная структура белков: Такие пептидные звенья отличаются лишь боковыми группами R. Например, участок цепи, состоящей из остатков аланина, глицина и лейцина, выглядит следующим образом: Записывается строение этого участка, как и для пептидов следующим образом: аланин-глицин-лейцин, или, сокращенно, ала-гли-лей; чаще используют латинские сокращения для записи: ala-gly-leu. Полипептидная цепь в пространстве располагается в виде объемной спирали так, что между отдельными витками внутри спирали и между соседними спиральными цепями образуется множество водородных связей за счет взаимодействия групп –CO- с группами -NH-, оказывающихся на близком расстоянии. Это так называемая вторичная структура белков. Чаще всего они образуют правую -спираль, впервые предложенную Полингом и Кори в 1950 году. В глобулярных белках спиральные молекулы скручены в пространстве в шаровидные структуры – глобулы. Полярные гидрофильные группы в глобулах расположены на внешней поверхности клубка, а неполярные гидрофобные группы направлены внутрь глобулы. Это третичная структура белковых молекул. В фибриллярных белках третичная структура иная: спиральные структуры, сплетаясь между собой, образуют нитевидные формы – фибриллы. И, наконец, глобулы координируются между собой, образуя четвертичную структуру белка. Для некоторых белков выполнение их функций возможно только при координации нескольких глобул. Проблема установления структуры белков очень сложна из-за огромного количества остатков аминокислот, которые в разных белках образуют самые разные последовательности. Расчет показывает, что из 20 различных аминокислот можно построить 2,3*1018 изомеров белковой молекулы. По этим же причинам синтез белков представляет собой очень сложную задачу. Вопросы: 1. Номенклатура и стереоизомерия аминокислот. 2. Способы получения альфа и бета-аминокислот. 3. Различное отношение аминокислот к нагреванию. 4. Классификация белков. 5. Цветные реакции на белки. ЛЕКЦИЯ 8. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Гетероциклические основания. Нуклеотиды и нуклеозиды. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК. Структуры высшего порядка. Представления о генетическом коде. Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 г. австрийским химиком Фридрихом Мишером. Новому соединению он придумал название – «нуклеин», так как оно было выделено из ядер клеток (ядро по латыни – нуклеус), и автор решил, что название вещества должно отражать его локализацию в клетке. Дальнейшая история этих веществ была длинной и трудной. Неустойчивость их структуры долгое время не позволяла химикам выделить неповрежденные нуклеиновые кислоты. В конце Х1Х века немецкие химики обнаружили, что составной частью нуклеиновых кислот являются пуриновые и пиримидиновые основания наряду с углеводом и фосфорной кислотой. После открытия нуклеиновых кислот только спустя 85 лет пришла к ним известность. К началу 50-х годов двадцатого века стало ясно, что наследственная информация записана в виде последовательности нуклеотидов в ДНК. Неполный гидролиз нуклеиновых кислот дает нуклеотиды, которые можно гидролизовать до фосфорной кислоты и нуклеозидов. При гидролизе нуклеозида получают гетероциклический амин (его часто называют просто основанием) и моносахарид (альдопентозу). Нуклеиновая кислотануклеотидынуклеозиды  H 3PO4   основание альдопентоза Нуклеиновые кислоты относятся к одному из двух классов: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Наименования этих составляющих связаны с тем, что при полном гидролизе РНК появляется один из мономеров этого гетерополимера моносахарид D-рибоза – альдопентоза, а при гидролизе ДНК -2-дезокси-D-рибоза. пурин пиримидин В состав ДНК и РНК входят гетероциклические основания, играющие важную роль для биологических функций нуклеиновых кислот. Эти основания представляют собой производные пиримидина и пурина. Основания К главным пиримидиновым основаниям, которые входят в состав нуклеиновых кислот, относятся урацил, тимин, цитозин. Эти соединения существуют в таутомерных формах: В лабораторных условиях пиримидины получают обычно конденсацией мочевины с производными малоновой кислоты или с этиловым эфиром муравьиной кислоты. цитозин урацил Наиболее важными таутомерными формами являются неароматические, так как именно из них образуются нуклеозиды и нуклеотиды. тимин аденин гуанин Из пуриновых оснований компонентами нуклеиновых кислот являются аденин и гуанин. Синтез пиримидина: . Аденин и гуанин синтезировал немецкий химик Фишер из мочевой кислоты: Нуклеозиды и нуклеотиды Нуклеозидом называется N-гликозид, агликон которого представляет собой, за редким исключением, производные пиримидина или пурина. В зависимости от того, какой сахар рибоза или дезоксирибоза – входит в их состав, нуклеозиды подразделяются на рибозиды и дезоксирибозиды. D-Рибоза D-2- Дезоксирибоза Тривиальные названия нуклеозидов определяются их агликонами: наименования производных пиримидина имеют окончания «идин», а производных пурина – «озин». Ниже приведены формулы некоторых нуклеозидов. дезоксицитидин дезоксиаденозин уридин аденозин тимидин гуанозин дезоксигуанозин цитидин Рисунок 38 – Формулы некоторых нуклеозидов, входящих в состав ДНК и РНК Наиболее распространенные нуклеозиды, входящие в состав ДНК и РНК приведены в таблице 1. Таблица 1 Наиболее распространенные нуклеозиды Основание Нуклеозид Рибозид Дезоксирибозид 1.Аденин Аденозин Дезоксиаденозин 2.Гуанин Гуанозин Дезоксигуанозин 3.Урацил Уридин 4.Цитозин Цитидин Дезоксицитидин 5.Тимин Тимидин Нуклеотидом называется нуклеозид, который имеет фосфатную группу –OP(O)(OH)2 , связанную с пентозой. В названиях нуклеозидов и нуклеотидов атомы циклов оснований нумеруют цифрами без штриха, а атомы пентозы - цифрами со штрихом. цитидин-3/-монофосфат дезоксицитидин-3/-монофосфат дезоксиаденозин-5/-монофосфат дезоксицитидин-5/-монофосфат дезоксиаденозин-3/-монофосфат тимидин-3/-монофосфат дезоксигуанозин-3/-монофосфат аденозин-5/-монофосфат аденозин-3/-монофосфат гуанозин -3/-монофосфат Рисунок 39 – Формулы некоторых нуклеотидов, входящих в состав ДНК и РНК Фосфатная группа присоединена обычно к атомам углерода 3/ - или 5/- пентозного остатка. Эта группа обладает кислотными свойствами, а потому нуклеотиды можно рассматривать как фосфаты или просто кислоты (Табл. 2) Все соединения, которые приведены в таблице 2, образующие 3/-фосфаты, дают также 5/-фосфаты, дифосфаты, трифосфаты. Все 5/-фосфаты, способны к образованию дифосфатов и трифосфатов. Слово “фосфат” часто пишут вместо слова “монофосфат”. Одним из наиболее важных нуклеотидов, участвующих во многих биологческих реакциях является аденозин-5/-фосфат, более известный под названием аденозинмонофосфат (АМФ). АМФ служит побочным продуктом реакций, использующих аденозин-5/-трифосфат (АТФ) в качестве источника энергии. Промежуточное соединение в реакциях фосфорилирования представляет собой аденозин-5/-дифосфат (АДФ). Таблица 2 Названия некоторых нуклеотидов Основание Название нуклеотида № Как кислоты Как монофосфата Рибонуклеотиды 1 Аденин 3/-Адениловая Аденозин –3/-монофосфат 2 Аденин 5/-Адениловая Аденозин-5/-монофосфат 3 Гуанин 3/-Гуаниловая Гуанозин-3/-монофосфат 4 Цитозин 3/-Цитидиловая Цитидин-3/-монофосфат 5 Урацил 3/-Уридиловая Уридин-3/-монофосфат Дезоксирибонуклеотиды 6 Аденин 5/-Дезоксиадениловая Дезоксиаденозин-5/-монофосфат 7 Гуанин 3/-Дезоксигуаниловая Дезоксигуанозин-3/-монофосфат 8 Цитозин 5/Дезоксицитидиловая Дезоксицитидин-5/-монофосфат 9 Тимин 5/-Тимидиловая Тимидин-5/-монофосфат Рисунок 40 – Аденозинтрифосфат (АТФ) Структура нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты, так же как и другие макромолекулы, должны быть описаны с точки зрения их основной или первичной структуры, различных вспомогательных связей (например, водородных) и макроструктуры. Первичная структура. Скелет молекул ДНК и РНК представляет собой гетерополимер, состоящий из углеводных и фосфатных остатков. К каждому сахару присоединено основание. Рисунок 41 – Часть молекулы ДНК, состоящая из трех нуклеотидов В случае ДНК фосфатная группа соединяет атом С5/ одного остатка сахара с С3/ другого остатка. Основания в макромолекуле принято иногда обозначять буквами латинскоо алфавита: A - аденин, С - цитозин, G – гуанин, Т- тимин. Различия в составе ДНК и РНК можно обнаружить, идентифицируя продукты полного гидролиза этих нуклеиновых кислот. ДНК содержит дезокси-D-рибозу и основания (аденин, гуанин, цитозин, тимин) таблица 3. Дезоксирибонуклеиновые кислоты Дезоксирибонуклеотиды отличаются друг от друга только своими азотистыми фрагментами. В состав каждой природной ДНК входит 4-5 различных типов нуклеотидов. Изучение межнуклеотидных связей ДНК показало строгую их однотипность. Во всех случаях связь между дезоксирибонуклеотидными остатками в цепи главных валентностей ДНК осуществляется за счет образования фосфатного мостика между третьим и пятым гидроксилами дезоксирибонукиеотидных остатков. Таким образом, фосфорная кислота (кроме основных групп) диэтерифицирована. Разветвлений в цепи ДНК нет (рис.41). Все природные ДНК представляют собой частицы с очень большой молекулярной массой (от 200000 до 20000000) и состоят из десятков тысяч, а иногда и миллионов нуклеотидов. Изучение природных ДНК различных видов показало, что для каждого вида организмов характерна своя специфическая ДНК. Соотношения дезоксирибонуклеотидов в ДНК разных видов могут быть различными. Рисунок 42 – Участок цепи ДНК Строго определенная последовательность нуклеотидов в макромолекуле ДНК характеризует его первичную структуру. Таблица 3 Соединения, выделенные при гидролизе нуклеиновых кислот Нуклеиновая кислота Основание Сахар Кислота РНК Аденин Гуанин Цитозин Урацил D-рибоза D -рибоза D -рибоза D -рибоза Фосфорная Фосфорная Фосфорная Фосфорная ДНК Аденин Гуанин Цитозин Тимин Дезокси- D -рибоза Дезокси- D -рибоза Дезокси- D -рибоза Дезокси- D -рибоза Фосфорная Фосфорная Фосфорная Фосфорная Как видно из таблицы 3, ДНК и РНК содержат аденин, гуанин и цитозин отличаются тем, что в состав ДНК входит основание тимин, а в состав РНК входит основание урацил. Рибонуклеиновые кислоты Мономерной единицей РНК является рибонуклеотид. Все природные РНК имеют в качестве углеводного компонента рибонуклеотидов D-рибозу. В остальном строение рибонуклеотидов целиком подобно строению дезоксирибонуклеотидов. Азотистый компонент нуклеотидов РНК всюду представлен одним из обязательных для каждой РНК оснований: аденином, гуанином, цитозином и урацилом (таблица 3) В составе некоторых РНК (бактериальных) обнаружены и другие основания, представляющие собой, как правило, метилированные производные пуриновых и пиримидиновых оснований. Так же как и в дезоксирибонуклеотидах, азотистые основания РНК связаны с гликозидным гидроксилом рибозы через N9 пуринового цикла или N3 пиримидинового цикла, образуя соответствующий рибонуклеозид или рибозид. 3/- и 5/-Рибонуклеотиды могут рассматриваться как мономеры природных РНК. Межнуклеотидные связи в РНК полностью идентичны, как в ДНК. Во всех случаях связь между нуклеотидами в цепи осуществляется за счет фосфатного мостика между третьим и пятым гидроксилами рибозидных компонентов двух смежных нуклеотидных остатков. Цепь РНК является неразветвленной. СТРУКТУРЫ ВЫСШЕГО ПОРЯДКА Макромолекулярная организация полимерных цепей ДНК, несмотря на их химическую специфичность, является однотипной и универсальной у самых различных представителей живых существ. Согласно современным представлениям молекула ДНК представляет две перекрученные спирали. Скелетом каждой спирали служит цепь из чередующихся углеводных и фосфатных остатков, о которых говорилось выше (рис.42). Две спирали ориентированы таким образом, что они образуют два неодинаковых спиральных желобка, идущих параллельно главной спиральной оси (рис. 45). Эти желобки заполнены белками (гистонами), которые участвуют в биологической активации ДНК. Это и есть так называемая «двойная спираль», ставшая теперь классической благодаря гипотезе Д.Уотсона и Ф.Крика (Д.Уотсон, Ф.Крик – лауреаты Нобелевской премии за работу в области биохимии). Эти две цепи, связаны водородными и гидрофобными связями между азотистыми основаниями цепей. При этом осно­вания обращены внутрь спирали, приблизительно перпендикулярно длинной оси спирали. Рисунок 44 – Образование водородных связей внутри двойной спирали ДНК Рисунок 45 – Схема двойной спирали ДНК Между ни­ми образованы водородные связи, причем пуриновому основанию од­ной цепи всегда соответствует пиримидиновое основание в другой цепи, а пиримидиновому основанию первой цепи – пуриновое второй. Водородные мостики су­ществуют между атомами азота пуринового и пиримидинового ко­лец и между азотом и кислоро­дом при шестом атоме углерода пуринового кольца и кислородом или азотом при шестом атоме углерода пиримидинового кольца. В результате последовательность оснований одной цепи полностью предопределяется последовательностью оснований в другой цепи, так как всегда аденину первой цепи должен соответствовать тимин, гуанину — цитозин, тимину — аденин и цитозину — гуанин. В па­ре гуанин — цитозин есть также третий водородный мостик между азотом при втором атоме углерода цитозина (рисунок 44). На протяжении всей длины молекулы создается жесткая система регулярных водородных связей между двумя цепями ДНК. Расстоя­ние между плоскостями пар оснований вдоль оси молекулы со­ставляет при этом 0,34 нм, один виток включает 10 пар оснований вдоль оси и имеет длину 3,4 нм (рис.45). Таким образом, воз­никает вторичная структура молекулы ДНК. При существовании вторичной структуры подтверждается правило Э.Чаргаффа, согласно которому соотношение пар оснований: А/Т= Г/Ц= 1. (Э.Чаргафф - американский биохимик, вывел правило о соотношениии пар оснований в ДНК). Если раздвинуть две связанные Н-связями цепи молекулы ДНК, то на каждой образовавшейся половинке может быть синтезирована только точно дополняющая ее цепь с заданной последовательностью нуклеотидов. Так вместо одной молекулы ДНК образуются две, в точно­сти идентичные исходной. Такой процесс самоудвоения молекул ДНК называется репликацией. В клетках живых организмов ДНК организована в особые структуры. Эти структуры составляют основу ядерного вещества клеток - хроматина; они представлены в виде хромосом и у высших организмов локализованы в клеточном ядре. Биологическая функция ДНК в живой клетке связана с регулированием состава белка при его синтезе, передачей наследственных признаков. Роль ДНК впервые была экспериментально установлена в опытах с бактериями. Уже в самой модели ДНК, как это совершенно правильно отмечали Уотсон и Крик, был «заложен генетический смысл». Ген – это наследственный фактор или функционально - неделимая единица генетического материала. 34Ао Рисунок 46 – Двойная спираль ДНК Гены – это структуры, которые обеспечивают сохранение видов из поколения в поколение путем передачи информации от материнской клетки дочерней. В каждом полимере ДНК содержится несколько основных единиц генетической информации. Единственной структурной переменной в цепи ДНК, ответственной за хранение информации, является последовательность четырех оснований. Уотсон и Крик предположили, что если бы двойная спираль ДНК могла раскручиваться, расплетаться, а затем на обеих нитях начался бы синтез новых нитей, то, в конце концов получились бы новые копии ДНК, абсолютно идентичные родительской молекуле (рис.47). Это означало, что против аденина, из всех четырех типов оснований, мог встать только тимин, против цитозина – только гуанин. Значит вдоль единичных нитей ДНК, получившихся из разошедшейся двойной спирали, начали бы формироваться дочерные нити в полном соответствии с информацией, содержащейся в этих исходных нитях. Уотсон и Крик предполагали, что последовательность азотистых оснований и определяет смысл генетической записи. Экспериментальные данные последних лет подтверждают гипотезу самоудвоения молекул ДНК путем построения на каждой из двух исходных цепей комплементарных к ней новых цепей. По мере разделения перекрученных цепей исходной молекулы к их основаниям, ставшим теперь доступными, присоединяются комплементарные нуклеозид – 5/-трифосфаты, но с противоположных концов двух цепей. При взаимодействии трифосфатов с 3/ -оксигруппами предыдущих нуклеотидов в растущих цепях образуются новые 3/ - , 5/ -фосфодиэфирные связи и освобождаются молекулы неорганического фосфата. В результате каждая из двух родительских цепей дает начало двойной спирали с новой цепью. На самом деле структура ДНК является еще более сложной, так как две составляющие ее полимерные спирали закручены в противоположном направлении; иными словами, они антипараллельны. Если двигаться вдоль обеих спиралей в одном и том же направлении, то в одной из них связь между сахарными и фосфатными остатками будет -5', 3'- 5', 3'-5', 3'-, а в другой — -З', 5'-3', 5'-3', 5'-. Во время синтеза белка одна из цепей двойной спирали ДНК служит активным источником информации для клетки, являясь матрицей для образования так называемой информационной или матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК). Рисунок 47 – Упрощённое изображение репликации (воспроизведения) ДНК (ФФи - неорганический пирофосфат) При делении клетки обе нити двойной спирали высту­пают в роли матриц для синтеза комплементарных молекул ДНК. Таким образом, каждое дочернее ядро после деления содержит по паре нитей ДНК или по нескольку пар этих нитей, которые идентичны родительской ДНК. Этот процесс представлен схематически на рисунке 47. Считывание генетического кода при помощи какого бы то ни было меха­низма должно начинаться с определенной точки для того, чтобы информация была правильной. Генетический код и синтез белка Любая живая клетка содержит сложный набор различных макромолекул РНК с различной химической и биологической специфичностью. РНК из организмов различных видов неодинаковы как биологически, так и химически; для каждого вида характерна, по-видимому, своя специфическая РНК. Соотношения нуклеотидов разных типов в РНК клеток разных организмов могут быть различными. В настоящее время внутри каждой клетки установлено существование трёх функционально - различных типов РНК, каждый из которых участвует на определенном этапе белкового синтеза: рибосомальная РНК, (рРНК), транспортная (растворимая) РНК (тРНК), матричная (информационная) РНК (мРНК). Нуклеотидный состав этих РНК различен. Информацион­ная РНК (мРНК) синтезируется на активной спирали ДНК, а затем «мигри­рует» из ядра к рибосоме, расположенной в эндоплазменном ретикулуме. Информация, заложенная в ДНК, переписывается на молекулу мРНК во вре­мя ее синтеза: рибонуклеотиды, несущие основания, которые комплементар­ны основаниям ДНК, выстраиваются один за другим вдоль спирали ДНК и присоединяются посредством поликонденсации к концу растущей молекулы мРНК. Главную массу (80—85%) всей суммарной РНК клеток составля­ет рРНК, входящая в состав рибосом. Она имеет большую молекулярную массу (0,5—1,5 млн.), ее нуклеозидный состав у разных организмов очень близок. Другой тип клеточной РНК это РНК клеточного сока транспортная (тРНК) — составляет обычно 10—15% от всей РНК клетки. Ее молекулярная масса 20 000-30 000. Она не связана в какие-либо фиксированные «нуклеопротеидные комплексы». Около 1—10% всех клеточных РНК составляет недавно открытая информационная, или матричная РНК, молекулы которой по соотношению своих нуклеотидов и нуклеотидной последовательности представляют собой полирибонуклеотидные копии различных участков одной из двух цепей молекулы клеточной ДНК. По молекулярной массе молекулы мРНК, по-видимому, очень различны, но значительную часть составляют большие частицы с молекулярной массой 2 млн. и более. В клетке мРНК может присутствовать во временной связи с ядерными компонентами, с рибосомами, а также в свободном виде. Каждая молекула РНК представляет собой гибкую неразветвлённую нить, состоящую, по-видимому, из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные короткие участки цепи, взаимодействуя друг с другом (водородные связи), закручиваются и тем самым формируют внутримолекулярные двуспиральные участки — структуру так называемого «клеверного листа» (рис.48). Рисунок 48 – Структура т РНК в форме клеверного листа Генетический код, выраженный триплетными кодонами например (G-C-U), может быть записан нуклеотидной последовательностью ДНК или мРНК. Поскольку большая часть экспериментальной работы была проделана с мРНК, кодоны для аминокислот даются в том виде, в каком они встречаются в этой нукле­иновой кислоте. Соответствующие им последовательности осно­ваний в ДНК и транспортной РНК (тРНК) называются «антикодонами». Рибосома (структура из нескольких рибосом носит название полисомы) построена из двух субъединиц, различающихся по величине. Основным компонентом каждой субъединицы является специфическая РНК — рибосомная РНК (рРНК). В клетках эукариотов рРНК синтезируется на ДНК, расположенной в хромосомах ядрышек. Синтезированная рРНК мигрирует из ядра и делится, образуя две молекулы рРНК, каждая из которых связана с одной из двух субъединиц рибосомы. Функция рРНК сводится, очевидно, к тому, что она способствует присоединению мРНК к ферментам, катализи­рующим образование пептидной связи. Третий тип РНК — транспортная РНК (тРНК), которая связывается со специфическими аминокислотами (каждой аминокислоте соответствует своя тРНК) в цитоплазме, давая комплекс аминоацил - тРНК. Позднее данный комплекс аминоацил-тРНК соединяется с тем участком молекулы мРНК, уже связанной с рибосомой, который кодирует именно эту аминокислоту. Рибосомы имеют молекулярную массу около 2,7* 108 , состоят примерно на 65% из рибосомной РНК (рРНК) и на 35% из рибосомных белков. Рибосомная (рРНК) представлена молекулами двух типов—малой, с молекулярной массой около 500 000, и большой, с молекулярной массой примерно 1 000 000. Одна из них, по-видимому, участвует в прикреплении рибосомы к молекуле мРНК, другая—в связывании молекул тРНК. Транспортная РНК (тРНК) имеет молекулярную массу около 5 000. Существует около сорока различных типов тРНК, приблизительно по два на каждую из двадцати аминокислот (вероятно, соот­ветствующих двум или более кодонам). Молекула специфи­ческой тРНК присоединяется к определенной аминокислоте, особые ферменты (аминоацилсинтетазы) помогают тРНК узнавать свои аминокислоты. Аминокислота присоединяется к тРНК ковалентной связью своей карбоксильной группой. Эта связь высокоэнергетическая, и ее энергия способствует ускорению реакции присоединения аминокислотного остатка к строящейся полипептидной цепи. Процессы, происходя­щие в рибосомах при образовании полипептидных цепей, обеспечиваются энергией гидролиза молекул ГТФ (гуанозинтрифосфата, аналога АТФ) (рис.45). Последовательность примерно 75 нуклеотидных остатков была определена для многих молекул различных тРНК. У всех у них обна­ружены по четыре одинаковых участка, образованных комплементарными парами A=V или G=C. Существование этих участков позволило сделать вывод, что молекула имеет форму листа клевера, приведенную на рисунке 48. Эта структура была подтверждена рентгеноструктурным анализом кристаллов дрожжевой фенилаланиновой тРНК. Остатки, образующие петли (рис.48), обнаружены у большинства молекул тРНК. По-видимому, некоторые из этих остатков образуют водородные связи с комплементарными остатками рРНК. В молекулах рРНК имеются взаимнокомплементарные последовательности, свидетельствующие о том, что в них есть образованные водородными связями петли, аналогичные изображенным на рисунке 48. Остатки, показанные в нижней части рисунка 48, представляют собой кодон определенной аминокислоты. Отбор соответствующей тРНК включает образование водородных связей с комплементарной последовательностью в нити мРНК. После того как аминокислотный остаток присоединяется к строящейся полипептидной цепи, молекула тРНК освобождается и рибосома присоединяется к следующему кодону, к которому присоединяется соответствующая ему тРНК. Присоединение одного аминокислотного остатка к полипептидной цепи занимает около 0,05 секунды. Код, которым в молекуле мРНК записана определенная по­следовательность в соединении аминокислот при синтезе белка, расшифрован. Так, например, участок мРНК с последовательностью оснований: гуанин – цитозин - цитозин, гуанин – цитозин - гуанин, гуанин – цитозин -урацил требуют присоедине­ния к строящейся молекуле белка аланина, участки цитозин - аденин - аденин, цитозин - аденин - гуанин присоединяют гли­цин и т.д. Все процессы в синтезе белка с участием нуклеиновых кислот катализируются специальными ферментами. Синтез белка является наиболее важным процессом в природе, связанным с метаболизмом клетки. Без белка невозможна ни одна форма жизни на земле. В синтезе каждого белка принимает участие определенный ген – сегмент молекулы ДНК, строго определенная матричная РНК и набор тРНК, каждая из которых переносит только одну аминокислоту. Таким образом, число возможных мРНК определя­ется числом возможных белков (порядка 10•106), а число возможные тРНК - числом аминокислот, участвующих в синтезе данного белка. В настоящее время определена первичная структура около 100 транспортных РНК, более 20 рибосомальных РНК и трех ДНК, содержащих 5-6 тыс. нуклеотидов, а также многих генов. Вопросы: 1. Гетероциклические основания. 2. Нуклеотиды и нуклеозиды. 3. ДНК-первичная и вторичная структура. 4. РНК-строение и назначение. . ЗАКЛЮЧЕНИЕ Учебный материал, рассмотренный в настоящем курсе лекций, имеет важное значение для всех химиков технологов, занимающихся решением проблем, возникающих в областях, связанных с переработкой природного сырья. Углубленное изучение основ биоорганической химии на сегодняшний день весьма актуально. Это связано, например, с проблемами дефицита энергоносителей, возникающими во всем мире. Ведущие мировые державы ведут интенсивный поиск возобновляемых источников сырья для производства энергии, причем основной упор делается сегодня на производство спирта или дизельного биотоплива из растительных продуктов. Существуют и другие проблемы, связанные с биоорганической химией и решаемые на переднем крае науки, например, генная инженерия, занимающаяся расшифровкой и модификацией генных структур, что невозможно без получения знаний о строении нуклеиновых кислот, аминокислот и полипептидов. Трудно переоценить значение биоорганической химии для человечества, так как именно эта область знания дает огромный импульс развития медицине, фармакологии и другим областям, необходимым для нормальной жизни человека. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Травень, В.Ф. Органическая химия: Учебник для студентов вузов [Текст] / В.Ф. Травень.-М.: ИКЦ «Академкнига», Т.1.-2005.-727 с. 2. Травень, В.Ф. Органическая химия: Учебник для студентов вузов[Текст] / В.Ф. Травень.-М.: ИКЦ «Академкнига», Т.2.-2005.-582 с. 3. Березин, Б.Д. Курс современной органической химии: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений [Текст] / Б.Д. Березин, Д.Б. Березин. – М.: Высш. школа, 2001. – 768 с. 4. Азаров, В.И. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для студентов высших учебных заведений [Текст] / В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская. – СПб.: Изд. СПбЛТА, 1999. – 628 с. 5. Терней, А. Современная органическая химия [Текст] / А. Терней. – М.: Мир, Т.2.-1981.- 652 с. Приложение А (справочное) Ключевые слова аденин аномер альдоза аланин аминокислота арабиноза белки борнан борнеол борнилацетат галактоза гемицеллюлоза гентиобиоза гистидин глицин глутамин глюкоза гуанин декстран дисахарид живица изолейцин изоциклен камфен камфора канифоль каран карвон карен каротин каучук кетоза кодон лактоза лейцин лизин лимонен мальтоза манноза ментадиен ментан ментол миртеналь миртенол моносахарид мутаротация нуклеозид нуклеотид пептиды пинен пиримидин полисахарид протеиды протеины пурин рибоза рибосома сахароза серин скипидар стереоизомерия терпены терпинеол тимин трегалоза триптофан урацил фенилаланин фруктоза целлобиоза целлюлоза цитозин Любящкин Алексей Викторович Товбис Михаил Семенович Никуличева Татьяна Ивановна ХИМИЯ ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ Органическая химия. Основы биоорганической химии Научный редактор проф. М.С.Товбис Редактор РИО С.Н.Цыбенко