Organické sloučeniny obsahující dusík

ORGANICKÉ SLOUČENINY
OBSAHUJÍCÍ KYSLÍK,
DUSÍK, SÍRU
&
Biologicky významné
heterocykly
Tereza Popelková
ORGANICKÉ SLOUČENINY
OBSAHUJÍCÍ KYSLÍK
HYDROXYDERIVÁTY
KARBONYLOVÉ SLOUČENINY
KARBOXYLOVÉ SLOUČENINY A DERIVÁTY
ETHERY
Elektronová konfigurace atomu kyslíku
1s2
2s2
 Ve sloučeninách jako dvojvazný
O
O
2p4
 Hydroxyderiváty – hydroxylová skupina (-OH)
•R:
alifatický řetězec (alkoholy) nebo aromatické jádro (fenoly)
 Ethery – alkoxylová skupina (-OR)
 Karbonylové sloučeniny – karbonylová skupina
(aldehydy a ketony)
 Karboxylové kyseliny – karboxylová skupina
I. Hydroxyderiváty
 OH skupina dává uhlovodíkům (zvláště aromatickým) lehce
kyselý charakter.
 Prodlužováním uhlovodíkového řetězce se snižuje rozpustnost
alkoholů ve vodě.
 H-můstky → rozpustnost ve vodě, vyšší bod varu než alkany.
I. Hydroxyderiváty
 Chovají se jako kyselina i jako zásada:
alkohol
alkohol
alkoxidový ion
oxoniový ion
I. Hydroxyderiváty
Podle počtu –OH skupin v molekule:
 Monohydroxyderiváty
 Polyhydroxyderiváty (polyoly)
Dioly (dihydroxyderiváty)
Trioly (trihydroxyderiváty)
Tetroly (tetrahydroxyderiváty)
Alkoholy
Klasifikace podle vazebného místa v řetězci :
etanol
primární alkohol
isopropanol
sekundární alkohol
terc-butanol
terciární alkohol
 Primární alkohol: 1 uhlík ve vazbě na uhlík s hydroxylovou
skupinou
 Sekundární alkohol: 2 uhlíky ve vazbě na uhlík s hydroxylovou
skupinou
 Terciární alkohol: 3 uhlíky ve vazbě na uhlík s hydroxylovou
skupinou
Eliminace - dehydratace
OH
H
C
Glykolýza:
C
C
-
O
O
-
O
O
C1
+ H2O
C
C1
H C2
OPO3
H C3
OH
H
2-fosfoglycerát
2-
H C2
OPO3
H C3
H
fosfoenolpyruvát
2-
+ H2O
Oxidace alkoholů
Metanol: silně jedovatý, oslepnutí,
smrt
Etanol (spiritus, líh):
 Kvasné procesy cukerných šťáv rostlin za přítomnosti
kvasinek při teplotě nižší než 37 °C.
 Nejprve excitační účinky, posléze narkotické účinky,
působí jako sedativum. Návyková droga.
Oxidace etanolu v organismu
1 – alkoholdehydrogenáza
2 – aldehyddehydrogenáza
metanol
formaldehyd
1
2
kyselina mravenčí
Biologické vlastnosti alkoholů
 molekuly léčiv obsahují OH skupinu
 zvýšení polarity a rozpustnosti ve vodě
steroidy, hormony
Ethylenglykol - ethan-1,2-diol
 Používá se do nemrznoucích směsí Fridex
Toxický: 50 ml, letální: 100 ml
Nasládlá chut‘, rozpustný ve vodě, bezbarvý
Glycerol - propan-1,2,3-triol (glycerin)
 Uhlíková kostra glycerolu je
součástí biologicky významných látek
v organismu (TAG).
 Reakcí s kyselinami vznikají estery – s kyselinou dusičnou
vzniká glyceroltrinitrát – tzv. nitroglycerin.
 Podává se jako lék při onemocnění srdce.
 S kyselinou fosforečnou se esterifikuje primární –OH
skupina na kyselinu 1-glycerofosforečnou.
 Významný metabolit a strukturní složka komplexních
lipidů.
Inositol
součást fosfolipidů (fosfatidylinositolu)
Sfingosin (2-amino-4-oktadecen-1,3-diol)
součást sfingolipidů v mozku
Ethanolamin
ve fosfolipidech
Cholin
ve fosfolipidech
Acetylcholin – přenos nervových vzruchů
Fenoly
 Benzendioly
OH
OH
OH
Pyrokatechol - součást molekuly
katecholaminů (adrenalin,
noradrenalin)
OH
OH
OH
pyrokatechol
resorcinol
hydrochinon
OH
O
+2H
-2H
O
p-benzochinon
OH
hydrochinon
Resorcinol – dezinfekce
Hydrochinon – vzniká oxidací
chinonu, součást koenzymu Q
(ubichinon)
SHRNUTÍ
alkoholy, fenoly
vlastnosti –OH skupiny
reakce: oxidace (prim., sek. terc. alkoholů)
eliminace (dehydratace)
zástupci
II. Karbonylové sloučeniny
Společná je pro ně karbonylová skupina (polární),
velmi reaktivní
R
R
 Aldehydy - karbonyl na primárním uhlíku
- aromatické či alifatické red. vlastnosti
 Ketony - karbonyl na sekundárním uhlíku
- mohou být i smíšené
- neredukují
1
1



C O

Přehled běžných aldehydů a ketonů
Formaldehyd
Metanal
Acetaldehyd
Etanal
Glyoxal
Ethandial
Benzaldehyd
Propionaldehyd
Propanal
Akrylaldehyd
Propenal
Aceton
Propan-2-on
Etylmetylketon
Butan-2-on
Cyclohexanon
Cinnamaldehyd
3-fenylpropenal
Acetofenon
Metylfenylketon
Benzofenon
Difenylketon
Nukleofilní adice
Tvorba poloacetalů (hemiacetalů)
 Reakce alkoholu s aldehydem nebo s ketonem.
 -OH skupina akoholu se váže na karbonylovou skupinu
aldehydu nebo ketonu.
polocetalový hydroxyl
 Vznik poloacetalu je zejména významný u sacharidů a je
příčinou vzniku jejich cyklické struktury.
Reakce aldehydů a ketonů s aminy
R-CHNH2-COO-
pyridoxalfosfát
pyridoxalfosfát +AMK
Aldehydy a ketony reagují s primárními aminy za vzniku
iminů - Schiffovy báze:
transaminace (pyridoxalfosfát)
neenzymatické glykace při diabetu
Aldolová kondenzace
Glukoneogeneze:
SHRNUTÍ
aldehydy, ketony
vlastnosti C=O vazby
reakce: nukleofilní adice, tvorba poloacetalů, vznik iminů
III. Karboxylové kyseliny
 Funkční skupina je -COOH
 Podle počtu –COOH skupin rozlišujeme: mono-, di-, tri- až
polykarboxylové kyseliny.
 Karboxylová skupina je polární a vytváří proto pevné
vodíkové můstky.
H O
O
CH3
C
C
O H
Nukleofilní substituce (esterifikace):
O
CH3
Monokarboxylové kyseliny
Vzorec
Triviální
název
kyseliny česky
Systematický
název
kyseliny česky
Latinský
název
kyseliny acidum
Název soli
HCOOH
Mravenčí
metanová
formicum
formiát
CH3COOH
Octová
etanová
aceticum
acetát
CH3CH2COOH
Propionová
propanová
propionát
CH3(CH2)2COOH
Máselná
butanová
butyrát
(CH3)2CHCOOH
Isomáselná
isobutanová
isobutyrát
CH3(CH2)3COOH
Valerová
pentanová
valerát
CH3(CH2)14COOH
Palmitová
hexadekanová
palmitát
Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky,
1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005 - 2014
Monokarboxylové kyseliny
Vzorec
Triviální
název
kyseliny česky
Systematický
název kyseliny
- česky
CH3(CH2)16COOH
Stearová
Oktadekanová
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
Olejová
CH2=CHCOOH
Akrylová
COOH
Latinský
název
kyseliny acidum
Název soli
stearát
oleát
Propan-2-enová
Benzoová
Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky,
1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005 - 2014
akrylát
benzoicum
benzoát
Dikarboxylové kyseliny
Vzorec
Triviální
název
kyseliny česky
Systematický
název kyseliny česky
Latinský
název
kyseliny acidum
Název
soli
HOOC-COOH
šťavelová
ethandiová
oxalicum
oxalát
HOOC-CH2-COOH
malonová
propan-1,3-diová
malonicum
malonát
HOOC-(CH2)2-COOH
jantarová
butan-1,5-diová
succinisum
sukcinát
HOOC-(CH2)3-COOH
glutarová
pentan-1,5-diová
glutamicu
m
glutarát
maleinová
cis-but-2-en-1,5diová
maleinát
fumarová
trans-but-2-en-1,5diová
fumarát
ftalová
o-benzendiová
ftalát
COOH
HOOC
C
C
H
H
H
HOOC
C
C
H
COOH
COOH
COOH
Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005 - 2014
Funkční deriváty karboxylových
kyselin
Substituční deriváty
karboxylových kyselin
Hydroxykyseliny:
kyselina mléčná
kyselina jablečná
Ketokyseliny:
spontánně
SHRNUTÍ





karboxylové kys. a jejich deriváty (fčí a subst.)
ketokyseliny, hydroxykyseliny
vlastnosti karboxylové skupiny
reakce: esterifikace
zástupci
ORGANICKÉ SLOUČENINY
OBSAHUJÍCÍ DUSÍK
NITRODERIVÁTY
AMINY
AMIDY
IMIDY
Dusíkaté sloučeniny
Typy vazeb v dusíkatých sloučeninách:
1s2
2s2
2p3
 ve sloučeninách jako trojvazný
Nitroderiváty: R-NO2
Substituce vodíku nitroskupinou (NO2)
Vznikají nitrací uhlovodíků (HNO3)
Příklad:
chloramfenikol (antibiotikum)
trinitrotoluen
Aminy: R-NH2
 Organické deriváty amoniaku
-NH2
-NH-
-N-
 bazické a nukleofilní (volný elektronový pár dusíku)
 tvoří vodíkové můstky (velká polarita)
 tvorba nitrosoaminů
Význam aminů:
 Nejdůležitější organické zásady
 Význam v biochemii:
kvartérní amoniové báze
biogenní aminy
aminokyseliny
proteiny
alkaloidy
Kvartérní amoniové báze:
Cholin:
 součást fosfolipidů (fosfatidylcholin - lecitin)
Acetylcholin:
 neurotransmiter
Biogenní aminy:
 dekarboxylace aminokyselin
 součástí biomolekul, neurotransmitery
Aminokyselina
Amin
Funkce
Serin
Ethanolamin
Fosfolipidy
Cystein
Thioethanolamin
Koenzym A
Threonin
Propanolamin
Vitamín B12
Aspartát
β-alanin
Koenzym A
Glutamát
γ-aminobutyrát (GABA)
Neurotransmiter
Histidin
Histamin
Mediátor, neurotransmiter
Dopa
Dopamin
Neurotransmiter
5-hydroxytryptofan
Serotonin
Mediátor, neurotransmiter
Biogenní aminy – příklady:
Katecholaminy a amfetaminy:
Katecholaminy (adrenalin a
noradrenalin)
Biogenní aminy s katecholovou
skupinou odvozeny od tyrozinu
Hormony (syntéza v dřeni
nadledvin), neurotransmitery
(sympatikus)
Amfetaminy
Účinek jako katecholaminy
Stimulační účinky (zneužití!)
OH
HO
NH2
OH
noradrenalin
OH
CH3
HO
HN
HO
adrenalin
Alkaloidy:
 aminy původně získané z přírodních zdrojů
 významné biologické vlastnosti
Příklady:
Atropin – blokuje acetylcholinové receptory
Kokain – stimulující účinek
Reserpin – antihypertenzivum
Efedrin – bronchodilatátor, snižuje překrvení
sliznic
Opium a opiáty:
= morfinové alkaloidy
 významné látky v medicíně, návyk!
 váží se na opiové receptory
Příklady:
Opium, morfin – tišení bolesti (zdroj: mák)
Kodein – analgetikum, proti kašli
Heroin – syntetizován z morfinu
Hledání podobných látek
bez návyku:
Amidy: R-CO-NH2
deriváty karboxylových kyselin (aminoskupina na
karbonylovém uhlíku)
Vlastnosti:
nejsou bazické (karbonylová skupina – delokalizace
elektronového páru)
vznik peptidové vazby –NH2 + HOOC- (enzymaticky
katalyzované)
stabilita proti hydrolýze (peptidová vazba stabilní,
enzymatická hydrolýza )
Asparagin, glutamin:
Vznik peptidové vazby:
Karbamát a močovina
Karbamoylfosfát
= amidy kyseliny uhličité
(H2CO3)
- součást vzniku močoviny a
pyrimidinů
NH2
O
CO2 + H2O
OH
HCO3- + NH4+
Monoamid kyseliny uhličité
(kyselina karbamová)
2 ATP
karbamoylfosfátsyntáza
NH2
2 ADP+Pi
O
NH2
Diamid kyseliny uhličité
(močovina)
O
O
O
H2 N
P O
O
-
Močovina
 konečný produkt metabolismu proteinů u savců
 vznik v játrech (cyklus močoviny)
 dobře rozpustná ve vodě (vylučování močí)
biuretová reakce (průkaz močoviny, peptidové vazby) –
zahřívání - biuret v alkalickém prostředí s Cu2+ - fialový
komplex
2 molekuly močoviny
Kreatin
 ve svalech, přenos energie pro svalovou činnost
Kreatinin
vzniká ve svalech neenzymaticky z kreatinu
 vylučován močí – clearance kreatininu
Barbituráty
 deriváty kyseliny barbiturové:
 sedativa, hypnotika, narkotika
Iminy: R-C=N-R
Schiffovy báze
 funkční skupiny obsahující dvojnou vazby mezi C a
N, další skupiny vázané na N
Mechanismus transaminace:
R-CHNH2-COO-
pyridoxalfosfát
pyridoxalfosfát +AMK
SHRNUTÍ
nitroderiváty, aminy, amidy, iminy
kvartérní amoniové soli
amidová vazba mezi aminokyselinami
zástupci
ORGANICKÉ SLOUČENINY
OBSAHUJÍCÍ SÍRU
THIOLY
DISULFIDY
SULFIDY
SULFONOVÉ KYSELINY
Sirné sloučeniny
 podobné kyslíkatým sloučeninám:
Thioly: R-SH (sulfanylová skupina)
Vlastnosti:
Netvoří vodíkové můstky
Silnější kyseliny než alkoholy
Snadno oxidovatelné → disulfidy
glutathion
Příklady:
O
+
H3N
CH
C
-
O
C
O
CH2
SH
H
O
O
C
CH2
+
NH3
glutamát
CH2
C
O
N
CH
C
O
N
CH2
C
O
H
CH2
CH2
SH
cystein
cystein
H
glycin
-
Disulfidy: R-S-S-R
Disulfidické můstky mezi cysteiny
 disulfidický můstek důsledek oxidace dvou -SH skupin (vratná
reakce)
 terc. struktura proteinů!
Glutathion
antioxidant (odstranění volných radikálů)
Glutathioneperoxidáza
Gly
Cys
Gly
Gly
+ R-O-O-H
Cys
SH
+ NADPH
Glu
Glutathionreduktáza
S
S
Glu
Cys
Glu
Redukovaný
Oxidovaný
(monomer)
(dimer, disulfid)
+ H2O
-
Sulfidy: R-S-R
Příklad:
+
H3C
C
O
CH2 CH2 CH
+
Methionin
H3N
S
O
NH3
O
+
CH
C
CH2
O
-
Adenin
O
S-adenosylmethionin
CH2
OH OH
CH2
S
příjemce metylové skupiny
Metylace
metylovaná sloučenina
CH3
S-Adenosylmethionin (SAM)
-
O
C
= sulfoniový ion
 reaktivní metylová skupina
(metylační agens)
S
O
CH2 CH2 CH
+
NH3
CH2
Adenin
O
S-adenosylhomocystein
OH OH
Sulfonové kyseliny: R-SO3H
Příklady:
Taurin
= derivát cysteinu
O
Sulfonamidy
H2N
S
O
 důležitá chemoterapeutika
sulfanilamid
NH2
SHRNUTÍ
thioly, sulfidy, disulfidy, sulfonové kyseliny
zástupci (SAM, GSH, cystein)
BIOLOGICKY VÝZNAMNÉ
HETEROCYKLY
Název
Struktura
Furan
Biologicky významné
deriváty
Furanózy (sacharidy)
O
Pyrrol
Porfin (hem, vit. B12 )
Bilirubin
Prolin, Hydroxyprolin
N
H
Tryptofan, Serotonin,
Melatonin
LSD, Psilocybin
Indol
N
H
N
Imidazol
N
H
Histidin, Histamin
Biotin (vit. H)
Název
Struktura
N
Thiazol
S
Pyran
Biologicky významné
deriváty
Thiamin (vit. B1)
Penicilin
Pyranózy (sacharidy)
O
O
Benzopyran
Tokoferol (vit. E)
Pyridin
Nikotinamid (vit. B2)
Pyridoxal (vit. B6)
N
Název
Biologicky významné
deriváty
Struktura
Pyrimidinové báze (U,T,C)
Fenobarbital
Vit. B1
N
Pyrimidin
N
N
N
Purin
N
N
H
Purinové báze (A,G)
Hypoxanthin
Kofein
Kyselina močová
N
Pteridin
N
Kyselina listová (vit. B9)
N
Isoalloxazin
N
Riboflavin (vit. B2)
DĚKUJI ZA POZORNOST
[email protected]