Základy organické chemie
Jaromír Literák
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 1 / 73
Sacharidy
Polyhydroxyaldehydy (aldosy) nebo polyhydroxyketony (ketosy).
CHO
C
C
C
C
CH2OH
OHH
OHH
HHO
OHH
CH2OH
C
C
C
C
CH2OH
OHH
OHH
HHO
O
D-glukosa D-fruktosa
Nejjednoduššími sacharidy jsou dihydroxyaceton a glyceraldehyd
(C3H6O3), monosacharidy obsahující více než 7 atomů uhlíku jsou nestálé.
Dříve také uhlovodany.
glukosa C6H12O6 = C6(H2O)6
sacharosa C12H22O11 = C12(H2O)11
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 2 / 73
Sacharidy
Saccharum – lat. cukr
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 3 / 73
Sacharidy
Označení monosacharidů
-trialdo-
-tetr-pent-
-osa
keto- -hex-
-hept-
1CHO
2C
3C
4C
5CH2OH
OHH
OHH
OHH
aldopentosa
1CHO
2C
3C
4C
5C
6CH2OH
OHH
OHH
HHO
OHH
aldohexosa ketohexosa
1CH2OH
2C
3C
4C
5C
6CH2OH
OHH
OHH
HHO
O
D-ribosa D-glukosa D-fruktosa
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 4 / 73
Sacharidy
Sacharidy obsahují řadu center chirality a až na výjimky jsou chirální.
Ke znázornění prostorového uspořádání cukrů se historicky používá Fischerova
projekce:
HO H
CHO
HOH2C
HO
H
HOH2C
CHO
C
CHO
CH2OH
OH
H
CHO
CH2OH
OHC OHH
CHO
CH2OH
H
Fischerova projekce
D-glyceraldehyd
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 5 / 73
Sacharidy
Podle konfigurace centra chirality nejvzdálenějšího od karbonylu dělíme
monosacharidy na d- a l-monosacharidy (cukry).
CHO
H2C OH
OH
D-glyceraldehyd
CHO
H2C OH
HO
L-glyceraldehyd
HH
V živé přírodě dominují d-cukry.
d- a l-sacharidy nesoucí stejný název jsou enantiomery:
CHO
CH2OH
OHH
OHH
OHH
CHO
CH2OH
HO H
HO H
HO H
D-ribosa L-ribosa
CHO
CH2OH
OHH
OHH
HHO
OHH
CHO
CH2OH
HO H
HO H
H OH
HO H
D-glukosa L-glukosa
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 6 / 73
Sacharidy
Epimery – sacharidy, které se liší pouze konfigurací na jednom
stereogenním centru.
CHO
CH2OH
OHH
OHH
HHO
HO H
D-mannosa
CHO
CH2OH
OHH
OHH
HHO
OHH
D-glukosa
Monosacharidy mohou tvořit pěti- nebo šestičlenné cyklické poloacetaly:
HO H
O O
O
H
Rovnováha je posunuta ve prospěch poloacetalu.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 7 / 73
Sacharidy
Cyklické formy monosacharidů můžeme považovat za deriváty
tetrahydrofuranu (furanosy) a tetrahydropyranu (pyranosy).
O O
tetrahydropyran tetrahydrofuran
Haworthovy vzorce – perspektivní vzorce užívané pro znázornění
sacharidů.
U pyranos umístíme atom kyslíku v cyklu vždy vpravo nahoru (furanosy
nahoru), atomy řetězce jsou pak uspořádány v cyklu po směru pohybu
hodinových ručiček podle stoupajících pořadových čísel.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 8 / 73
Sacharidy
Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy aldosy:
CHO
CH2OH
OHH
OHH
HHO
OHH
D-glukosa
CH2OHC
C
C C
C O
OH
HOH
H
H
HO
H
OH H
OHC
C
C C
C O
OH
HOH
H
H
HO
CH2OH
H
H
rotace o 120°
CH2OHC
C
C C
C O
OH
HOH
H
H
HO
H
OH H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 9 / 73
Sacharidy
Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy aldosy:
OHC
C
C C
C O
OH
HOH
H
H
HO
CH2OH
H
H
tvorba acetalu
O
H
OH
H
OH
OH
H
H
HO
CH2OH
H
*
D-glukopyranosa
Adicí -OH skupiny na karbonyl mohou vzniknout dva anomery – stereoisomery,
které se liší orientací nově vzniklé poloacetalové -OH skupiny:
O
H
OH
H
OH
OH
H
H
HO
CH2OH
H
O
OH
H
H
OH
OH
H
H
HO
CH2OH
H
α-D-glukopyranosa β-D-glukopyranosa
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 10 / 73
Sacharidy
Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy ketosy:
CH2OH
C
CH2OH
OHH
OHH
HHO
O
OH
C
C C
C O
H
HOH
OH
CH2OH
H
CH2OH
O CH2OH
OH
HO
H
H
OH
HOH2C
H
Zjednodušený zápis:
O
CH2OH
α-D-glukopyranosa
Mutarotace – změna zastoupení anomerů ve směsi, která je doprovázena změnou
optické otáčivosti.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 11 / 73
Sacharidy
Vlastnosti monosacharidů:
Krystalické látky dobře rozpustné vodě, špatně rozpustné
v organických rozpouštědlech.
Vykazují reaktivitu alkoholů i aldehydů a ketonů (některé reakce
aldehydové skupiny mohou být ale velmi pomalé).
Estery monosacharidů:
O
H
O
H
OH
OH
H
H
HO
CH2OH
H
P
O
OH
OH
O
H
OH
H
OH
OH
H
H
HO
CH2
H
OP
OH
HO
O
α-D-glukopyranosa-1-fosfát α-D-glukopyranosa-6-fosfát
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 12 / 73
Sacharidy
Estery monosacharidů:
β-D-glukopyranosa
O
OH
HO OH
HO
nadbytek
H3C O
O
CH3
O
pyridin
O
O
O O
O
CH3
O
O
CH3
H3C
O
H3C
O
OOH
CH3
O
+ 5 CH3COOH
penta-O-acetyl-β-D-glukopyranosa
Ethery monosacharidů:
Nelze uskutečnit Williamsonovu syntézu, sacharidy netolerují silnou bázi.
α-D-glukopyranosa
O
OH
HO OH
HO
nadbytek
O
O
O O
O
CH3
CH3
CH3
H3C
OOH
H3C
+ 5 AgI
methyl-2,3,4,6-tetra-O-methyl-α-D-glukopyranosid
H3C I
Ag2O
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 13 / 73
Sacharidy
Tvorba glykosidů:
Glykosidy vznikají substitucí poloacetalové -OH skupiny nukleofilem.
β-D-glukopyranosa
O
OH
HO OH
HO
OH
methyl-β-D-glukopyranosid methyl-α-D-glukopyranosid
H3C OH
HCl
O
O
HO OH
HO
OH
CH3
+
O
O
HO OH
HO
OH
CH3
33 % 67 %
Také N-glykosidy:
O
N
Cukr (pentosa) + báze = nukleosid Cukr (pentosa) + báze + fosfát = nukleotid
NN
N
NH2
HO
HO
O
N
NN
N
NH2
O
HO
P
OH
HO
O
OH OH
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 14 / 73
Sacharidy
Redukce sacharidů:
Redukcí aldos a ketos vznikají cukerné alkoholy.
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
NaBH4
β-D-glukopyranosa
O
OH
HO OH
HO
OH
O H
D-glukosa
H2O
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-glucitol
O H
HH
Oxidace sacharidů:
Oxidací aldehydové skupiny u aldos vznikají aldonové kyseliny.
H O
aldosa
oxidace
HO O
aldonová
kyselina
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 15 / 73
Sacharidy
Oxidace sacharidů:
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
Br2
β-D-glukopyranosa
O
OH
HO OH
HO
OH
O H
D-glukosa
H2O
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-glukonová
kyselina
pH = 6
O OH
Některá činidla jsou schopná oxidovat aldosy i ketosy:
Tollensovo činidlo – [Ag(NH3)2]+
.
Fehlingovo činidlo – vodný roztok Cu2+
a vinanu sodného.
Benedictovo činidlo – vodný roztok Cu2+
a citrátu sodného.
Reakce s těmito činidly vede k precipitaci Ag nebo Cu2O – odlišení redukujících
aldos a ketos od glykosidů a neredukujících oligo- a polysacharidů.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 16 / 73
Sacharidy
Oxidace sacharidů:
Oxidace silnými oxidačními činidly (HNO3) vede k oxidaci primární -OH skupiny –
z aldos vznikají aldarové kyseliny.
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
NHO3
β-D-glukopyranosa
O
OH
HO OH
HO
OH
O H
D-glukosa
H2O
OHH
HHO
OHH
OHH
D-glukarová
kyselina
O OH
∆T
O OH
Selektivní oxidací primární -OH skupiny vznikají uronové kyseliny.
glukuronová kyselina
O
OH
HO
HOOC
OH
HO
Konjugace s produkty metabolismu cizorodých látek, součást hyaluronové kyseliny.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 17 / 73
Sacharidy
Kilianiho-Fischerova reakce:
Prodloužení řetězce o jeden atom uhlíku. Reakce poskytne oba epimery.
Heinrich Kiliani:
HO
aldosa
KCN
HCN
HO
CN
H + H
CN
OH
oba stereoisomery
Hermann Emil Fischer:
1. H2O, ∆T
2. Na(Hg)x
HO
CN
H + H
CN
OH HO
C
H + H
C
OH
oba epimery aldosy
HO HO
Modernější provedení:
H2
Pd / BaSO4
HO
C
H HO
C
H HO
C
H
HN HO
N
H2O
H
H2O
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 18 / 73
Sacharidy
Kilianiho-Fischerova reakce:
H OH
CHO
H OH
OHH
CH2OH
Kiliani-Fischer
H OH
H OH
OHH
CH2OH
H OH
CHO
+
H OH
H OH
OHH
CH2OH
HO H
CHO
D-ribosa D-allosa D-altrosa
Wohlova degradace:
Opak Kilianiho-Fischerovy reakce – zkrácení aldosy o jeden uhlík.
HO
C
HHO
C
H
HO
N
báze HO
+ CN
Reakce poskytuje typicky nízké výtěžky.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 19 / 73
Sacharidy
Wohlova degradace:
HO H
H OH
OHH
CH2OH
H OH
CHO
D-glukosa D-arabinosa
NH2OH
− H2O
HO H
H OH
OHH
CH2OH
H OH
C
NH
OH
Ac2O HO H
H OH
OHH
CH2OH
H O
C
N
H
H
O
H
−
O CH3 HO H
H OH
OHH
CH2OH
OH
CH3OH−
CN−
Epimerace:
O H
H OH
HO H
H OH
H OH
CH2OH
D-glukosa
H2O
NaOH HO H
H OH
H OH
CH2OH
HO
H
OH
H2O
O H
H OH
HO H
H OH
H OH
CH2OH
D-glukosa
+
O H
HO H
HO H
H OH
H OH
CH2OH
D-mannosa
+
C
CH2OH
O
HO H
H OH
H OH
CH2OH
D-fruktosa
epimery
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 20 / 73
Sacharidy
d-Glukosa – dextrosa, hroznový cukr.
Primární produkt fotosyntézy:
6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
V roztoku 99 % jako pyranosa, necyklická molekula se podílí 0,25 % a furanosy
vytvářejí zbytek.
O H
H OH
HO H
H OH
H OH
CH2OH
D-glukosa
+
OHO
OH
OH
OH
OHO
OH
OH
OH
H2O
α-D-glukopyranosa β-D-glukopyranosa
36 % 64 %
HO HO
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 21 / 73
Sacharidy
d-Fruktosa – levulosa, ovocný cukr.
C
CH2OH
O
HO H
H OH
H OH
CH2OH
d-Galaktosa – gálaktos – řecky mléko.
OH
HO H
HO H
H OH
CH2OH
H
HO
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 22 / 73
Sacharidy
d-Ribosa a 2-deoxy-d-ribosa
OH
H OH
H OH
CH2OH
H
HO
D-ribosa
H
H OH
H OH
CH2OH
H
HO
2-deoxy-D-ribosa
O
HO
OH OH
OH
β-D-ribofuranosa
O
HO
OH
OH
2-deoxy-β-D-ribofuranosa
d-Glukosamin
O
HO
OH
NH2
OH
OH
D-glukosamin
O
OH
OH
NH2
HO
HO
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 23 / 73
Sacharidy
Disacharidy, oligo- a polysacharidy vznikají spojení monosacharidů glykosidickou
vazbou (poloacetalová -OH jednoho sacharidu nahrazena kyslíkem -OH skupiny
druhého sacharidu – vzniká acetal).
Maltosa – sladový cukr, disacharid vznikající hydrolýzou škrobu.
O
OH
OH
HO
HO
OH
+
α-D-glukopyranosa
H2O−
+ H2O
O
OH
OH
HO
HO
O
OH
OH
HO
O
OH
maltosa
12
3
4
5
6
O
OH
OH
HO
HO
OH
12
3
4
5
6
Spojení dvou α-d-glukopyranos 1→4 glykosidovou vazbou.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 24 / 73
Sacharidy
Celobiosa – disacharid vznikající hydrolýzou celulosy.
O
OH
OH
HO
HO
β-D-glukopyranosa + β-D-glukopyranosa
celobiosa
O
OH
OH
HO
O
OH
Spojení dvou β-d-glukopyranos 1→4 glykosidovou vazbou.
Laktosa – mléčný cukr.
O
OH
OH
HO
β-D-galaktopyranosa + β-D-glukopyranosa
laktosa
O
OH
OH
HO
O
OH
HO
Spojení β-d-galaktopyranosy a β-d-glukopyranosy 1→4 glykosidovou vazbou.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 25 / 73
Sacharidy
Sacharosa – řepný (třtinový) cukr.
α-D-glukopyranosa + β-D-fruktofuranosa
sacharosa
O
HO
OH
HOHO
O
OH
O
OH
HO
OH
Sacharosa je neredukující cukr, také nepodléhá mutarotaci.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 26 / 73
Sacharidy
Celulosa – lineární homopolymer složený z β-d-glukopyranos spojených 1→4
glykosidovou vazbou.
V řetězci 7 000 až 12 000 glukosových jednotek.
Mezi řetězci celulosy vznikají silné vodíkové vazby – strukturní funkce celulosy.
O
OH
OH
HO
O
β-D-glukopyranosa
celulosa
O
OH
OH
HO
O
O O
OH
OH
HO O
OH
OH
HO
O
O
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 27 / 73
Sacharidy
Škrob – větvený homopolymer složený z α-d-glukopyranos.
Zásobní polysacharid rostlin.
Skládá se z:
Amylosy – lineární část (1→4 vazby), tvoří asi 20 % škrobu. Nerozpustná ve
studené vodě.
Amylopektinu – větvená část (1→4 a 1→6 vazby). Větvení každých cca 25
glukosových jednotek.
α-D-glukopyranosa
O
HO
OHHO
O O
HO
OHHO
O
O
amylosa
O
HO
OHHO O
HO
OHHO
O
O
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 28 / 73
Sacharidy
Škrob
α-D-glukopyranosa
O
HO
OHHO
O O
O
OHHO
O
O
amylopektin
O
HO
OHHO O
HO
OHHO
O
O
O
OH
HO
OH
O
O
OH
HO
OH
O
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 29 / 73
Sacharidy
Glykogen – větvený homopolymer složený z až 100 000 α-d-glukopyranosových
jednotek.
Zásobní polysacharid živočichů.
Strukturou podobný amylopektinu (1→4 a 1→6 vazby), větvení co 8–12
jednotek.
Chitin – strukturní polymer některých živočichů.
Složen z N-acetyl-d-glukosaminových jednotek spojených β-(1→4) glykosidovými
vazbami.
Strukturou podobný celulose.
O
OH
NH
HO
O
chitin
O
OH
NH
HO
O
O O
OH
NH
HO O
OH
NH
HO
O
O
H3C
O
O
H3C
O
H3C
O
H3C
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 30 / 73
Úkol č. 1
Nakreslete vzorec α-d-talopyranosy v Haworthově projekci.
HO H
H O
HO H
HO H
H OH
CH2OH
D-talosa
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 31 / 73
Úkol č. 1
Nakreslete vzorec α-d-talopyranosy v Haworthově projekci.
HO H
H O
HO H
HO H
H OH
CH2OH
D-talosa
Řešení:
α-D-talopyranosa
OOH
H
H
OH
OH
HH
OH
CH2OH
H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 31 / 73
Úkol č. 2
Nakreslete vzorec sacharidu, který vznikne Wohlovou degradací d-idosy.
HO H
H OH
H OH
CH2OH
D-idosa
HO H
O H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 32 / 73
Úkol č. 2
Nakreslete vzorec sacharidu, který vznikne Wohlovou degradací d-idosy.
HO H
H OH
H OH
CH2OH
D-idosa
HO H
O H
Řešení:
HO H
H OH
H OH
CH2OH
D-arabinosa
O H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 32 / 73
Úkol č. 3
Nakreslete vzorce sacharidů, které vzniknou z d-lyxosy
Kilianiho-Fischerovou reakcí.
O H
HO H
HO H
H OH
CH2OH
D-lyxosa
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 33 / 73
Úkol č. 3
Nakreslete vzorce sacharidů, které vzniknou z d-lyxosy
Kilianiho-Fischerovou reakcí.
O H
HO H
HO H
H OH
CH2OH
D-lyxosa
Řešení:
O H
HO H
HO H
H OH
CH2OH
D-lyxosa
Kilinani-Fischer
HO H
HO H
H OH
CH2OH
D-galaktosa
HO H
HO H
H OH
CH2OH
D-talosa
H OH
O H
HO H
O H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 33 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Sloučeniny, jejichž základem je uhlovodíkový cyklus, v němž jeden nebo více
atomů uhlíku je nahrazeno heteroatomem.
Mnoho přírodních látek:
N
N
CH3
N
N N
N
O
O
H3C
CH3
CH3
N
N
NH2
HN
H
NH2
COOH
N
H
NH2
HO
N
N
O H
OH
O
O
OH
OH
HO
HO
N
S
O
CH3
CH3
COOH
N
H
O
H
nikotin kofein penicilin G kyselina askorbová
tryptofan serotonin histamin indigo
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 34 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Heterocykly často nesou historické triviální názvy:
N
N
H
O
N
N
H
S N
H
N
H
N
N
O
N
H
N
N
N N
N
H
pyrrol furan thiofen imidazol pyrrolidin
pyridin piperidin pyrimidin 4H-pyran
indol chinolin purin
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 35 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Při číslování heterocyklu se obecně snažíme nejnižší lokanty přidělit
heteroatomům.
Pořadí priorit mezi heteroatomy: O > S > N.
N
N
H
N
OS N
N
1
2
3
4
5
6
1
2
34
5
1
2
34
5
1
2
34
5
Některé heterocykly mají stanovené číslování:
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
1
2
3
45
N
H
N
N
N N
N
H
6
7
6
7
8
7
8
9
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 36 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Hantzschův-Widmanův systém – tvorba systematických názvů monocyklických
heterocyklů. Název heterocyklu se tvoří z předpony, která udává druh
heteroatomu (pro dusík aza-, pro kyslík oxa-, pro síru thia-) a z kmene názvu,
který vyjadřuje počet atomů v cyklu a stupeň nasycenosti sloučeniny.
Heterocykly obsahující Heterocykly neobsahující
Počet atomů atom dusíku atom dusíku
v cyklu Nenasycené Nasycené Nenasycené Nasycené
3 -irin -iridin -iren -iran
4 -et -etidin -et -etan
5 -ol -olidin -ol -olan
6 -in -inan -in -an
7 -epin -epan -epin -epan
8 -ocin -okan -ocin -okan
9 -onin -onan -onin -onan
10 -ecin -ekan -ecin -ekan
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 37 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Hantzschův-Widmanův systém
Nenasycené heterocyklické sloučeniny mají ve svém cyklu maximální počet
nekumulovaných dvojných vazeb. Například dvě dvojné vazby v pětičlenném cyklu
nebo tři dvojné vazby v cyklu šestičlenném.
Příklady:
N
pyrrol (azol)
N
pyridin (azin)
N
N
pyrazin (1,4-diazin)
O
furan (oxol)
H
O
oxiran
N
aziridin
H
N
azetidin
H O
oxolan
N
N
N
1
2
3
4
5
6
1,2,4-triazin
O
N
S
1
2
3
4
5
6
1,4,3-oxathiazin
S
O
N
S
N
1,2,4-thiadiazol 1,3-oxathiolan
1
2
34
5
1
2
34
5
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 38 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Vlastnosti a reaktivita heterocyklů
O
reakce typické pro ethery
N
H
reakce typické pro aminy
Pětičlenné aromatické heterocykly
N H
sp2N
H
O
sp2
O
O N S
podobnost s benzenem
podobnost s dieny
H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 39 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Pětičlenné aromatické heterocykly
Aromatická sloučenina Delokalizační energie/(kJ mol−1
)
Benzen 151
Thiofen 121
Pyrrol 92
Furan 67
Rezonanční struktury thiofenu, pyrrolu a furanu:
X X XX X
X = S, O, N
X
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 40 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Pětičlenné aromatické heterocykly
Při elektrofilní aromatické substituci elektrofil vstupuje přednostně do pozic 2 a 5.
N
H
H
E N
H
H
E N
H
H
E
N
H
N
H
H
E
H
E
N
H
E
Pyrrol (a další pětičlenné aromatické heterocykly) je nestabilní v přítomnosti
kyselin – dochází k polymeraci.
N
H
H
H N
H
+ polymerace
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 41 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Pro elektrofilní substituce se používají nekyselá činidla.
N
H
NO O
Cl
N
H
+Cl N
H
ClClNCS
N
H
N
H
NO2
HNO3/Ac2O
H3C O
NO2
O
−10 °C
S
HNO3/H2SO4
30 °C S NO2
S 30 °C S Br
NBS
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 42 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Porfin – aromatický π-systém s 18 elektrony obsahující 4 cykly pyrrolu.
Porfyriny – deriváty porfinu.
N
N
N
N
H
H
porfin
N
N
N
N
CH3HOOCH2CH2C
CH3
H3C
H3C
HOOCH2CH2C CH2
CH2
Fe
hem
Jedna z metod přípravy:
N − 4 H2O
− 3 H2
BF3 Et2O
H
44 +R
O
H
N
N
N
N
R
R
R
R
H H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 43 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Produktem metabolismu hemu jsou bilirubin a biliverdin:
N
H
HN
H
N
N
CHCH3
CH3
CH
CH3HOOCH2CH2C
HOOCH2CH2C
CH3
biliverdin
O
O
CH2
CH2
redukce
N
H
HN
H
N
NH
CHCH3
CH3
CH
CH3HOOCH2CH2C
HOOCH2CH2C
CH3
bilirubin
O
O
CH2
CH2
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 44 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Pyridin – šestičlenný aromatický heterocyklus.
Elektronový pár atomu dusíku není v konjugaci.
sp2
N
N
Atom dusíku odčerpává elektronovou hustotu z atomů uhlíku:
N N N N N
Pyridin je zásadou:
N N
HpKb = 8,8
H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 45 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Pyridin může vystupovat také jako nukleofil nebo Lewisova zásada:
N N
CH3
CH3Br
Br
SO3
SN2
N
SO O
O
R
Br
O
N
Br
O R
Pyridin podstupuje neochotně elektrofilní aromatické substituce, elektrofil
vstupuje do pozice 3.
N
300 °C
HNO3/H2SO4
N
3-nitropyridinpyridin
NO2
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 46 / 73
Heterocyklické sloučeniny
N O S N
snadnost elektrofilní aromatické substituce
H
Pokud je na jádře potenciální odstupující skupina, může proběhnout
nukleofilní aromatická substituce:
N Cl
2-chlorpyridin
CH3ONa
50 °C
N OCH3
2-methoxypyridin
+ NaCl
OCH3
mechanismus:
N Cl N OCH3
Cl
Na
N OCH3
Na
+ NaCl
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 47 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Pyrimidin a jeho deriváty
N
N
N
N
O
O
uracil cytosin thymin
N
N
NH2
O
N
N
O
O
CH3
H
H
H
H
H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 48 / 73
Heterocyklické sloučeniny
Purin a jeho deriváty
N
N N
N
NH2
adenin
H
N
N N
N
H
N
N N
N
H
N
N N
N
O
H2N
guanin
H
N
N N
N
O
O
O
mocová kyselina
H2O
78 % 22 %
20 °C
H
H H
H
N
N
CH3
H3C
O
O
kofein
N
N
CH3
H3C
O
O
theofillin
N
N
CH3
O
O
theobromin
N
N
CH3
N
N
H
N
N
CH3
H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 49 / 73
Úkol č. 4
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
N
H2SO4/SO3
HgSO4
250 °C
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 50 / 73
Úkol č. 4
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
N
H2SO4/SO3
HgSO4
250 °C
Řešení:
N
H2SO4/SO3
HgSO4
250 °C N
SO3H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 50 / 73
Úkol č. 5
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
N
H
(NBS)
N Br
O
O
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 51 / 73
Úkol č. 5
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
N
H
(NBS)
N Br
O
O
Řešení:
N
H
(NBS)
N Br
O
O
N
H
Br
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 51 / 73
Aminokyseliny
Substituční deriváty karboxylových kyselin s -COOH i -NH2 skupinami.
Bílkoviny obsahují α-aminokyseliny (22, z nich 20 standardně kodovaných).
Téměř výhradně l-aminokyseliny.
COOH
R
H2N H
Prolin je sekundární amin.
N
H
COOH
Další biologicky významné aminokyseliny:
COOHH2N
γ-aminomáselná kyselina
(γ-aminobutanová kyselina)
O
HO
I
I
I
I
COOH
NH2
thyroxin
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 52 / 73
Aminokyseliny
Acidobazické chování aminokyselin chyba v označení pKa
R
H
NH3
COOH
pKa1
R
H
NH3
COO
pKa2
R
H
NH2
COO
Příprava α-aminokyselin
CH2 C
O
OH
Br + HN3
(nadbytek)
SN2
CH2 C
O
O
H3N + NH4Br
N
H
CH3
O
EtO
O
OEt
O
EtONa
−EtOH
N
H
CH3
O
EtO
O
OEt
O
1. PhCH2Br
2. H2O/H , ∆T
OH
O
NH3
+ CO2
CH3COOH+
H3C
H
O
+ NH3 + HCN H3C
NH2
H
C N
H2O/H , ∆T
H3C
NH3
H OH
O
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 53 / 73
Aminokyseliny
Peptidová vazba
CH C
O
OH
H2N
R1
CH C
O
OH
H2N
R2
+ CH CH2N
R1
O
N
H
CH
R2
C
OH
O
+ H
O
H
C
O
N
C
O
N
Amidová vazba – planární uspořádání atomů NCO.
Konformery:
C
O
N
H
s-trans
C
O
N
H
s-cis
Ea = 80 kJ/mol
s-trans je stabilnější, v peptidech ale obvykle převládá s-cis.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 54 / 73
Aminokyseliny
Chemická příprava amidů pomocí DCC
R1
OH
O
H2N R2+
DCC R1
N
O
H
R2
N C N
DCC
dicyklohexylkarbodiimid
Dochází k aktivaci karboxylové kyseliny, produktem je stabilní
dicyklohexylmočovina.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 55 / 73
Aminokyseliny
Mechanismus:
R1
O
O
R1
N
O
H
R2
H
C
N
N
Cy
Cy
R1
O
O
C
N
N
Cy
Cy
H
R1
O
O
C
N
N Cy
H
Cy
NH2
R2
R1
O
N
R2
HH
O
C
N
Cy
N
H
Cy
R1
O
N
O
C
N
Cy
N
H
Cy
R2 H
H
R1
O
N
O
C
N
Cy
N
H
Cy
R2 H
H
R1
N
O H
H
R2
O
C
N
Cy
N
H
Cy
+ N
O
N
H
Cy
H
Cy
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 56 / 73
Aminokyseliny
Při reakci více aminokyselin čelíme problému selektivity reakce:
CH2 C
O
OH
H2N + CH C
O
OH
H2N
CH3
DCC
CH2 CH2N
O
N
H
CH
CH3
C
OH
O
CH2 CH2N
O
N
H
CH2 C
OH
O
CH CH2N
CH3
O
N
H
CH2 C
OH
O
CH CH2N
CH3
O
N
H
CH
CH3
C
OH
O
Gly Ala
Gly-Ala
Ala-Ala
Ala-Gly
Ala-Ala
Řešením je použít chránicích skupin k dočasnému zablokování -NH2 a -COOH
skupin, které se nemají účastnit reakce.
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 57 / 73
Aminokyseliny
Chránění -NH2 skupiny ve formě karbamátu:
Boc – terc-butoxykarbonyl
CH C
O
OH
H2N
R
O
O
O
O
O
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
H3C
(Boc)2O
+ CH C
O
OH
N
R
HO
OH3C
H3C
H3C
+ HO CH3
CH3
CH3
CO2+
deprotekce:
CH C
O
OH
N
R
HO
OH3C
H3C
H3C
CF3COOH
TFA
CH C
O
OH
H2N
R
+ H2C
CH3
CH3
CO2+
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 58 / 73
Aminokyseliny
Chránění -NH2 skupiny ve formě karbamátu:
Fmoc – fluorenylmethyloxykarbonyl
CH C
O
OH
H2N
R
+
CH C
O
OH
N
R
HO
O
+
deprotekce:
CH C
O
OH
H2N
R
+ H2C
O
Cl
O HCl
Fmoc-Cl
+ CO2
NH
CH C
O
OH
N
R
HO
O
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 59 / 73
Aminokyseliny
Chránění -COOH skupiny ve formě methyl- nebo benzylesteru:
CH C
O
OH
H2N
R1
+
deprotekce:
CH C
O
OH
H2N
R
+
R2HO
H
(kat.)
CH C
O
O
H2N
R1
+
R2
H2O
CH C
O
O
H2N
R1
R2
H2O
kyselina
nebo
báze
R2HO
R2 = methyl, benzyl
benzylester:
CH C
O
O
H2N
R1
HBr
CH3COOH
H2
Pt
CH C
O
OH
H2N
R
CH C
O
OH
H2N
R
+
CH3
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 60 / 73
Aminokyseliny
Syntéza peptidu s využitím chránicích skupin:
OH
O
N
H
Boc H2N
CH3
H3C
O
O
+
DCC
N
O
N
H
Boc
H
H3C CH3
O
O
1. CF3COOH
2. H2O/NaOH
N
O
H2N
H
H3C CH3
O
OH
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 61 / 73
Aminokyseliny
Syntéza peptidů na pevné fázi
R. B. Merrifield (1921–2006) – první publikace metody v roce 1963.
Nobelova cena v roce 1984.
Pevná fáze na bázi modifikovaného polymeru:
Cl Cl Cl
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 62 / 73
Aminokyseliny
Syntéza peptidů na pevné fázi
polymer CH2 Cl + OOC CH
R1
N
H
Boc polymer CH2 O C
O
CH
R1
N
H
Boc
TFA
polymer CH2 O C
O
CH
R1
NH2
HOOC CH
R2
N
H
Boc
DCC
polymer CH2 O C
O
CH
R1
N
H
C
O
CH
R2
N
H
Boc
TFA
polymer CH2 O C
O
CH
R1
N
H
C
O
CH
R2
NH2
HOOC CH
R3
N
H
Boc
DCC
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 63 / 73
Aminokyseliny
Syntéza peptidů na pevné fázi
polymer CH2 O C
O
CH
R1
N
H
C
O
CH
R2
N C
H O
CH
R3
N
H
Boc
TFA
polymer CH2 O C
O
CH
R1
N
H
C
O
CH
R2
N C
H O
CH
R3
NH2
HF
HOOC CH
R1
N
H
C
O
CH
R2
N C
H O
CH
R3
NH2
tripeptid
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 64 / 73
Aminokyseliny
Sekvenování peptidů
Instrumentální (MS. . . )
Chemické metody.
Delší řetězce je potřeba selektivně rozštěpit na menší fragmenty:
Enzymaticky – trypsin (karboxyl Arg a Lys), chymotrypsin (karboxyl
Phe, Tyr a Trp). . .
Chemicky – BrCN (karboxyl Met).
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 65 / 73
Aminokyseliny
Sekvenování peptidů
Val-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-Lys-Leu-His
trypsin:
chymotrypsin:
Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-Lys Val-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-ArgLeu-His
Gly-Lys-Leu-His Val-Gly-Ala-Phe Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-TyrGly-Ser-Trp
Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-LysVal-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-Arg Leu-His
Gly-Lys-Leu-HisVal-Gly-Ala-Phe Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-Tyr Gly-Ser-Trp
stanovení sekvence:
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 66 / 73
Aminokyseliny
Označení aminokyseliny na N-konci pomocí Sangerova činidla:
N
H
R2 O
NH2
R1
NH2
R2
+
NO2
F
NO2
+
− HF
N
H
R2 O
N
R1
H NO2
NO2
H2O/H
∆T
O
N
R1
H NO2
NO2
HO
Edmanovo odbourávání pomocí fenylisothyokyanátu:
N
H
R2 O
NH2
R1
N C S1.
2. CF3COOH
NH2
R2
+
N
N
S
H
R1
O
fenylthiohydantoin
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 67 / 73
Aminokyseliny
Pomocí Edmanova odbourávání lze sekvenovat řetězce dlouhé max. 50
aminokyselin.
Mechanismus Edmanova odbourávání:
N
H
O
NH2
R
C
S
N Ph
N
H
O
N
R
H
C
H
NS
Ph
N
SO
N
H
N
Ph
R
H
H
N
SO
N
H
N
Ph
R H
H
N
SO
N
H
N
Ph
R H
H
O H
O
F3C
O
O
F3C
N
S N
Ph
HR
O
H
N
H
H
N
S N
Ph
HR
O
N
N S
HR
O
Ph
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 68 / 73
Aminokyseliny
Sekvenátor
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 69 / 73
Úkol č. 6
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
COOH
NH2
+ CH3OH
(nadbytek)
H+
(kat.)
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 70 / 73
Úkol č. 6
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
COOH
NH2
+ CH3OH
(nadbytek)
H+
(kat.)
Řešení:
COOH
NH2
+ CH3OH
(nadbytek)
H+
(kat.) NH2
+
O
O
CH3
H
O
H
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 70 / 73
Úkol č. 7
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
O COOH
+
DCC
(kat.)
O
CH2CH3
HO
CH3
CH3
CH3
N
N
H3C CH3
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 71 / 73
Úkol č. 7
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
O COOH
+
DCC
(kat.)
O
CH2CH3
HO
CH3
CH3
CH3
N
N
H3C CH3
Řešení:
O COOH
+
DCC
(kat.)
O
CH2CH3
HO
CH3
CH3
CH3
N
N
H3C CH3
O
O
CH2CH3
O
O
CH3
CH3
CH3
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 71 / 73
Úkol č. 8
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
+
DCC
(kat.)
NH2
O
O
CH3
O
HO
N
H
O
O
CH3
H3C
CH3
N
N
N
OH
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 72 / 73
Úkol č. 8
Doplňte hlavní produkt následující reakce.
+
DCC
(kat.)
NH2
O
O
CH3
O
HO
N
H
O
O
CH3
H3C
CH3
N
N
N
OH
Řešení:
+
DCC
(kat.)
NH2
O
O
CH3
O
HO
N
H
O
O
CH3
H3C
CH3
N
N
N
OH
N
O
O
CH3
H
O
N
H
O
O
CH3
H3C
CH3
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 72 / 73
Úkol č. 9
Navrhněte výchorí látky, které Streckerovou reakcí poskytnou fenylalanin.
COOH
NH2
fenylalanin
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 73 / 73
Úkol č. 9
Navrhněte výchorí látky, které Streckerovou reakcí poskytnou fenylalanin.
COOH
NH2
fenylalanin
Řešení:
COOH
NH2
fenylalanin
H
O
+ NH3 + HCN
CN
NH2
H2O
H+
∆T
Jaromír Literák Základy organické chemie 16. května 2019 73 / 73