FARMACJA – Chemia organiczna

1

A N A L I Z A J A K O Ś C I O W A – C Z Ę Ś Ć T R Z E C I A

ANALIZA GRUP FUNKCYJNYCH: WĘGLOWODANY, AMINOKWASY, BIAŁKA, LIPIDY,

STEROIDY, ZWIĄZKI HETEROCYKLICZNE

WĘGLOWODANY

Węglowodany (cukry, sacharydy) są związkami pochodzenia naturalnego, w

większości przypadków ich struktura daje wyrazić się wzorem ogólnym C

n

(H

2

O)

m

. Aby

zaliczyć dany związek do węglowodanów należy brać pod uwagę jego właściwości
chemiczne i biologiczne.

Najbardziej ogólny podział cukrów przewiduje wyodrębnienie dwóch klas

związków:
1. cukry właściwe – węglowodany,

2. związki cukropodobne – substancje pektynowe, hemicelulozy, gumy roślinne itp.

Można

powiedzieć,

że

węglowodany

są

polihydroksyaldehydami

i

polihydroksyketonami, lub substancjami dającymi tego typu związki w wyniku hydrolizy.
Węglowodany obejmują bardzo liczną grupę związków o różnych właściwościach. Należą
tu związki drobno- i wielkocząsteczkowe, dobrze rozpuszczalne jak i praktycznie nie

rozpuszczalne w wodzie, o smaku słodkim i bez smaku, hydrolizujące i niehydrolizujące.

Węglowodany dzielimy zasadniczo na trzy typy:

1. monosacharydy

(jednocukry, cukry proste), które nie ulegają hydrolizie

do prostszych cząsteczek; struktura odpowiada, z reguły, wzorowi C

n

H

2n

O

n

, gdzie n =

2,3,4,......10;

2. oligosacharydy

(wielocukry

proste),

czyli

pochodne

monosacharydów,

zawierające wiązanie glikozydowe (acetalowe); w skład jednej cząsteczki

oligosacharydu może wchodzić od 2 do 9 cząsteczek monosacharydów;

3. polisacharydy

(wielocukry złożone), makrocząsteczki o budowie podobnej do

oligosacharydów; w wyniku hydrolizy dają wielką liczbę cząsteczek monosacharydów.

Monosacharydy

Monosacharydy (jednocukry) są to polihydroksyaldehydy lub polihydroksyketony.

Dzielimy je w zależności od:
a. liczby atomów węgla w cząsteczce na: triozy, tetrozy, pentozy, heksozy, itd.,

b. obecności grupy funkcyjnej na: aldozy – posiadające grupę aldehydową, ketozy –

zawierające grupę ketonową.

Poniżej przedstawione są wzory i nazwy monosacharydów należących do szeregu D
(konfiguracja podstawników na ostatnim asymetrycznym atomie węgla w cząsteczce jest

FARMACJA – Chemia organiczna

2

taka jak w aldehydzie D-glicerynowym). Pentozy i heksozy mają największe znaczenie

wśród monosacharydów.

ALDOZY

KETOZY

O

OH

H

OH

H

OH

D-erytroza

OH

O

O

H

H

H

OH

D-treoza

OH

OH

O

H

OH

D-erytruloza

PENTOZY

OH

O

H

OH

H

OH

H

OH

OH

O

O

H

H

H

OH

H

OH

OH

O

H

OH

O

H

H

H

OH

OH

O

O

H

H

O

H

H

H

OH

D-arabinoza

D-ryboza

D-ksyloza

D-liksoza

OH

H

OH

H

OH

O

OH

OH

O

H

H

H

OH

O

OH

D-rybuloza

D-ksyluloza

HEKSOZY

OH

O

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

OH

O

O

H

H

H

OH

H

OH

H

OH

OH

O

H

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

OH

O

O

H

H

O

H

H

H

OH

H

OH

D-alloza

D-altroza

D-glukoza

D-mannoza

OH

O

H

OH

H

OH

H

OH

OH

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

O

OH

OH

H

OH

O

H

H

H

OH

O

OH

OH

O

H

H

O

H

H

H

OH

O

OH

D-psikoza

D-fruktoza

D-sorboza

D-tagatoza

OH

O

H

OH

H

OH

O

H

H

H

OH

OH

O

O

H

H

H

OH

O

H

H

H

OH

OH

O

H

OH

O

H

H

O

H

H

H

OH

OH

O

O

H

H

O

H

H

O

H

H

H

OH

D-guloza

D-idoza

D-galaktoza

D-taloza

Monosacharydy występują głównie w formie pierścieniowej dzięki tworzeniu się

wewnątrzcząsteczkowego wiązania hemiacetalowego pomiędzy grupą karbonylową i jedną
z grup hydroksylowych.



-D-glukopiranoza



-D-fruktofuranoza



-D-galaktopiranoza



-D-fruktopiranoza

CH

2

OH

OH

HOH

2

C

O

H

H

H

OH

H

O

H

O

H

H

H

OH

H

OH

H

OH

HOH

2

C

O

CH

2

OH

H

OH

O

H

H

O

H

H

H

OH

H

O

O

OH

H

H

H

O

H

OH

H

OH

H

OH

O

OH

OH

H

H

O

H

H

OH

H

H

OH

O

OH

H

H

O

H

H

OH

H

OH

H

OH

O

OH

H

O

H

OH

H

H

O

H

OH

Projekcje Hawortha

Projekcje Fischera

CH

2

OH

H

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

H

O

FARMACJA – Chemia organiczna

3

Pięcio- i sześcioczłonowe cykliczne hemiacetale są szczególnie trwałe, stąd węglowodany

istnieją jako mieszanina form cyklicznych i łańcuchowych pozostających ze sobą w

równowadze. Dla pięcioczłonowej formy pierścieniowej cząsteczki cukru przyjęto

określenie furanoza, natomiast dla formy sześcioczłonowej – piranoza. Oba określenia
pochodzą od cyklicznych eterów: furanu i piranu.

Utworzenie ugrupowania hemiacetalowego skutkuje także utworzeniem

dodatkowego centrum stereogenicznego w cząsteczce cukru. Karbonylowy atom węgla,

pierwotnie o hybrydyzacji sp

2

, staje się atomem tetraedrycznym o hybrydyzacji sp

3

,

połączonym z czterema różnymi atomami. W zależności od konfiguracji podstawników

przy tym właśnie atomie węgla, możemy mieć do czynienia z anomerem α lub β

pierścieniowej formy cukru. Obie formy różnią się skręcalnością właściwą [α]

D

oraz,

nieznacznie, temperaturą topnienia. Anomery w roztworze wodnym ulegają mutarotacji,

następuje odwracalne otwarcie pierścienia i odtworzenie grupy karbonylowej, po czym
zachodzi ponowne zamknięcie pierścienia, często z odwróceniem konfiguracji na

hemiacetalowym (anomerycznym) atomie węgla. Prowadzi to powstania mieszaniny
anomerów, pozostających wobec siebie w równowadze, a przez to do zmiany skręcalności
roztworu cukru. Proces ten zachodzi powoli w obojętnym pH, ale jest katalizowany

zarówno przez kwasy jak i zasady.

Właściwości chemiczne cukrów wynikają z faktu, że związki te są jednocześnie

aldehydami lub ketonami oraz alkoholami. Z obecnością grup hydroksylowych wiąże się

zdolność cukrów do tworzenia estrów, z których duże znaczenie mają estry fosforanowe.
Estry te biorą udział w katabolicznych i anabolicznych przemianach cukrów.

Z obecnością grup karbonylowych wiąże się zdolność cukrów do enolizacji. Pod

wpływem rozcieńczonych zasad ketozy i aldozy ulegają wzajemnej izomeryzacji z
wytworzeniem pośrednich form endiolowych. Proces ten nazywany jest epimeryzacją, a

cukry w nim uczestniczące – epimerami. W środowisku zasadowym epimery pozostają ze
sobą w równowadze.

Przemiany tego typu zachodzą również w komórkach roślinnych i zwierzęcych,
katalizowane są przez enzymy – epimerazy.



-D-glukopiranoza

36%

[



]

D

= +112,2

0

O

OH

H

H

H

O

H

OH

H

OH

H

OH

OH

H

H

H

O

H

OH

H

OH

OH

H

O

O

H

H

H

H

O

H

OH

H

OH

OH

OH



-D-glukopiranoza

64%

[



]

D

= +18,7

0

D-glukoza

[



]

D

roztworu w rownowadze

= 36% x (+112,2

0

) + 64% x (+18,7

0

) = +52,36

0

anomeryczny at. C

anomeryczny at. C





FARMACJA – Chemia organiczna

4

1.

Reakcje z pochodnymi amoniaku

Grupa karbonylowa w cukrach, poza tendencją do enolizacji, wykazuje właściwości

typowe dla aldehydów i ketonów. Przede wszystkim ulega reakcjom addycji nukleofilowej;
w reakcjach z fenylohydrazyną, hydroksyloaminą itp. otrzymuje się odpowiednie

pochodne azotowe (patrz, reakcje wspólne aldehydów i ketonów).

Dość istotną reakcją w analizie cukrów jest otrzymywanie osazonów. Cukry

redukujące w reakcji z fenylohydrazyną dają krystaliczne pochodne, różniące się

kształtem kryształów oraz temperaturami topnienia.

Ponieważ reakcja z fenylohydrazyną zachodzi na dwóch pierwszych atomach węgla, cukry

różniące się konfiguracją przestrzenną na tylko tych właśnie atomach węglach, a więc
będące w stosunku do siebie epimerami, tworzą identyczne osazony. Glukoza, fruktoza,

mannoza dają ten sam osazon, który krystalizuje w postaci żółtych, cienkich igiełek,
rozrzuconych pojedynczo lub zebranych w wiązki. Cukry różniące się konfiguracją na
dalszych atomach węgla tworzą różne osazony, na tej podstawie mogą być identyfikowane

oraz odróżniane jedne od drugich.

OH

O

H

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

NH

2

-NH-C

6

H

5

OH

N

H

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

NH

C

6

H

5

-H

2

O

NH

2

-NH-C

6

H

5

-NH

3

, C

6

H

5

NH

2

OH

N

O

H

H

H

OH

H

OH

NH

C

6

H

5

O

NH

2

-NH-C

6

H

5

-H

2

O

osazon glukozy

glukoza

fenylohydrazon glukozy

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

N

NH C

6

H

5

N

NH C

6

H

5

OH

O

H

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

OH

OH

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

O

OH

D-glukoza

endiol

D-fruktoza

O

H

-

O

H

-

Epimeryzacja

OH

O

O

H

H

O

H

H

H

OH

H

OH

D-mannoza

O

H

-

FARMACJA – Chemia organiczna

5

2.

Próby grupowe cukrów

Cząsteczki cukrów pod wpływem stężonych kwasów, takich jak kwas solny,

siarkowy czy octowy, ulegają odwodnieniu i przekształcają się w pochodne furanu, z

pentoz powstaje furfural, z heksoz – 5-hydroksymetylofurfural.

Związki te kondensując z fenolami dają barwne pochodne triarylometanowe.
Do barwnych prób cukrów (monosacharydów, ale również oligo- i polisacharydów, które

pod wpływem kwasów ulegają hydrolizie do cukrów prostych) należą następujące reakcje:

a.

tymolowa – uzyskuje się pochodne barwy czerwonej,

b.

Molischa z α-naftolem – barwa czerwonofioletowa),

c.

Biala z orcyną na pentozy – roztwór zabarwia się na zielono,

d.

Seliwanowa z rezorcyną na ketozy – roztwór zabarwia się na różowo.

Próby Molischa i tymolowa są reakcjami grupowymi. Znaczy to, że wynik ujemny

reakcji wyklucza obecność węglowodanów, natomiast dodatni nie jest wystarczającym
dowodem ich obecności, gdyż pozytywny wynik próby dają także aldehydy, aceton, kwasy
mlekowy, kwas cytrynowy i mrówkowy.

W próbie Biala pentozy, po odwodnieniu do furfuralu, w reakcji z orcyną i w obecności
jonów żelaza(III) tworzą kompleksy o barwie zielononiebieskiej. Heksozy natomiast
przekształcając się w hydroksymetylofurfural w tych samych warunkach reagują

znacznie słabiej dając kompleks o barwie zielonobrązowej.
Reakcja Seliwanowa jest wykorzystywana do odróżnienia ketoz od aldoz na zasadzie

różnicy w szybkości odwadniania tych cukrów. Ketozy ogrzewane w 12% wodnym

OH

+

2

OH

O

C

R

OH

H

OH

O

C

R

O

Próba Molischa

H

+

- H

2

O

CHO

O

R

R = CH

2

OH,

R = H, furfural

5- hydroksymetylofurfural

czerw onofioletow y barw nik

C

5

H

10

O

5

HCl

- 3H

2

O

O

O

H

C

6

H

12

O

6

HCl

- 3H

2

O

O

O

H

HOH

2

C

furfural

5-hydroks ymetyl ofurfural

pentoza

heksoza

FARMACJA – Chemia organiczna

6

roztworze HCl w temperaturze 100°C w ciągu 30 sekund ulegają odwodnieniu

do 5-hydroksymetylofurfuralu, który z rezorcyną tworzy kompleks o barwie czerwono-

wiśniowej. W tych warunkach aldozy nie ulegają odwodnieniu, co pozwala na ich

odróżnienie od ketoz. Użycie kwasu bardziej stężonego jak również wydłużenie czasu
ogrzewania lub podwyższenie temperatury może sprawić, iż reakcji tej ulegną również

aldozy. Próba ta daje również wynik pozytywny w przypadku wielocukrów zawierających
ketozy.

3.

Próby redukcyjne cukrów

W przypadku aldoz można mówić o własnościach redukujących. Liczne próby na

cukry oparte są na redukcji dwuwartościowego jonu miedzi(II) do jednowartościowego
jonu miedzi(I), podczas których aldozy utleniają się do kwasów aldonowych (glukoza

utlenia się do kwasu glukonowego). Najczęściej stosowane próby redukcyjne cukrów to

próby: Trommera, Fehlinga, Benedicta i Barfoeda.

Ponadto aldozy, podobnie jak aldehydy, dają pozytywny wynik reakcji Tollensa (patrz:

reakcje aldehydów).

W próbie Fehlinga po zmieszaniu odczynników „Fehling I” (CuSO

4

×5H

2

O w

rozcieńczonym H

2

SO

4

) i „Fehling II” (roztwór winianu sodowo-potasowego i NaOH)

powstaje zasadowy roztwór kompleksu wodorotlenku miedzi z winianem, co zapobiega
wytrącaniu się Cu(OH)

2

i maskowaniu końcowego produktu reakcji, czerwonego Cu

2

O.

Kompleks posiada strukturę trójwodnego winianu miedziowego, z sześciokrotnie
skoordynowanym kationem miedzi(II). Dodany cukier redukujący ulega utlenieniu

oddając elektrony, które przyjmowane są przez Cu

2+

. W wyniku tego kompleks

O

OH

H

H

H

O

H

OH

H

OH

H

OH

OH

H

H

H

O

H

OH

H

OH

OH

O

H

OH

H

H

H

O

H

OH

H

OH

OH

O

OH

O

H

-

Cu

2+

Cu

+

+

-

O

O

H

R

1

O

H

OH

R

Reakcja Biala: orcyna (R = CH

3

), produkt barwy zielonej

Reakcja Seliwanowa: rezorcyna (R = H), produkt barwy czerwonej

R

1

= H; CH

2

OH

2

+

H

+

-H

2

O

O

O

OH

O

R

R

R

1

Próba Biala / Seliwanowa

FARMACJA – Chemia organiczna

7

wodorotlenku miedzi z winianem rozpada się, Cu

2+

redukuje się do Cu

+

i po ogrzaniu

wytrąca się w postaci czerwonego lub pomarańczowego osadu tlenku miedzi(I) (Cu

2

O).

Próba Benedicta (CuSO

4

×5H

2

O, cytrynian sodu, węglan sodu) należy do

najbardziej specyficznych i czułych prób redukcyjnych na cukry. Powstający w tej reakcji
Cu

2

O w zależności od ilości cukru redukującego ma różne zabarwienie (od zielonożółtego

przez pomarańczowe do czerwonego).

W próbie Trommera rolę solubilizatora wodorotlenku miedzi(II) spełnia sam

cukier. Z tego powodu dodawanie zbyt dużej ilości siarczanu miedzi(II) może doprowadzić

do nadmiaru Cu(OH)

2

, który po ogrzaniu przechodzi w czarny CuO i maskuje prawidłowy

wynik reakcji. W przypadku dodania zbyt dużej ilości roztworu CuSO

4

i wytrącenia

wodorotlenku miedzi, należy osad odsączyć, po czym dopiero ogrzać próbę.

Próba Barfoeda (roztwór octanu miedzi i kwasu mlekowego) w modyfikacji Tauber-

Kleinera pozwala odróżnić cukry proste od dwucukrów redukujących. W przypadku

monocukrów czerwony osadu Cu

2

O pojawia się już po ok. 15 minutach ogrzewania we

wrzącej łaźni wodnej. Natomiast w przypadku disacharydów redukujących dodatni wynik

próby obserwuje się po ok. 2-3-krotnie dłuższym czasie.

Fakt, że cukry mogą zostać utlenione do kwasów aldonowych został wykorzystany

w celu odróżnienia aldoz od ketoz. Tylko w obecności aldoz następuje odbarwienie wody
bromowej z dodatkiem kwaśnego węglanu sodu.

Oligosacharydy

Oligosacharydami nazywamy wielocukry proste, zbudowane z niewielkiej liczby

cząsteczek cukrów prostych (monosacharydów) połączonych wiązaniami glikozydowymi.

Najprostszymi, a jednocześnie najważniejszymi i najbardziej rozpowszechnionymi

oligosacharydami są dwucukry, które w wyniku hydrolizy (kwasowej lub enzymatycznej),

dają monosacharydy i to najczęściej heksozy. W skład dwucukrów mogą wchodzić dwie
identyczne lub różne reszty cukrów prostych.

OH

O

H

OH

O

H

H

O

H

H

H

OH

H

D-galaktoza

Br

2

, H

2

O

OH

O

H

OH

O

H

H

O

H

H

H

OH

O

-

NaHCO

3

sól kw asu D-galaktonow ego

FARMACJA – Chemia organiczna

8

Monosacharydy wchodzące w skład dwucukrów łączą się między sobą za pomocą

wiązania O-glikozydowego α lub β. Atom wodoru hemiacetalowej grupy wodorotlenowej w

anomerze α lub β jest podstawiany resztą drugiej cząsteczki cukru, a tworzące się

wiązanie określane jest jako glikozydowe.

W przypadku, gdy w jednej z reszt monocukrowych, składających się na

cząsteczkę disacharydu, znajduje się wolna grupa hydroksylowa przy hemiacetalowym

atomie węgla, to taki disacharyd zachowuje się jak cukier prosty i jest określany
dwucukrem redukującym.

Disacharydy redukujące, między innymi, ulegają:
a. mutarotacji,
b. próbom redukcyjnym (reakcjom z odczynnikami Tollensa, Fehlinga i Benedicta itp.),

c. reakcjom addycji nukleofilowej, dając cyjanohydryny, oksymy, hydrazony, osazony

itp.

Najbardziej znanymi dwucukrami redukującymi są maltoza i laktoza. Maltoza

zbudowana jest z dwóch cząsteczek α-D-glukopiranozy połączonych wiązaniem α-1,4-
glikozydowym, natomiast laktoza składa się z α-D-glukopiranozy oraz β-D-

galaktopiranozy połączonych wiązaniem β-1,4-glikozydowym.

Jeżeli w powstawaniu wiązania glikozydowego pomiędzy dwiema cząsteczkami

monocukru biorą udział oba układy hemiacetalowe, to otrzymujemy disacharydy

nieredukujące, które nie dają reakcji typowych dla disacharydów redukujących czy
monosacharydów. Przeprowadzenie takich reakcji jest możliwe dopiero po hydrolizie

wiązania glikozydowego i uwolnieniu cząsteczek monocukrów.

w iązanie O-glikozydow e

anomeryczny atom w ęgla

O

OH

OH

H

O

H

H

H

OH

H

H

OH



-

D-Idopiranoza

C

5

H

10

O

5

O

O

OH

H

O

H

H

H

OH

H

H

OH

C

5

H

9

O

4



-pentozylo-D-idopiranozyd

anomeryczny atom w ęgla

(acetalow y)

(hemiacetalow y)

- H

2

O





maltoza

O

H

H

H

O

H

H

OH

H

OH

O

OH

O

OH

H

H

H

OH

H

OH

H

OH

O

O

H

H

H

O

H

OH

H

OH

H

OH

O

OH

H

H

H

OH

H

OH

H

OH

laktoza

reszta nieredukująca

reszta redukująca

reszta nieredukująca

reszta redukująca







1

1

4

1

1

4



O-



-D-galaktopiranozylo-(1 4)-



-D-glukopiranoza

O-



-D-glukopiranozylo-(1 4)-



-D-glukopiranoza

FARMACJA – Chemia organiczna

9

Przedstawicielem dwucukrów nieredukujących jest sacharoza, zbudowana z α-D-

glukopiranozy i β-D-fruktofuranozy połączonych ze sobą wiązaniem α-1,2-glikozydowym.

Polisacharydy

Polisacharydy są glikozydami, których cząsteczki utworzone są z setek lub tysięcy

reszt węglowodanowych, połączonych ze sobą poprzez atomy tlenu grup
hemiacetalowych.

Najważniejszymi polisacharydami są:

1. skrobia – pochodzenia wyłącznie roślinnego,
2. glikogen – pochodzenia wyłącznie zwierzęcego,

3. celuloza.

Skrobia – jest podstawowym składnikiem świata roślinnego. Ziarna skrobi,

charakterystyczne dla roślin, z których pochodzą, różnią się rozmiarami i zbudowane są z

dwóch warstw:
a. zewnętrznej – amylopektyny nierozpuszczalnej w wodzie,

b. wewnętrznej – amylozy rozpuszczalnej w wodzie.

Produktami kwasowej hydrolizy skrobi w początkowym etapie są różne dekstryny o

coraz niższym ciężarze cząsteczkowym. W dalszej kolejności uzyskuje się maltozę, a w
końcu glukozę.

Charakterystyczną reakcją dla polisacharydów zbudowanych z cząsteczek glukozy

jest próba z jodem. Amyloza daje zabarwienie niebieskie, amylopektyna – fioletowe,

glikogen – brunatnoczerwone, a celuloza – żółte. Niebieska barwa jest charakterystyczna
dla długich spiralnie skręconych nici, bez bocznych odgałęzień. W miarę skracania się

łańcucha wzmaga się zabarwienie czerwone. Produkty degradacji skrobi (dekstryny) o
długich łańcuchach barwią się na niebiesko-fioletowo (amylodekstryny), o średniej

O

H

O

H

OH

H

H

O

H

OH

O

O

H

H

H

O

H

OH

H

OH

H

OH

O

O

H

H

H

O

H

OH

H

OH

H

OH

O

H

H

O

H

OH

H

O

H

OH

reszta nieredukująca

reszta nieredukująca

sacharoza

2-O-(



-D-glukopiranozylo)-



-D-fruktofuranozyd

1

2

1

2









skrobia

H

2

O

H

+

amylodekstryny

erytrodekstryny

H

2

O

H

+

H

2

O

H

+

achrodekstryny

H

2

O

H

+

maltoza

H

2

O

H

+

glukoza

FARMACJA – Chemia organiczna

10

długości barwią się na czerwono (erytrodekstryny), a krótkie łańcuchy nie zmieniają

barwy jodu (achrodekstryny). W miarę postępu hydrolizy ilość wolnych grup

aldehydowych w dekstrynach wzrasta.

Cząsteczki skrobi w kleiku skrobiowym są otoczone płaszczem wodnym. Dodanie

substancji wiążących wodę (np. sole takie jak siarczan amonu) powoduje strącanie się

skrobi z roztworu. Skrobia jest źle rozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych.
Amyloza z niektórymi rozpuszczalnikami (1-butanol) tworzy trudno rozpuszczalne związki
inkluzyjne.

AMINOKWASY

Aminokwasy są to związki, które w łańcuchu węglowym zawierają zarówno grupę

aminową jak i grupę karboksylową. Grupa aminowa w stosunku do grupy karboksylowej

może zajmować dowolną pozycję:



,



,



itd. W aminokwasach naturalnych, otrzymanych

przez hydrolizę białek, grupa aminowa występuje zawsze w pozycji



.

Aminokwasy zaliczane są do amfolitów, gdyż zachowują się jak kwasy i zasady. W

stanie stałym występują one w formie jonów obojnaczych mających charakter soli
wewnętrznych.

Ze względu na budowę chemiczną



-aminokwasy można podzielić na:

1.

Aminokwasy z ugrupowaniem niepolarnym lub hydrofobowym (alkilowym lub

arylowym): glicyna, alanina, walina, leucyna, izoleucyna, fenyloalanina, prolina.

2.

Aminokwasy z ugrupowaniem polarnym, ale niezjonizowanym zawierającym grupy

funkcyjne: OH, SH, SCH

3

, S-S oraz heterocykliczne. Są to seryna, cysteina,

treonina, tyrozyna, metionina, cystyna, tryptofan.

3.

Aminokwasy kwaśne, zawierające dodatkową grupę karboksylową: kwas

asparaginowy, kwas glutaminowy oraz ich amidy (asparagina, glutamina).

4.

Aminokwasy zasadowe, zawierające dodatkową grupę zasadową: aminową – lizyna,

ornityna; guanidynową – arginina; pierścień imidazolowy – histydyna.

Obecność dwóch grup reaktywnych wpływa na właściwości chemiczne

aminokwasów. Reakcje, którym ulegają aminokwasy można więc podzielić na niżej
wymienione grupy.

O

NH

3

+

R

O

-

O

NH

2

R

OH

COO

+

NH

3

Wzory ogól ne natural nych aminokwasów występujących w białkach

-

1

2



FARMACJA – Chemia organiczna

11

1.

Wzajemne oddziaływanie grupy aminowej i karboksylowej

Grupa karboksylowa ma zdolność do odszczepiania protonu, natomiast grupa

aminowa, jako zasadowa, może przyłączać proton. Obie grupy sprawiają, że aminokwasy

są związkami amfoterycznymi, gdyż mogą reagować zarówno z zasadami jak i z kwasami.
Ponadto grupy oddziaływują na siebie wzajemnie powodując powstawanie soli

wewnętrznej aminokwasu. Jest to powodem wysokich temperatur topnienia
poszczególnych aminokwasów oraz ich dobrej rozpuszczalności w wodzie i słabej w
rozpuszczalnikach organicznych (w przeciwieństwie do kwasów i amin, które z reguły

trudno rozpuszczają się w wodzie, a bardzo dobrze w rozpuszczalnikach organicznych).
Całkowity ładunek cząsteczki aminokwasu zależy od pH środowiska. Wartość pH, przy

której aminokwas istnieje w postaci jonu obojnaczego określany jest punktem

izoelektrycznym (pI).

Wartość pI większości aminokwasów wynosi ok. 6, obecność w cząsteczce dodatkowych
grup funkcyjnych aminowych albo karboksylowych powoduje przesunięcie punktu

izoelektrycznego w kierunku, odpowiednio, większych albo mniejszych wartości.

2.

Reakcje grupy karboksylowej

Aminokwasy są mocniejszymi kwasami od kwasu węglowego, rozpuszczają się

więc, podobnie jak kwasy karboksylowe, w 5% NaHCO

3

. Reakcji towarzyszy wydzielanie

się CO

2

, czyli zjawisko perlenia, które daje się zauważyć zazwyczaj dopiero po około 3

minutach.

Typową reakcją grupy karboksylowej aminokwasów jest kondensacja z grupą

aminową innego aminokwasu z utworzeniem wiązania peptydowego. Obie grupy nie łatwo

reagują ze sobą i w praktyce wymagane jest uaktywnienie grupy karboksylowej w jednym
z reagentów, np. poprzez utworzenie tzw. aktywnego estru. Jednocześnie, aby uniknąć

niepożądanych połączeń aminokwasów, drugi z reagentów, tzw. komponent aminowy,

O

NH

3

+

R

OH

O

NH

3

+

R

O

-

O

NH

2

R

O

-

- H

+

H

+

+

- H

+

H

+

+

kation

pH < pI

jon obojnaczy

pH = pI

anion

pH > pI

Równowaga kwasowo - zasadowa w roztworze aminokwasu

O

NH

3

+

R

O

-

+

NaHCO

3

O

NH

2

R

O

-

+

CO

2

+

H

2

O

+

Na

+

FARMACJA – Chemia organiczna

12

musi mieć „zablokowaną” grupę karboksylową. Niejednokrotnie dokonuje się tego

poprzez utworzenie estrów etylowych lub metylowych.

3.

Reakcje grupy aminowej

Grupa aminowa w aminokwasach ulega typowym reakcjom alifatycznych amin I-

rzędowych z wyjątkiem proliny i hydroksyproliny, które w pozycji α zawierają II-rzędową
grupę aminową. Najważniejszą reakcją grupy aminowej jest acylowanie prowadzące do
powstania amidu. Reakcja tego typu z udziałem innego aminokwasu, tzw. komponentu

kwasowego, jest wykorzystywana do tworzenia peptydów. Z oczywistych względów
komponent kwasowy musi mieć zabezpieczoną grupę aminową. W tym celu często

przeprowadza się reakcje acylowania lub alkilowania grupy aminowej odpowiednimi

pochodnymi chlorowcowymi (chlorki kwasowe, chlorki alkilowe).

Reakcjami charakterystycznymi grupy aminowej w aminokwasach jest działanie

kwasu azotowego(III) oraz ninhydryny:

a. Reakcja van Slyke’a z kwasem azotowym(III)

Wolne aminokwasy w wyniku działania HNO

2

ulegają deaminacji z wydzieleniem azotu i

utworzeniem



-hydroksykwasu (patrz: reakcje amin alifatycznych z HNO

2

).

b. Reakcja ninhydrynowa

Aminokwasy, peptydy oraz białka dają charakterystyczną reakcję z roztworem

ninhydryny, podobnie jak amoniak i alifatyczne aminy I-rzędowe. Aminokwasy z wolną
grupą aminową pod wpływem ninhydryny (wodzianu triketohydrindenu) ulegają

dekarboksylacji i oksydatywnej deaminacji. Początkowo powstaje iminokwas oraz
zredukowana forma ninhydryny, tzw. hydrindantyna. Następnie iminokwas przechodzi w
aldehyd krótszy o jeden atom węgla niż wyjściowy aminokwas, uwalnia się dwutlenek

węgla oraz amoniak, który bierze udział w kondensacji z cząsteczką ninhydryny oraz
hydrindantyny. W efekcie powstaje purpura Ruhemanna o barwie niebieskofioletowej.

Reakcja ninhydrynowa jest reakcją grupową aminokwasów, a jej dokładność i czułość

sprawiła, że jest ona wykorzystywana nie tylko do wykrywania aminokwasów, ale także
do ilościowego oznaczania wolnych α-aminokwasów metodą kolorymetryczną.

Intensywność i odcień powstającego zabarwienia jest różna w zależności od rodzaju
aminokwasu, jednakże natężenie zabarwienia jest proporcjonalne do stężenia

aminokwasu w roztworze.

O

NH

3

+

R

O

-

+

HNO

2

O

OH

R

OH

+

N

2

+

H

2

O

FARMACJA – Chemia organiczna

13

Prolina i hydroksyprolina, aminokwasy z grupą aminową II-rzędową, w reakcji z

ninhydryną dają produkt o barwie żółtej.

4.

Reakcje

specyficzne

związane

z

obecnością

grup

funkcyjnych

(np. SH,. S-S, SCH

3

, OH, układy aromatyczne)

Grupa funkcyjna inna niż aminowa czy kwasowa w cząsteczce aminokwasu w

oczywisty sposób wpływa na właściwości i reaktywność tego aminokwasu, gdyż ulega

typowym reakcjom charakterystycznym dla danej klasy związków. Układy aromatyczne

mogą ulegać reakcjom substytucji elektrofilowej, grupy hydroksylowe mogą zostać
poddane reakcjom utleniania lub acylowania (z utworzeniem odpowiednich estrów).
Dodatkowe grupy aminowe, będą odpowiadały za zwiększoną zasadowość aminokwasu

oraz charakterystyczne reakcje amin.
Dość ważną właściwość wykazuje cysteina zawierająca grupę tiolową. Dzięki niej w

cząsteczkach białek powstają mostki disulfidowe (-S-S-).

Charakterystyczne próby dla poszczególnych aminokwasów polegają na

specyficznych reakcjach konkretnych grup funkcyjnych:

a. Próba cystynowa – wykrywanie aminokwasów siarkowych

Aminokwasy siarkowe z grupami –SH (cysteina) lub disulfidowymi –S-S- (cystyna),

zarówno w białkach jak i niezwiązane, ogrzewane w silnie zasadowym środowisku
przekształcają się w kwas pirogronowy z jednoczesnym odłączeniem atomów siarki w
postaci jonów siarczkowych. Jony te w reakcji z jonami ołowiu(II) dają czarny osad

siarczku ołowiu. Metionina, zawierająca grupę tioeterową, nie daje dodatniego wyniku tej
reakcji.

O

O

OH

OH

O

O

OH

+ 2NH

3

+

O

O

OH

OH

O

O

HO

O

O

N

O

O

-

NH

4

+

+ 3H

2

O

purpura Ruhemanna

+

R

COOH

NH

2

+

R

COOH

NH

R

O

H

- NH

3

, CO

2

hydrindantyna

iminokwas

O

O

OH

OH

N

H

COOH

+

- CO

2

O

O

N

+

prolina

ninhydryna

FARMACJA – Chemia organiczna

14

b. Próba

ksantoproteinowa

–

wykrywanie

aminokwasów

z

układem

aromatycznym

Reakcja ksantoproteinowa jest uwarunkowana obecnością w cząsteczce białka

aminokwasów zawierających pierścień aromatyczny (tryptofan, tyrozyna, fenyloalanina).

Pod wpływem stężonego kwasu azotowego(V) zachodzi nitrowanie pierścienia

benzenowego, a powstający produkt ma barwę żółtą. Po zalkalizowaniu żółty kolor
powstałego związku nitrowego pogłębia się do żółtopomarańczowego, gdyż powstają

intensywniej zabarwione sole.

c. Reakcja Sakaguchi’ego – wykrywanie układu guanidynowego

Arginina zawierająca grupę guanidynową reaguje z α-naftolem w środowisku

zasadowym i w obecności utleniającego bromianu(I) sodu tworzy produkt o barwie

pomarańczowoczerwonej. W reakcji wydziela się amoniak. Nadmiar bromianu(I) sodu i
dłuższy czas reakcji powoduje dalsze utlenianie produktu, co prowadzi do jego

odbarwienia. Dodatek mocznika stabilizuje utworzony barwnik. Pozytywny wynik próby
daje także metyloguanidyna i kwas guanidynowy, ale nie sama guanidyna.

d. Reakcja Pauly’ego – wykrywanie układu imidazolowego

Pochodne imidazolu, w tym histydyna, w zasadowym środowisku ulegają sprzęganiu z
solami diazoniowymi tworząc barwniki azowe (patrz: reakcje aromatycznych amin I-
rzędowych). W reakcji Pauly’ego jest stosowany kwas diazobenzenosulfonowy,

przygotowywany przez diazowanie kwasu sulfanilowego bezpośrednio przed użyciem.

O

NH

2

S

H

O

-

O

O

C

H

3

O

-

+

NH

3

H

2

O

Pb

2+

S

2-

+

+

2

+

O

H

-

S

2-

+

PbS

cysteina

+

O

H

+ NaBrO

O

NH

2

O

-

N

H

NH

NH

2

(CH

2

)

3

O

NH

2

O

-

O

NH

NH

2

(CH

2

)

3

O

H

-

+ NH

3

NaBr

2 NH

3

3 NaBrO

N

2

H

2

O

NaBr

3

3

+

+

+

+

O

NH

3

+

O

H

OH

O

NH

3

+

O

H

OH

O

2

N

NO

2

HNO

3

O

H

-

O

NH

2

O

O

-

O

2

N

N

O

-

O

- H

2

O

tyrozyna

FARMACJA – Chemia organiczna

15

Pozytywny wynik próby dają fenole, w tym tyrozyna, oraz aminy aromatyczne.

e. Reakcja Adamkiewicza-Hopkinsa – wykrywanie układu indolowego

Indol, który wchodzi w skład cząsteczki tryptofanu, w środowisku stężonych

kwasów nieorganicznych ulega kondensacji z aldehydami (kwas glioksalowy, aldehyd
mrówkowy) dając barwniki arylometanowe o zabarwieniu czerwonofioletowym (patrz:

reakcje związków heterocyklicznych).

W kwaśnych hydrolizatach białek lub peptydów wynik tej próby jest ujemny, gdyż
tryptofan podczas kwasowej hydrolizy ulega rozkładowi.

BIAŁKA

Białka są to związki zbudowane z więcej niż 100 reszt



-aminokwasów o masie

cząsteczkowej powyżej 10 tys. Związki o niższej masie to polipeptydy. W białkach

wiązanie peptydowe (zwane również wiązaniem amidowym) łączy grupę karboksylową
jednego aminokwasu z grupą aminową drugiego aminokwasu. Powstanie dipeptydu z

dwu wolnych aminokwasów wiąże się z uwolnieniem jednej cząsteczki wody.

O

NH

2

N

N

H

O

H

SO

2

O

-

N

H

3

+

HONO

SO

2

O

-

N

+

N

+

2

SO

2

O

-

N

+

N

+ Na

2

CO

3

histydyna

N

N

N

N

N

N
H

NaO

3

S

SO

3

Na

O

OH

NH

2

+

CO

2

+ H

2

O

- N

2

, H

2

O

jon p-sulfobenzenodiazoniowy

pomarańczowy barwnik azowy

kwas sulfanilowy

COOH

NH

3

+

NH

H

O

COOH

+

NH

NH

COOH

COOH

NH

3

+

HOOC

N

H

3

+

H

+

-H

2

O

tryptofan

kwas glioksalowy

O

NH

2

R

1

OH

O

NH

2

R

2

OH

+

O

NH

2

R

1

NH

O

OH

R

2

+

O

H

2

aminokw as acylujący

aminokw as acylow any

dipeptyd

FARMACJA – Chemia organiczna

16

Przemyślana synteza peptydów wymaga odpowiedniego przygotowania aminokwasów do

reakcji kondensacji. Przede wszystkim należy zabezpieczyć wszystkie grupy funkcyjne,

które w warunkach reakcji mogłyby dawać produkty uboczne. Najważniejsze jest jednak

zabezpieczenie grupy aminowej w aminokwasie acylującym (komponent kwasowy) oraz
grupy kwasowej w aminokwasie acylowanym (komponencie aminowym).

Białka ze względy na swoją strukturę dzielą się na białka proste i białka złożone.

Spośród wszystkich polimerów syntetycznych i naturalnych białka są substancjami
najbardziej skomplikowanymi i posiadającymi najbardziej różnorodne właściwości.

Właściwości białek zależą od budowy i kolejności ułożenia wielu reszt aminokwasowych
(R) rozmieszczonych wzdłuż łańcucha polipeptydowego. Substancje białkowe pełnią w

przyrodzie funkcje strukturalne (np. skóra, włosy, ścięgna, włókna mięśniowe),

katalityczne (enzymy), transportowe (hemoglobina). Białkami są również substancje
odpornościowe, które z jednej strony chronią organizm przed zakażeniem, a z drugiej

uniemożliwiają przeszczepianie narządów. Wszystkie indywidualne cechy wszystkich
organizmów sprowadzają się do białek, z których te organizmy są zbudowane według

instrukcji zawartych w cząsteczkach DNA.

Substancje białkowe niezależnie od pochodzenia dają wspólne reakcje

charakterystyczne.

1.

Wysalanie białek

Białka, jako związki wielkocząsteczkowe posiadające zjonizowane grupy aminowe i

karboksylowe, wykazują zdolność wiązania dipolarnych cząsteczek wody. Dzięki temu

białka w środowisku wodnym ulegają hydratacji, pęcznieją, a następnie rozpuszczają się.
Podobnie jak inne jony, otaczają się płaszczem wodnym i w tej postaci, jako osobne

cząsteczki, tworzą roztwory koloidalne. Na rozpuszczalność białek w wodzie wpływa
obecność soli nieorganicznych oraz pH roztworu (wartość nieco inna niż punktu

izoelektrycznego sprzyja rozpuszczaniu). Wzrost stężenia soli w roztworze może jednakże
doprowadzić do strącenia białka z roztworu. Jony soli tworzą własną powłokę
solwatacyjną, przy wysokim stężeniu soli w roztworze woda hydratacyjna cząsteczek

białka zostaje od nich odciągnięta. „Obnażone” w ten sposób cząsteczki białka ulegają
koagulacji na skutek wysolenia. Proces ten jest odwracalny, wystarczy odbudować

płaszcz wodny białka poprzez dodanie wody. Podczas wysalania białko nie traci w sposób

trwały swojej przestrzennej struktury oraz funkcji biologicznych. Wysalanie białek
przeprowadza się za pomocą nasyconych roztworów (NH

4

)

2

SO

4

, NH

4

Cl, MgSO

4

.

2.

Denaturacja

Pod wpływem soli metali ciężkich, mocnych kwasów lub mocnych zasad,

podwyższonej temperatury oraz niektórych czynników chemicznych (96% etanol, aceton,
fenol) dochodzi do denaturacji i trwałego wytrącenia białek z roztworów. Denaturacja jest

FARMACJA – Chemia organiczna

17

zjawiskiem polegającym na nieodwracalnej zmianie przestrzennej struktury białek (II- i

III- i IV-rzędowej).

3.

Reakcja biuretowa Piotrowskiego

Peptydy zawierające co najmniej dwa wiązania peptydowe (a więc tripeptydy i

dłuższe) oraz białka tworzą z jonami miedzi(II) w środowisku zasadowym połączenia

kompleksowe o barwie fioletowej. Nazwa reakcji pochodzi od biuretu, który powstaje przy
ogrzewaniu mocznika i jest najprostszym związkiem dającym pozytywny wynik w tej
próbie.

Próba biuretowa jest reakcją grupową na białka, ujemny wynik tej próby eliminuje

obecność białka, chociaż pozytywny – nie w pełni ją potwierdza. Oprócz biuretu, podobny

wynik reakcji dają związki nie posiadające wiązań peptydowych, a zawierające

ugrupowania –CS-NH- oraz =CH-NH-.

Aminokwasy, w odróżnieniu od białek, tworzą z jonami miedzi(II) połączenia

kompleksowe o barwie niebieskiej (poza histydyną, która ze względu na budowę łańcucha

bocznego, tworzy kompleks o barwie fioletowoniebieskiej).

LIPIDY (TŁUSZCZE)

Lipidy obejmują szereg różnie zbudowanych biocząsteczek, spełniających ważną

rolę w świecie mikroorganizmów, roślin i zwierząt. Jako elementy żywych organizmów
spełniają rolę materiału energetycznego, zapasowego i ochronnego, oraz biorą udział w

przemianie materii jako substraty lub składniki biokatalizatorów.

Pod względem chemicznym lipidy stanowią grupę związków o budowie

glicerydowej, jak również grupę związków o właściwościach podobnych do glicerydów,
lecz o bardziej złożonej strukturze. Lipidy są substancjami nierozpuszczalnymi w wodzie.

N

H

2

NH

2

O

2

T

N

H

2

NH

NH

2

O

O

mocznik

biuret

- NH

3

NH

NH

Cu

NH

NH

O

O

NH

O

HN

O

Cu

2+

,

2-

O

H

-

- H

2

O

fioletowy kompleks biuretu

z jonami miedzi(II)

R

NH

2

O

O

R

H

2

N

O

O

Cu

R

NH

O

N

R

HN

O

N

Cu

niebieski kompleks miedzi(II)

z dwiema cząsteczkami aminokwasu

fioletowy kompleks miedzi(II)

z białkiem

FARMACJA – Chemia organiczna

18

Można je wyekstrahować z komórek słabo polarnymi rozpuszczalnikami takimi jak: eter,

chloroform, benzen, aceton. Różną rozpuszczalność lipidów w rozpuszczalnikach

organicznych można wykorzystać do ich rozdziału i wyodrębniania.

Ze względu na różnice budowy i właściwości lipidy można podzielić następująco:

1.

lipidy proste

1.1.

tłuszcze właściwe

1.2.

woski

2.

lipidy złożone

2.1.

fosfolipidy (zawierają fosfor, nie zawierają cukru)

2.1.1. glicerydy

2.1.1.1.

glicerydy estrowe (kefaliny, fosfatydylocholina)

2.1.1.2.

glicerydy enoloeterowe (plazmalogeny)

2.1.2. sfingomieliny

2.2.

glikolipidy (nie zawierają fosforu, zawierają cukier)

2.2.1. glikoglicerolipidy

2.2.2. glikosfingolipidy

3. prostaglandyny

Tłuszcze właściwe są to znane z życia codziennego oleje roślinne (olej rzepakowy,

słonecznikowy, sojowy i inne) oraz tłuszcze zwierzęce (smalec, masło, łój). W organizmie

człowieka najczęściej gromadzą się w tkance podskórnej, w tkance tłuszczowej jamy

brzusznej, w tkance łącznej oraz w stanach patologicznych otłuszczają serce, wątrobę,
nerki. Tłuszcze proste pełnią w przyrodzie funkcje materiałów zapasowych, w postaci

których organizmy magazynują energię. Tłuszcze mają ciepło spalania prawie dwa razy
większe niż węglowodany i białka. W porównaniu z innymi składnikami żywności tłuszcze

są najbardziej kaloryczne.
Tłuszcze właściwe zbudowane są z glicerolu (gliceryny) i wyższych kwasów tłuszczowych.

R

1

, R

2

, R

3

= reszty węglowodorowe kwasów tłuszczowych, np. (CH

2

)

n

CH

3

n = 2 - kwas masłowy

n = 3 – kwas walerianowy
n = 4 - kwas kapronowy
n = 6 - kwas kaprylowy

n = 7 - kwas pelargonowy
n = 10 - kwas laurynowy

n = 12 - kwas mirystynowy
n = 14 - kwas palmitynowy
n = 16 - kwas stearynowy

R

1

= R

2

= R

3

w tłuszczach syntetycznych

R

1



R

2



R

3

w tłuszczach naturalnych

H

2

C

HC

H

2

C

O

O

O

C

C

O

R

3

O

C

O

R

2

R

1

FARMACJA – Chemia organiczna

19

1.

Reakcje addycji do wiązania podwójnego

a. utwardzanie tłuszczów

Proporcje poszczególnych kwasów zmieniają się w zależności od rodzaju tłuszczu.

Tłuszcze stałe o wyższej temperaturze topnienia mają przewagę kwasów tłuszczowych

nasyconych np. tristearynian gliceryny – ciało stałe o temp. topnienia 71°C. Obecność
natomiast kwasów nienasyconych świadczy o tym, iż mamy do czynienia z tłuszczami
płynnymi, np. trioleinian gliceryny – temperatura krzepnięcia równa jest –17°C. Zmianie

charakteru tłuszczu z nienasyconego na nasycony towarzyszy zmiana stanu skupienia z
ciekłego na stały. Z tego względu proces uwodornienia przeprowadzany na skalę

przemysłową nosi nazwę utwardzania tłuszczów. Reakcję prowadzi się w podwyższonej
temperaturze i pod zwiększonym ciśnieniem, w obecności katalizatora niklowego.

b. przyłączanie jodu lub bromu

Nnienasycone tłuszcze oraz kwasy tłuszczowe przyłączają fluorowce do wiązania

wielokrotnego; odbarwiają wodę bromową oraz roztwory jodu.

c. jełczenie tłuszczów

Tłuszcze zawierające reszty nienasyconych kwasów tłuszczowych ulegają

utlenieniu pod wpływem tlenu z utleniaczy, a także, choć znacznie wolniej, pod wpływem
tlenu atmosferycznego. Wiązanie podwójne ulega rozerwaniu, a reszta kwasu

tłuszczowego zostaje rozbita na dwie cząsteczki z terminalnymi grupami aldehydowymi.

Reakcja ta zachodzi podczas jełczenia tłuszczów, a gromadzące się aldehydy nadają im
przykry smak i zapach.
2.

Zmydlanie tłuszczów

Tłuszcze właściwe łatwo ulegają hydrolizie w środowisku alkalicznym. Proces ten

nazywa się zmydlaniem tłuszczów. Hydroliza tłuszczów zachodzi także w przewodzie

CH

3

(CH

2

)

6

CH

2

CH

2

(CH

2

)

6

COOH

kwas olejowy

H

2,

kat.

CH

3

(CH

2

)

16

COOH

kwas stearynowy

CH

3

(CH

2

)

6

CH

2

CH

2

(CH

2

)

6

COOH

[O]

CH

3

(CH

2

)

6

CH

2

CH

2

(CH

2

)

6

COOH

O

O

CH

3

(CH

2

)

7

+

C

O

H

C

(CH

2

)

7

C

O

OH

O

H

CH

3

(CH

2

)

6

CH

2

CH

2

(CH

2

)

6

COOH

I

2

CH

3

(CH

2

)

6

CH

2

CH

2

(CH

2

)

6

COOH

I

I

kwas olejowy

FARMACJA – Chemia organiczna

20

pokarmowym zwierząt i człowieka. Tłuszcze wprowadzone z pokarmem ulegają hydrolizie

pod wpływem katalizatorów biochemicznych – lipaz.

W wyniku zmydlania tłuszczów powstaje glicerol oraz rozpuszczalne mydła sodowe lub

potasowe.

Mydła nierozpuszczalne (wapniowe, magnezowe, barowe, ołowiawe), otrzymuje się
działając solami tych jonów na roztwory wodne mydeł rozpuszczalnych.

Właściwości tłuszczów określają reakcje, które ustalają zawartość oraz rodzaj

kwasów tłuszczowych w tłuszczach. Najważniejsze reakcje wyrażone są za pomocą liczb:

a. liczba kwasowości to liczba mg KOH potrzebna do zobojętnienia wolnych kwasów

tłuszczowych, zawartych w 1 g tłuszczu. Liczba ta jest tym mniejsza, im świeższy
jest tłuszcz,

b. liczba zmydlenia przedstawia liczbę mg KOH potrzebną do zobojętnienia

wszystkich kwasów tłuszczowych zawartych w 1 g tłuszczu, zarówno wolnych jak i
otrzymanych po zmydleniu,

c. liczba estrowa to liczba mg KOH potrzebna do zobojętnienia kwasów

tłuszczowych związanych estrowo, a powstałych przy zmydleniu 1 g tłuszczu.
Liczbę estrową otrzymujemy odejmując od liczby zmydlenia liczbę kwasowości. W

tłuszczach obojętnych, tj. nie zawierających wolnych kwasów tłuszczowych, liczba
estrowa równa się liczbie zmydlenia,

d. liczba Reicherta-Meissla oznacza liczbę cm

3

0.1 M KOH i NaOH potrzebną do

zobojętnienia lotnych kwasów tłuszczowych po jego zmydleniu. Liczba ta ma
szczególne znaczenie w badaniu masła,

e. liczba jodowa określa ilość jodu w gramach, jaka wiąże 100 g tłuszczu. Liczba ta

wykazuje ilościowo zawartość nienasyconych kwasów tłuszczowych.

Woski są to nierozpuszczalne w wodzie tłuszczopodobne substancje stałe, służące

często w świecie roślinnym i zwierzęcym jako powłoki ochronne. Substancje te zamiast

glicerolu zawierają wyższe alifatyczne jednowodorotlenowe alkohole np. alkohol cetylowy,
alkohol mirycylowy.

H

2

C

HC

H

2

C

O

O

O

C

C

O

R

O

C

O

R

R

+

3 NaOH

H

2

C

HC

H

2

C

OH

OH

OH

R

O

ONa

+

3

T

roztw. alkoholowy

mydło sodowe

gliceryna

2 R-COONa

+

CaCl

2

(R-COO)

2

Ca

+

2 NaCl

FARMACJA – Chemia organiczna

21

Często kwas i alkohol mają tą samą ilość atomów węgla. Fakt ten może wskazywać, że

oba te składniki powstały z dwóch cząsteczek tego samego aldehydu w wyniku reakcji
Cannizzaro. Jedna cząsteczka aldehydu utlenia się do kwasu, druga redukuje się do
alkoholu, po czym następuje estryfikacja.

Niektóre woski są zbudowane z kwasów tłuszczowych i steroli (cholesterolu, lanosterolu).

Lipidy złożone są to substancje o właściwościach fizycznych podobnych do

tłuszczów właściwych. Różnią się od lipidów prostych tym, iż poza kwasem tłuszczowym i
alkoholem zawierają składniki azotowe, fosforowe, a niekiedy węglowodanowe.

Przy rozdzielaniu lipidów złożonych wykorzystuje się nieznaczne różnice w ich
rozpuszczalności.

Fosfolipidy ulegając hydrolizie dają: kwasy tłuszczowe, alkohol, kwas

ortofosforowy oraz związek zawierający azot. Fosfolipidy obok białek złożonych wchodzą
w skład struktur membranowych oddzielających poszczególne elementy w komórce

(błony komórkowe, mitochondrialne i mikrosomowe). Nadają pewne właściwości fizyczne
tym strukturom np. wysoką przepuszczalność dla niepolarnych cząsteczek, a także lizę

powodowaną przez czynniki powierzchniowo aktywne. Przedstawicielami fosfolipidów są

lecytyny, związki zawierające resztę fosforanową zestryfikowaną choliną, o wzorze:

Fosfatydylocholina (lecytyna) tworzy się w organizmie z tłuszczów. Jest ona dobrym

czynnikiem emulgującym i prawdopodobnie ułatwia wprowadzenie tłuszczów do tkanek.
Lecytyny występują w żółtku jaja kurzego i w tkance nerwowej.

STEROIDY

Ekstrakty lipidowe z roślin i tkanek zwierzęcych, oprócz tłuszczów, fosfolipidów

oraz terpenów, zawierają także steroidy – cząsteczki, których cechą charakterystyczną

jest węglowy szkielet gonanu, czyli układ czteropierścieniowy wywodzący się od 1,2-
cyklopentanoperhydrofenantrenu.

CH

3

(CH

2

)

n

CH

2

O

O

CH

2

(CH

2

)

m

CH

3

wosk pszczeli
n = 13 do 33; m = 22 do 34

H

2

C

HC

H

2

C

O

O

O

C

P

O

O

O

C

O

R

2

R

1

O

-

CH

2

CH

2

N

+

CH

3

CH

3

CH

3

FARMACJA – Chemia organiczna

22

Poszczególne grupy steroidów odróżnia wzajemny układ skondensowanych

pierścieni, stopień nienasycenia tych pierścieni oraz rodzaj i długość łańcuchów

bocznych (R

1

, R

2

, R

3

). Wszystkie steroidy przy C

10

i C

13

(R

1

i R

2

) posiadają grupę

metylową, natomiast podstawniki przy C

17

(R

3

) są bardzo zróżnicowane. Wyjątek stanowią

estrogeny, u których pierścień A jest aromatyczny, a zatem przy C

10

nie posiada grupy

CH

3

.

Ze względu na budowę steroidów można więc wyróżnić pochodne:

a. estranu; żeńskie hormony płciowe, np. estradiol,
b. androstanu; męskie hormony płciowe, np. testosteron, androsteron,

c. pregnanu; progesteron oraz hormony kory nadnerczy np. kortykosteron,

aldosteron,

d. cholanu; składniki żółci, np. kwas cholowy,

e. cholestanu; cholesterol, ergosterol.

W zależności od rodzaju grupy funkcyjnej steroidy dzielimy na: alkohole (sterole), kwasy i

hydroksykwasy (kwasy żółciowe), fenole i ketony (hormony sterydowe).

Najważniejszym i najpopularniejszym przedstawicielem steroli pochodzenia

zwierzęcego jest cholesterol. Występuje we wszystkich komórkach ssaków, jest istotnym

składnikiem błon komórkowych, służy jako substrat kwasów żółciowych oraz hormonów
płciowych, w tkankach nerwowych wchodzi w skład otoczki mielinowej.

Podobnie jak lipidy, cholesterol nie rozpuszcza się w wodzie, lecz rozpuszcza się w eterze,
benzenie i innych rozpuszczalnikach organicznych.

Cholesterol ulega takim reakcjom chemicznym, jakie grupy funkcyjne posiada. Ze

względu na grupę hydroksylową przy trzecim atomie węgla będzie reagował jak alkohole,

13

14

9

8

10

17

12

11

15

16

7

5

6

1

4

2

3

R

1

R

2

R

3

B

C

D

A

13

14

9

8

10

17

12

11

15

16

7

5

6

20

CH

3

18

CH

3

19

1

23

22

4

C

H

3

21

24

2

3

H

H

H

H

25

CH

3

27

CH

3

26

O

H

FARMACJA – Chemia organiczna

23

ulegając reakcjom estryfikacji oraz utlenienia (do ketonów). Estry cholesterolu z

alifatycznymi i aromatycznymi kwasami znalazły zastosowanie jako ciekłe kryształy.

Obecność wiązania podwójnego pomiędzy piątym a szóstym atomem węgla (pierścień B)

sprawia, że cholesterol zachowuje się jak alken i ulega reakcjom addycji (uwodornienie,
addycja bromu).

Sterole, takie jak cholesterol, zawierające podwójne wiązanie w bezwodnym

środowisku w reakcji z mocnymi kwasami dają barwne produkty. Pod wpływem
stężonych kwasów (np. H

2

SO

4

) dochodzi do odłączenia dwóch cząsteczek wody z dwóch

cząsteczek sterolu i powstania bisterolu, którego pochodne sulfonowe są barwne: zielone
w reakcji Liebermana-Burcharda i czerwone w reakcji Salkowskiego.

ZWIĄZKI HETEROCYKLICZNE

Heterocykliczne związki organiczne są związkami o budowie pierścieniowej, w

których jeden lub więcej atomów pierścienia stanowią pierwiastki inne niż węgiel, tzw.

heteroatomy, np. azot, tlen, siarka, fosfor, bor, cyna, krzem.

Nasycone związki heterocykliczne lub zawierające jedno wiązanie podwójne

pomiędzy atomami w pierścieniu posiadają właściwości analogiczne do właściwości
związków acyklicznych. Tetrahydrofuran jest typowym eterem, piperydyna – aminą

drugorzędową, zaś tetrahydrotiofen – sulfidem.

Aromatyczne związki heterocykliczne wykazują właściwości typowe dla benzenu.

Są odporne na utlenianie, chętnie wchodzą w reakcje substytucji, a nie przyłączenia.

Charakter aromatyczny zależy od rodzaju związku. Podane poniżej przykłady
podstawowych związków heterocyklicznych uszeregowano zgodnie ze zwiększającymi się

właściwościami aromatycznymi w porównaniu z benzenem:

S

N

O

H

tetrahydrotiofen

tetrahydrofuran

piperydyna

O

H

N

S

N

furan

pirol

tiofen

benzen

pirydyna

wzrost charakteru aromatycznego

FARMACJA – Chemia organiczna

24

O znaczeniu związków heterocyklicznych świadczy ilość i różnorodność substancji

tego typu występujących w przyrodzie, a także otrzymywanych na skalę przemysłową

leków i barwników. Liczne związki spełniają ważne funkcje w organizmach roślinnych i

zwierzęcych. Węglowodany można uznać za pochodne piranu lub furanu. Najbardziej
rozpowszechnione są jednak związki heterocykliczne zawierające atomy azotu (kwasy

nukleinowe, aminokwasy, białka, antybiotyki).

Związki pięcioczłonowe.

Do pięcioczłonowych związków heterocyklicznych z jednym heteroatomem

zaliczamy furan, pirol, tiofen. Każdy z nich wykazuje wyraźny charakter aromatyczny,

wynikający z delokalizacji czterech elektronów



atomów węgla i pary elektronowej

dostarczanej przez heteroatom – tworzy się sekstet elektronowy. Łatwo reagują z
odczynnikami elektrofilowymi w reakcjach substytucji, co wyjaśniają następujące

struktury rezonansowe pirolu:

Pirol ma charakter amfoteryczny; jest zarówno słabym kwasem, jak i bardzo słabą

zasadą. Rozpuszcza się w roztworach zasad, tworząc sole sodowe i potasowe oraz w
rozcieńczonych kwasach. Prócz reakcji nitrowania, sulfonowania, acylowania,

chlorowcowania, ulega również sprzęganiu ze związkami diazoniowymi. Podstawienie

przebiega w pozycji 2 (



) pierścienia, jeżeli oba położenia



są zajęte – w położeniu



.

Pirol ulega kondensacji z aldehydami, tworząc pochodne dipirylometanu:

Dalsze kondensowanie tego typu prowadzi do utworzenia układu cyklicznego, tzw.
porfiny, która jest elementem strukturalnym hemoglobiny i chlorofilu. Pierścienie
pirolowe w porfinie połączone są ze sobą mostkami metinowymi.

N

H

N

H

N

H

N

H

N

H









H

N

2

+ HCHO

H

N

H

N

+ H

2

O

NH

N

HN

N

porfina

czerwone kryształy

FARMACJA – Chemia organiczna

25

Furan, pirol i tiofen tworzą z benzenem układy skondensowane.

W przyrodzie najbardziej rozpowszechniony jest indol (2,3-benzopirol), stanowiący
szkielet tryptofanu i jego pochodnych, tryptaminy, serotoniny oraz wielu alkaloidów.

Ważnym biologicznie układem heterocyklicznym jest pirazol (1,2-diazol), który

wprawdzie nie występuje w produktach naturalnych, ale jest podstawą wielu związków

otrzymywanych syntetycznie takich jak barwniki oraz substancje biologicznie czynne, np.
pestycydy oraz leki. Przykładem pochodnej pirazolu jest antypiryna (fenazon) – związek o
właściwościach przeciwgorączkowych, przeciwbólowych oraz przeciwzapalnych.

Do ważnych prób pozwalających wykryć wyżej opisane układy heterocykliczne są

następujące próby:
1.

Próba Ehrlicha

Pirol i jego pochodne w reakcji z aldehydem p-dimetyloaminobenzoesowym w

obecności kwasu solnego dają barwne produkty:

Pozytywny wynik próby Ehrlicha dają także I-rzędowe aminy aromatyczne (anilina)

tworząc intensywnie pomarańczowe połączenia.

2.

Wykrywanie indolu

Działając na indol formaliną w środowisku kwasu siarkowego(VI) można

zaobserwować pojawienie się białego osadu oraz fioletowego pierścienia na granicy wolno
mieszających się składników mieszaniny reakcyjnej (patrz reakcja pirolu z aldehydami).

N

H

N

H

H

N

H

H

C

N

O

H

+

C

N

N

H

- H

2

O

H

+

C

N

NH

H

O

H

N

S

benzofuran

indol

benzotiofen

FARMACJA – Chemia organiczna

26

3.

Wykrywanie antypiryny

Antypiryna w postaci jonu obojnaczego o strukturze analogicznej do anionu

fenolanowego reaguje z kwasem azotowym(III), dając nitrozoantypirynę o barwie zielonej,

przechodzącej w oliwkową. Niekiedy nitrozoantypiryna wytrąca się w postaci oliwkowego
osadu.

Związki sześcioczłonowe

Do sześcioczłonowych związków heterocyklicznych należą między innymi pirydyna

i pirymidyna, które mogą tworzyć układy skondensowane z innymi pierścieniami.

Charakter aromatyczny pirydyny wynika z delokalizacji sześciu elektronów



, po

jednym od każdego z pięciu atomów węgla i jednego atomu azotu. Strukturę pirydyny
przedstawia się jako hybrydę rezonansową następujących struktur:

Taki rozkład ładunków w pierścieniu pirydyny sprawia, że jest ona bardziej podatna na

substytucję nukleofilową niż elektrofilową, szczególnie w pozycjach 2 i 4 (α i γ).

4.

Reakcje i pirydyny i jej pochodnych

a.

Właściwości zasadowe

Ze względu na wolną parę elektronową azotu, pirydyna i jej pochodne wykazują

słabe właściwości zasadowe (posiadają ugrupowanie charakterystyczne dla amin

trzeciorzędowych). Wodne roztwory pirydyny i chinoliny (rozpuszcza się łatwiej w gorącej
wodzie) wykazują odczyn zasadowy.

N

N

O

CH

3

CH

3

N

N

O

CH

3

CH

3

HNO

2

- H

2

O

N

N

O

CH

3

CH

3

N

O

antypiryna

jon obojnaczy

nitrozoantypiryna

barwa zielona

N

+ HOH

N

H

+ OH

-

N

N

N

N

N











FARMACJA – Chemia organiczna

27

b.

Tworzenie związków kompleksowych

Pirydyna, jak również jej analogi skondensowane z pierścieniem benzenowym

chętnie tworzą barwne połączenia koordynacyjne z jonami metali.

Pirydyna i chinolina w reakcji z CuSO

4

pogłębiają niebieską barwę roztworu.

8-Hydroksychinolina (oksyna) z większością metali (poza metalami alkalicznymi) tworzy
barwne połączenia chelatowe (kleszczowe). Związki te wytrącają się w określonym pH.

Zmieniając pH środowiska reakcyjnego można rozdzielić mieszaninę kationów metali
poprzez stopniowe wytrącanie ich w postaci soli z 8-hydroksychinoliną. Z tego właśnie

względu związek ten jest często używany do oznaczania jonów metali w roztworach
wodnych.

Zasady azotowe (np. chinolina) z heksacyjanożelazianem(II) potasu tworzą

dobrze krystalizujące, trudno rozpuszczalne sole. Kształt kryształów otrzymanych

połączeń jest bardzo charakterystyczny, co pozwala na identyfikację wielu alkaloidów.

5.

Próby na pochodne pirymidyny

Pirymidyna jest związkiem najważniejszym z diazyn, ze względu na

rozpowszechnienie jej pochodnych. Struktura pirymidyny jest bardzo zbliżona do
struktury pirydyny. Stanowi ją sześcioczłonowy pierścień aromatyczny z dwoma

heteroatomami azotu w położeniach 1 i 3. Obecność drugiego atomu azotu potęguje
właściwości chemiczne w porównaniu z pirydyną. Pirymidyna stanowi podstawowy układ

N

+ Cu

2+

4

N

N

N

N

Cu

2+

N

OH

+ Co

2+

N

O

Co

N

O

N

4

+ 4HCl

N

4

H

Cl

K

4

[Fe(CN)

6

]

N

H

[Fe(CN)

6

]

4

4

+ 4KCl

FARMACJA – Chemia organiczna

28

dla zasad pirymidynowych, budujących kwasy nukleinowe (cytozyna, tymina, uracyl), a

jako pierścień nasycony występuje w szeroko stosowanych barbituranach, pochodnych

kwasu barbiturowego (Allobarbital, Luminal).

a. Reakcja Parriego na pochodne kwasu barbiturowego

Na obecność barbituranów w próbce wskazuje dodatnia próba Parriego,

polegająca na tworzeniu z jonami kobaltowymi(II) w bezwodnym środowisku, w obecności
zasad, fluoryzujących kompleksów o zabarwieniu czerwonofioletowym.

Dodatni wynik tej próby dają także pochodne puryny.

b. Próba mureksydowa na pochodne puryny

Pirymidyna skondensowana z pierścieniem imidazolu (1,3-diazolu) stanowi kolejny

bardzo ważny układ heterocykliczny, zwany puryną. Struktura ta występuje w adeninie i

guaninie, kwasie moczowym a także w takich alkaloidach jak kofeina, teobromina i
teofilina.

Charakterystyczną reakcją na układy purynowe jest próba mureksydowa,

polegająca na ich utlenieniu do pochodnych kwasu purpurowego o zabarwieniu
czerwonożółtym. Kwas moczowy pod wpływem kwasu azotowego(V) ulega hydrolizie do

mocznika i kwasu dialurowego, który częściowo ulega utlenieniu do alloksanu. Obydwa
produkty reakcji łączą się ze sobą tworząc trudno rozpuszczalną alloksantynę.

N

N

OH

NH

2

N

N

O

NH

2

H

cytozyna

formy tautomeryczne

N

N

O

O

O

H

H

kwas barbiturowy

N

N

N

NH

NH

2

N

N

NH

N

OH

OH

OH

adenina

(6-aminopuryna)

kwas moczowy

N

N

O

O

O

R

1

R

2

N

N

O

O

O

R

1

R

2

Co

NH

3

NH

3

barwna

pochodna barbituranu

(związek koordynacyjny)

NH

NH

R

1

R

2

O

O

O

N

NH

R

1

R

2

O

O

OH

Co

2+

, NH

3

FARMACJA – Chemia organiczna

29

Alloksantyna w obecności amoniaku tworzy mureksyd – sól amonową kwasu

purpurowego.

Ponadto kwas moczowy, tak jak inne heterocykliczne pochodne fenoli oraz proste

fenole, posiada zdolność redukowania soli kwasów fosforomolibdenowego i

fosforowolframowego (reakcja Folina) do połączeń o niższym stopniu utlenienia metalu –

Mo

5+

do Mo

3+

oraz W

5+

do W

3+

. Dokładna struktura tych barwnych połączeń nie jest

znana.

Pytania sprawdzające

1. Jak odróżnić od siebie laktozę i galaktozę, co zaobserwujesz?
2. Na czym polega próba Molischa i o czym świadczy jej negatywny wynik?

3. W trzech probówkach znajdują się wodne roztwory glukozy, sacharozy i fruktozy. Jak

stwierdzić w której z nich jest fruktoza?

4. Wymień dwa naturalne cukrowce, które dają pozytywny wynik z odczynnikiem

Seliwanowa.

5. Które z wymienionych związków dają pozytywny wynik próby Fehlinga: aldehyd

glicerynowy, D-ryboza, glikogen, laktoza, fruktoza, maltoza, celuloza, sacharoza, D-
glukoza?

6. Jak sprawdzić, czy dany roztwór zwiera skrobię?

N

N

NH

N

OH

OH

OH

kwas moczowy

H

+

+ 2H

2

O

C

O

NH

2

NH

2

N

N

OH

OH

OH

OH

+

kwas dialurowy

N

N

OH

OH

OH

OH

[O]

-H

2

O

NH

NH

O

O

O

O

N

N

OH

OH

OH

NH

NH

O

O

O

O

OH

alloksan

alloksantyna

N

N

OH

O

OH

NH

NH

O

O

O

N

NH

4

2NH

3

mureksyd

-2H

2

O

FARMACJA – Chemia organiczna

30

7. Jakie reakcje należy przeprowadzić, aby wykryć obecność aminokwasu w roztworze?

Podaj odpowiednie równania reakcji i spostrzeżenia.

8. Omów reakcje charakterystyczne pozwalające na wykrycie szczególnych

aminokwasów zawierających dodatkowe grupy funkcyjne lub układy aromatyczne.

9. Na czym polega próba biuretowa? Jakie związki pozwala wykryć?

10. Jakie reakcje należy przeprowadzić aby odróżnić od siebie cysteinę, alaninę i prolinę?

Co zaobserwujesz?

11. Jaka jest przyczyna żółknięcia skóry po zetknięciu się ze stężonym roztworem kwasu

azotowego(V)?

12. Jakie zmiany zaobserwujesz po działaniu na roztwór białka: etanolem, chlorkiem

sodu, azotanem(V) srebra, chlorkiem amonowym? Które zmiany można cofnąć po

silnym rozcieńczeniu wodą?

13. Przedstaw podział tłuszczowców.

14. Omów liczby charakteryzujące jakość tłuszczów.
15. Na czym polega proces zmydlania tłuszczów?

16. W jaki sposób można otrzymać mydła rozpuszczalne i nierozpuszczalne w wodzie?
17. Na czym polega proces utwardzania tłuszczów?
18. Jak zachowują się kwasy tłuszczowe nienasycone pod wpływem tlenu z utleniaczy?

19. Przedstaw wzór cholesterolu.
20. Omów właściwości chemiczne cholesterolu. Napisz odpowiednie równania reakcji.

21. Narysuj wzory strukturalne: tiofenu, furanu, pirolu, pirydyny, pirymidyny,

piperydyny, indolu, chinoliny, kwasu moczowego.

22. W jaki sposób wykryjesz pochodne pirolu?

23. Na czym polega reakcja antypiryny z kwasem azotowym(III)?
24. W jaki sposób udowodnisz zasadowość pirydyny, chinoliny, chininy?

25. Napisz równanie reakcji 8-hydroksychinoliny z jonami bizmutu(III).
26. Napisz równanie reakcji chinoliny z siarczanem(VI) miedzi(II).
27. Jak wykrywamy indol?

28. Podaj reakcje charakterystyczne dla kwasu moczowego. Na czym polega ich przebieg?
29. Podaj przebieg reakcji Parriego dla cytozyny.

30. Na czym polega próba mureksydowa?