Sinteza oligonukleotidov na polimernem nosilcu

Prezentacije za predavanja študentom 3. letnika
univerzitetnega študija Kemije na UL FKKT
(zimski semester 2012/2013)

Študijska literatura:
Osnovna literatura:
1. K. Peter C. Vollhardt, Neil E. Schore: Organic Chemistry, Structure and
Function, Third Edition, W. H. Freeman and Company, New York, 1999.
Dodatna literatura:
1. J. Clayden, N. Graves, S. Warren, P. Wothers: Organic Chemistry, Oxford University
Press, 2001.
2. F. A. Carey, R. J. Sunderberg: Advanced Organic Chemistry, Plenum, 2000.
Pomožna literatura:
1. Pregledni članki in poglavja iz monografij v zvezi z obravnavanimi tematikami
2. Miha Tišler, Organska kemija, DZS, Ljubljana, 1991

Pripomočki za poimenovanje (nomenklaturo) organskih spojin:
ACD/ChemSketch 12.0 Freeware
http://www.nmrsoftware.com/download/chemsketch/
http://www.nmrsoftware.com/download/
ChemBioOffice 2010 – ChemBioDraw Ultra 12.0 (licenca UL – možna je le uporaba na FKKT)
http://www.cambridgesoft.com/software/ChemBioOffice/
Nekatera ostala prostodostopna programja:
ChemAxon Marvinbeans (freeware)
http://www.chemaxon.com/download/marvin/for-end-users/
Potem so še drugi programi (ki jih je moč dobiti na različnih “freeware”-spletnih straneh in
v repozitorijih različnih distribucij Linuxa, a so praviloma napopolni/pomanjkljivi,
uporabniku manj prijazni, oz. na splošno manj kvalitetni.

(18. stoletje)
Začetek moderne kemije
Anorganska kemija
(“kemija nežive materije”)
Organska kemija
(kemija spojin v živih bitjih)
Bioorganska
19. In 20. stoletje:
Organska kemija
(kemija ogljikovih spojin)
20. stoletje:
Biokemija
(kemija bioloških molekul)
21. stoletje
Bioorganska kemija
(molekularne osnove in mimika bioloških procesov)
Kemija
Biologija

Adicije nukleofilov na α,β-nenasičene karbonilne spojine.
Za razliko od običajnih aldehidov in ketonov, ki z nukleofili reagirajo na karbonilnem ogljiku, pa pri α,βnenasičenih
aldehidih (enalih) in ketonih (enonih) opažamo dvojno reaktivnost, saj lahko reakcija
nukleofila z α,β-nenasičeno karbonilno spojino poteče na C=O vez (1,2-adicija) ali pa na C=C vez (1,4adicija,
konjugativna adicija, Michaelova adicija). V kontekstu reakcij α,β-nenasičenih karbonilnih spojin
nas bo torej zanimala predvsem selektivnost pretvorb,

Adicije nukleofilov na α,β-nenasičene karbonilne spojine.

Reakcije α,β-nenasičenih aldehidov (enalov) in ketonov (enonov) - nukleofilne
polarne adicije na C=C in CΞC vez. α,β-Nenasičene karbonilne spojine zaradi elektronprivlačnega
vpliva karbonilne skupine sodijo med tipične predstavnike elektronsko revnih olefinov in
acetilenov. V nasprotju z enostavnimi alkeni in alkini, ki so dovzetni za napad elektrofilov so za
omenjene elektronsko revne alkene in alkine značilne adicije nukleofilov (Ad N) reakcije, ki potekajo prek
polarnih (ionskih) stanj. Po definiciji reagirajo elektronsko revne multiple vezi z nukleofilom Nu - , ki
nastane iz nevtralne molekule H–Nu → H + + Nu – . Na splošno to pomeni, da z nukleofili reagirajo ne le
enoni in enali, pač pa vsi alkeni (in alkini), ki imajo na multiplo vez vezan elektron-akceptorski
substituent, npr. –NO 2, -COR, -CHO, COOR, -CN, CONR 2, itd. Tipični (šolski) primer elektronsko
revnih olefinov so α,β-nenasičeni aldehidi in ketoni:

Adicije nukleofilov na olefine potekajo po mehanizmu, ki vključuje nastanek resonančno
stabiliziranega polarnega intermediata. Nukleofilne adicije na elektronsko revne olefine so torej lahko
bazno in kislinsko katalizirane:

Tipične konjugativne adicije nukleofilov na enale in enone
M = kovina, X = halogen

Selektivnost adicije je odvisna od: (a) reakcijskih pogojev, (b) strukture in lastnosti elektrofila in (c) tipa
nukleofila. Praviloma je 1,2-adicija hitrejša (kinetska kontrola reakcije) a reverzibilna, 1,4-adicija pa je
počasnejša in ireverzibilna – nastane energetsko stabilnejši produkt (termodinamska kontrola reakcije).
Primer:

1,2- in 1,4-adicije nukleofilov na enone – stereoelektronski faktorji usmerjanja napada
Padajoča elektrofilnost enona

1,2- in 1,4-adicije nukleofilov na enone – stereoelektronski faktorji usmerjanja napada
Reakcijski pogoji
Struktura elektrofila
1,2-adicija 1,4-adicija
Kinetski: nižja temperatura, krajši
reakcijski časi
Reaktivna C=O skupina (aldehid, acil
klorid)
Tip nukleofila hard soft
Tip organokovinskega reagenta Li, Mg
Termodinamski: višja temperatura,
daljši reakcijski časi
Nereaktivna C=O skupina (ester,
amid)
Cu ali Li/Mg+kataliza s Cu(I)

Primeri konjugativnih adicij: nukleofilna epoksidacija enonov

Stereokemija elektrofilne in nukleofilne epoksidacije enonov

Konjugativne adicije v bioloških sistemih: ireverzibilna konjugativna adicija glutationa

Enali in enoni v bioloških sistemih: fotokemično vzbujanje in konformacijska sprememba 11-cis-retinala kot
sprožilec signala vida

Elektrofilne substitucije na C=O in/ali C=C vezi ambidentnih nukleofilov: reakcije enolatov. V to
skupino reakcij sodijo predvsem reakcije enolizabilnih karbonilnih spojin in njihovih analogov. To so
spojine, ki imajo na položaju a glede na C=X vez vezan vsaj en proton in imajo zato spodobnost
prototropne izomerizacije (tavtomerije):

Enolizabilne karbonilne spojine lahko reagirajo bodisi kot C-elektrofili ali pa kot O-nukleofili. Take
nukleofile imenujemo ambidentni nukleofili:

Ambidentni nukleofili so torej tisti nukleofili, ki jih lahko zapišemo v vsaj dveh kanonskih strukturah in kjer
delokalizacija prostega elektronskega para povzroča spremembo elektronske gostote na različnih donorskih
atomih. Primeri:
Enolate praviloma pripravljamo z deprotonacijo enolizabilnih karbonilnih spojin z močnimi bazami,
kot sta litijev diizopropilamid (LDA) in butillitij (BuLi) v etrnih topilih (Et 2O ali THF):

Regioselektivnost reakcij enolov z elektrofili. Na podlagi eksperimentalnih opažanj je bila razvita klasifikacija
nukleofilov in elektrofilov po hard-soft principu oziroma delitev nukleofilov/elektrofilov na trde in mehke.
Eksperimentalno je bilo namreč opaženo, da trdi nukleofili hitreje (prednostno) reagirajo s trdimi elektrofili, mehki
nukleofili pa z mehkimi elektrofili. Zaradi velike razlike med HOMO in LUMO energijama trdih reaktantov
prevladujejo med njima elektrostatske interakcije (elektrostatska kontrola). Pri mehkih reaktantih je energijska
razlika med HOMO in LUMO orbitalama majhna in zato bliže energiji novonastale kovalentne vezi (orbitalna
kontrola).

Hard-soft princip in teorija molekulskih orbital

Trdi in mehki nukleofili in elektrofili
Lastnost Trdi nukleofili Mehki nukleofili Trdi elektrofili Mehki elektrofili
Velikost majhen velik majhen velik
Naboj - ali 0 0 + ali 0 0
pKa bazičen nebazičen kisel nekisel
Energija HOMO/LUMO HOMO-nizka HOMO-visoka LUMO-visoka LUMO-nizka
Elektronegativnost
Elektropozitivnost
visoka
-
nizka
-
-
visoka
-
nizka
Polarizabilnost nizka visoka nizka visoka
Kontrola reaktivnosti elektrostatska orbitalna elektrostatska orbitalna
Večja reaktivnost do trdih elektrofilov mehkih elektrofilov trdih nukleofilov mehkih nukleofilov
Tipični primeri H 2 O , OH - , F -, AcO - ,
SO 4 2- , Cl - , CO3 2- , NO3 ,
ROH, RO - , R 2 O, NH 3 ,
RNH 2 , R 2 NH, R 3 N
R 2 S, RSH, RS - , I - , R 3P,
(RO) 3 P, CN - , RNC, CO,
C 2 H 4 , C 6 H 6 , H - , R 3C -
H + , Li + , Na + , K + , Mg 2+ ,
Ca 2+ , Cr 2+ , Al 3+ , Fe 3+ ,
BF 3, B(OR) 3, AlMe 3,
AlCl 3, AlH 3, SO 3, RCO + ,
CO 2, HX (H-vezi)
Cu + , Ag + , Pd 2+ , Pt 2+ ,
Hg 2+ , BH 3, GaCl 3, I 2, Br 2,
CR 2 (karbeni )
Mejni primeri anilin, piridin, N 3 - , Br - , NO2 - Fe 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Sn 2+ , Sb 2+ , Bi 3+ , BMe3, SO 2,
R 3C + , NO + , GaH 3, C 6H 5 +
Delokalizacija (stabilizacija) naboja ali prostega elektronskega para “mehča” nukleofil/elektrofil!

Hard-soft princip - primeri

Primeri reakcij enolatov z elektrofili - halogeniranje. Kislinsko katalizirano α-halogeniranje
aldehidov in ketonov poteka preko elektrofilne adicije halogena na enol, ki ji nato sledi deprotonacija.
Reakcijo lahko ustavimo na stopnji monohalogeniranja, ker je nastali α-halo keton zaradi –I efekta
halogena bistveno manj reaktiven:
Nasprotni pa bazno katalizirano α-halogeniranje aldehidov in ketonov poteka s substitucijo vseh αvodikov.
V primeru metil ketonov reakcijo imenujemo haloformska reakcija, saj nastali trihalometil
keton reagira z bazo tako, da po adiciji baze (nukleofila) poteče razcep C-C vezi in nastane ustrezni
haloform:

Primeri reakcij enolatov z elektrofili - alkiliranje. V to skupino reakcij sodijo predvsem reakcije
enolizabilnih karbonilnih spojin in njihovih analogov z alkil halidi (S N) in elektronsko revnimi olefini (Ad N
oz. konjugativna adicija):

Reaktivnost alkil halogenidov in elektrofilnih alkenov v reakcijah alkiliranja litijevih
enolatov.

Primeri alkiliranja alkalijskih enolatov z S N2 elektrofili in elektrofilnimi alkeni.

Specifični ekvivalenti enolatov: sinteza in pretvorbe enaminov kot reaktivnih
analogov enolov

Specifični ekvivalenti enolatov: reakcije silil enol etrov z S N1 elektrofili in
elektrofilnimi alkeni

Reakcije enolatov z aldehidi in ketoni: aldolna kondenzacija

Reakcije enolatov z aldehidi in ketoni: mešana aldolna kondenzacija
Mešane aldolne
kondenzacije so selektivne
le, če pravilno kombiniramo
reaktanta – eden mora biti
neenolizabilen. Lahko pa
izvedemo reakcijo med
dvema specifičnima
sinteznima ekvivalentoma,
nukleofilom in elektrofilom.

Reakcije enolatov z aldehidi in ketoni: aldolni kondenzaciji sorodne reakcije

Karboksilne kisline so organske spojine, ki vsebujejo karboksi skupino (COOH oz. CO 2H):

Poimenovanje (nomenklatura) karboksilnih kislin - primeri

Strukturne in spektroskopske lastnosti karboksilnih kislin

Simulirana NMR spektra propanojske kisline

Kislost karboksilnih kislin
Karboksilna kislina pK a
CH 3COOH 4.76
Ph-CH 2COOH 4.31
HO-CH 2COOH 3.83
EtO-CH 2COOH 3.12
Cl-CH 2COOH 2.86
F-CH 2COOH 2.66
NC-CH 2COOH 2.43
O 2N-CH 2COOH 1.68
CF 3COOH 0.23
K
I
S
L
O
S
T

Vpliv substituentov na pKa: vpliv induktivnega vpliva na kislost ocetnih kislin
kislina pK a kislina pK a
CH 3COOH 4.74 CH 3CH 2COOH 4.87
ClCH 2COOH 2.86 CH 3CH 2CH 2COOH 4.82
Cl 2CHCOOH 1.26 CH 3OCH 2COOH 3.54
Cl 3CCOOH 0.64 CH 2=CH–CH 2COOH 4.35
F 3CCOOH 0.23 CH≡C–CH 2COOH 3.32
N≡C–CH 2COOH 2.46 ClCH 2CH 2CH 2COOH 4.52
Na položaj ravnotežja kislina baza vplivajo trije glavni faktorji: elektronski vplivi, sterični (strukturni)
vplivi in vpliv topila. V tabeli so podane kislosti substituiranih ocetnih kislin: elektronprivlačne skupine
povečujejo kislost, daljšanje verige pa nima vpliva na kislost. Razlike v kislosti substituiranih ocetnih
kislin povzroča induktivni efekt. Gre za efekt, kjer atom ali skupina vezana na C-atom polarizira
kovalentno vez s privlakom ali z odbojem elektronov. Na primer, pri vezi C→Cl gre za negativni
induktivni efekt (–I) klorovega atoma, pri vezi C←CH 3 pa za pozitivni induktivni efekt (+I). Razpored
nekaterih tipičnih skupin glede na induktivni efekt je približno tak:
(–I): F > NO 2 > Cl > Br > I > OH > OMe > Ph > H
(+I): Me 3 C > Me 2 CH > MeCH 2 > Me > H

Vpliv substituentov na pKa: vpliv induktivnega vpliva na kislost ocetnih kislin
Povečano kislost ocetnih kislin z elektronprivlačnimi substituenti razložimo z zmanjšanjem naboja pri
karboksilatnem anionu in s tem manjšo afiniteto aniona do ponovne vezave protona. Posledica je
povečana koncentracija oksonijevih ionov in s tem povečana kislost. Obratno velja za
elektrondonorske skupine – zvečanje naboja na karboksilatu vodi do večje afinitete za vezavo protona
in s tem do zmanjšanja kislosti:

Sinteza karboksilnih kislin – industrijski postopki za sintezo mravljične in ocetne kisline

Sinteza karboksilnih kislin z oksidacijo primarnih alkoholov in aldehidov
Tipični oksidanti so: Cr 6+ (npr. H 2CrO 4), KMnO 4, HNO 3.
Sinteza karboksilnih kislin z adicijo organokovinskih reagentov na CO 2
Poleg organomagnezijevih (Grignardovih) reagentov lahko uporabimo tudi organolitijeve reagente
Sinteza karboksilnih kislin s hidrolizo nitrilov

Sinteza karboksilnih kislin : oksidacije alkoholov do ketonov in karboksilnih kislin

Sinteza karboksilnih kislin: selektivna oksidacija primarnih alkoholov do aldehidov

Derivati karboksilnih kislin. V kolikor v karboksi (COOH) skupini hidroksi (OH) skupino zamenja druga
“hetero-skupina Y” (Y = halogen X, OR, NH 2, NHR, NR 2, ipd.) govorimo od derivatih karboksilnih
kislin. Podobno kot OH, mora biti tudi X lahko izstopajoča skupina, ki je tudi razlog za bistveno
drugačno reaktivnost derivatov karboksilnih kislin v primerjavi z aldehidi in ketoni, kjer sta na
karbonilni ogljik vezani dve slabo izstopajoči skupini (H, alkil, alkeni, aril, ipd.). Osnovni tipi kislinskih
derivatov so halogenidi, anhidridi, estri, ter karboksamidi:

Nukleofilne substitucije na C=O vezi - pretvorbe kislinskih derivatov. Zaradi prisotnosti potencialne
izstopajoče skupine Y pri kislinskih derivatih potekajo izmenjave skupine Y z nukleofili. Formalno gre
sicer za substitucijo na sp 2 hibridiziranem C-atomu, ki pa poteče po adicijsko-eliminacijskem
mehanizmu. Tudi v tem primeru so reakcije kislinsko ali bazno katalizirane, potekajo pa z adicijo
nukleofila na C=O vez in nastankom nestabilnega tetraedrskega intermediata, ki se nato stabilizira z
odcepom izstopajoče skupine. Primer:

Pretvorbe kislinskih derivatov. Tipična reaktivnost kislinskih derivatov je posledica vpliva
skupine Y, ki s prostim elektronskim parom sodeluje pri resonančni stabilizaciji karbonilne
skupine:
Čim bolj elektronprivlačna je skupina Y (–I efekt) tem večja bo reaktivnost kislinskega
derivata. Približno zaporedje reaktivnosti kislinskih derivatov je: RCOCl (klorid) > RCOOCOR
(anhidrid) > RCOOR' (ester) > RCONH 2 (amid) > RCOOH (kislina)
Padajoča reaktivnost

Pretvorbe kislinskih derivatov: pK aH izstopajoče skupine kot merilo za reaktivnost
kislinskega derivata
Tip spojine Klorid Anhidrid Ester Amid Keton
Izstopajoča molekula HCl RCOOH ROH R 2NH RH
pK a -7 5 16 35 50
Reaktivnost visoka zmerna nizka

Primer: Ester reagira (počasi) z amoniakom (pK a = 33) do amida, medtem ko amid z
alkoholom (pK a = 16) ne reagira. Na podoben način lahko napovemo izid posameznih
reakcij med kislinskimi derivati in nukleofili.

Tipične pretvorbe kislinskih derivatov (z nukleofilno substitucijo na karbonilnem ogljiku).
Močne kisline katalizirajo reaktivnost karbonilne skupine s protonacijo karbonilnega kisika, ki aktivira
elektrofilni ogljikov atom za napad elektrofila. Po drugi strani pa protonacija izstopajoče skupine poveča
njeno sposobnost izstopanja zaradi močnega znižanja pK aH protonirane izstopajoče skupine v
primerjavi z neprotonirano. V prisotnosti močnih kislin lahko izvajamo hidrolizo nereaktivnih kislinskih
derivatov (npr. amidov in estrov), po drugi strani pa lahko nereaktivne kisline pretvorimo z alkoholi
direktno v estre. Pri kislinsko katalizirani hidrolizi amidov s protonacijo pretvorimo slabo izstopajočo
aminsko skupino (pK a (NH 3) = 33) v dobro izstopajočo skupino (pK a (NH 4 + ) = 9.2). Primer je kislinsko
katalizirana hidroliza karboksamidov:

Kislinsko katalizirana hidroliza estrov kot tudi kislinsko katalizirana tvorba estrov iz karboksilnih kislin in
alkoholov sta reverzibilna procesa:

Oba reverzibilna procesa lahko usmerjamo reakcijo s prebitkom enega od reagentov (vode in alkohola):

Hidrolizo estrov in amidov katalizirajo tudi baze, npr. NaOH – v obeh primerih je proces ireverzibilen
zaradi nastanka karboksilatnega aniona (O - namreč ne izstopa). Izstop NH 2 skupine lahko razložimo s
sodelovanjem vode kot donorjem protonov, tako da dejansko izstopi amoniak. Podobno velja za izstop
alkoksidnega iona:

Močno razliko v reaktivnosti opažamo med primerljivimi intermolekularnimi reakcijami in
intramolekularnimi reakcijami. V prvem primeru imamo opraviti z difuzijsko kontrolo reakcij: hitrost
pretvorbe je odvisna od pogostosti geometrijsko ugodnih približevanj (in trkov) reaktantov. V drugem
primeru pa imamo opraviti z rotacijsko kontrolo reakcij - spojina mora zavzeti ugodno konformacijo, ki
omogoča pretvorbo:

Esterazna aktivnost b-ciklodekstrina:

Tabela reaktivnosti in medsebojnih pretvorb kislinskih derivatov.

Ostale pretvorbe karboksilnih kislin in derivatov.
Redukcija karboksilnih kislin in estrov z litijevim aluminijevim hidridom vodi do nastanka
primarnih alkoholov, redukcija karboksilnih estrov z Grignardovimi reagenti pa do
terciarnih alkoholov:

Selektivna redukcija estrov in amidov do aldehidov in ketonov

Redukcija kislinskih derivatov s kompleksnimi hidridi
Substrat LiAlH 4 LiBH 4 NaBH 4 LiAlH(OBu t ) 3
B 2H 6
NaBH 3CN
R 2C=NR’ + + + + + + (pH < 8)
RCHO + + + + + + (pH < 6)
RCOR + + + + + + (pH < 4)
RCOOH + - - - + -
RCOOR + + +/- - počasi -
RCOCl + + + - počasi -

α-Bromiranje karboksilnih kislin(Hell-Volhard-Zelinskyjeva reakcija) poteka z bromom v
prisotnosti rdečega fosforja. Kot reaktivni intermediat se tvori PBr 3, ki kislino pretvori in situ v
kislinski klorid, ki ima α-mesto dovolj aktivirano za elektrofilno bromiranje. Produkti, αbromoalkanojske
kisline so pomembni sintezni intermediati, npr. za pripravo α-amino- in αhidroksi
kislin.

Aciliranje enolatov estrov: Claisenova kondenzacija estrov in analogne reakcije

Aciliranje enolatov estrov: Claisenova kondenzacija estrov in analogne reakcije
Podobno kot mešane aldolne kondenzacije tudi mešane Claisenove kondenzacije potekajo
uspešno takrat, ko sta vlogi elektrofila in nukleofila jasno definirani. Najprimernejše so
reakcije enolizabilnih estrov z neenlizabilnimi, ki so specifični elektrofili:

Aciliranje enolatov estrov: Claisenova kondenzacija estrov in analogne reakcije
Namesto estrov lahko kot elektrofile uporabimo tudi druge reaktivne kislinske derivate (kislinski kloridi,
imidazolidi), ki potem reagirajo s stabilnimi enolati (npr. derivati malonske kisline):

Heterokumuleni (spojine s kumuliranimi C=X vezmi). Spojine s kumuliranimi C=X vezmi,
med katere prištevamo tudi CO 2 in CS 2, reagirajo z nukleofili kot so voda, alkoholi, amini,
ipd. Gre za nukleofilne adicije na sp-hibridiziran C-atom. Reaktivnost pada v zaporedju:
R 2C=C=O (keteni) > R 2C=C=N–R (ketenimini) ≥ R–N=C=O (izocianati) > R–N=C=N–R
(karbodiimidi) ≥ R–N=C=S (izotiocianati).

Nekatere tipične pretvorbe kumuliranih C=X vezi – reakcije ketenov:

Nekatere tipične pretvorbe kumuliranih C=X vezi – reakcije izocianatov in izotiocianatov:

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: serin proetaze

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: serin proetaze (pdb: 5cha)
Asp-102
His-57
Ser-195

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: tioestri kot elektrofilni ali nukleofilni C 2 sintoni

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: tioestri kot elektrofilni C 2 sintoni. Reakcije z
nukleofili na estrski tiolestrski skupini – primerjava reaktivnosti.
Ester: p-orbitale ogljika in kisika so podobne
velikosti, zato je prekrivanje dobro,
resonančna stabilizacija pa učinkovita.
Tiol ester: p-orbitale žvepla so večje od porbital
ogljika in kisika, zato je prekrivanje
slabo, resonančna stabilizacija pa manj
učinkovita.
Tiol estri so bistveno bolj reaktivni od estrov, ker je a) tiolat bolj kisel od alkoholata in s tem boljša izstopajoča
skupina, b) je tiolatni anion dodatno stabiliziran z delokalizacijo naboja v prazne d-orbitale in c) ker je prekrivanje
p-orbital tiol estra slabše kot pri estru, s tem pa je motena (zmanjšana) resonančna stabilizacija tiolata.

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: tioestri kot nukleofilni C 2 sintoni. Reakcije z
elektrofili na a-C atomu glede na tiolestrsko skupino.
Tiol ester je reaktivnejši od estra (glej prejšnjo sliko), zato vsebuje tudi večji delež enola, ki
lahko reagira z nukleofili.

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: acetil CoA kot nukleofilni C 2-sinton, z
biotinom mediirana biosinteza malonil CoA in biosinteza poliketidov

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: gradnja ogljikovega skeleta maščobnih kislin

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: acil CoA kot C n-elektrofil v biosintezi
fosfolipidov (1.del)

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: biosinteza fosfolipidov (2. del)

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: eliminacije amoniaka iz amino kislin, biosinteza
nenasičenih kislin

Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: gradnja ogljikovega skeleta s pomočjo lizinskih
enaminov aldolaz

Amini so organski derivati oziroma analogi amoniaka in s tem tipični predstavniki organskih baz.

Poimenovanje (nomenklatura) aminov - primeri

Strukturne in spektroskopske lastnosti aminov. Amini s tremi različnimi substituenti so kiralni,
vendar pa praviloma niso optično aktivni. Razlog je hitra izomerizacija, ki jo imenujemo piramidalna
inverzija (ΔG ~ 6 kcal/ mol).

Induktivni efekt substituentov vpliva na bazičnost aminov. Alkilne skupine, za katere je značilen +I
efekt, povečujejo bazičnost aminov. Sekundarni amini so najmočnejše baze, medtem ko pri terciarnih
aminih navkljub dodatni elektronski aktivaciji (-I) prevlada sterični vpliv, ki preprečuje protonacijo na
račun piramidalne inverzije, kar vodi v zmanjšanje bazičnosti. Izjema so sterično rigidni terciarni amini,
kjer je piramidalna inverzija onemogočena, zato so najbolj bazični:
amin pK aH amin pK aH
NH 3
MeNH 2
9.21
10.62
Me 2NH 10.64
morfolin
8.36
Me 3N 9.76 N-metilmorfolin 7.38
EtNH 2
10.63
Et 2NH 10.98
Me 3CNH 2
Kinuklidin
(1-azabiciklo[2.2.2]oktan)
10.55
11.0
pirolidin
piperidin
11.27
11.22

Resonančni efekt substituentov vpliva na bazičnost aromatskih aminov (anilinov). Zaradi konjugacije
prostega elektronskega para s π-sistemom, je ta delokaliziran v aromatski obroč, kar močno zmanjšuje
bazičost anilinov v primerjavi z alifatskimi amini. Elektrondonorske skupine povečujejo,
elektronakceptorske skupine pa zmanjšujejo bazičnost (±M na orto- in para-položajih in ±I na metapoložaju):
anilin pK aH anilin pK aH
Ph-NH 2 4.62 4-Me-C 6H 4-NH 2 5.07 (+M)
4-MeO-C 6H 4-NH 2 5.29 (+M) 3-Me-C 6H 4-NH 2 4.67 (+I)
3-MeO-C 6H 4-NH 2 4.20 (-I) 4-Cl-C 6H 4-NH 2 3.81 (-I, +M)
4-O 2N-C 6H 4-NH 2 0.98 (-M) 3-Cl-C 6H 4-NH 2 3.32 (-I)
3-O 2N-C 6H 4-NH 2 2.45 (-I) 4-Me 3Si-C 6H 4-NH 2 4.36 (+M)
4-HO-C 6H 4-NH 2 5.50 (+M) 3-Me 3Si-C 6H 4-NH 2 4.64 (+I)
3-HO-C 6H 4-NH 2 4.17 (-I) 4-MeOOC-C 6H 4-NH 2 2.30 (-M)

Sinteza aminov z alkiliranjem. Direktno alkiliranje amoniaka in aminov z alkil halogenidi praviloma
ni najboljši način za pripravo aminov, saj ponavadi reakcije niso selektivne in nastanejo zmesi
primarnih, sekundarnih in terciarnih aminov, ter kvarternih amonijevih soli. Selektivno pretvorbo lahko
dosežemo le z velikim prebitkom amina (= z aminiranjem), kar pa v praksi lahko predstavlja problem,
saj mora biti prebitek amina po pretvorbi lahko odstranljiv (npr. z uparevanjem):

Sinteza aminov z aminiranjem alkil halogenidov (ali sulfonatov). V sintezni praksi ponavadi
sintetiziramo amine s posredno, a selektivno uvedbo aminske skupine, ki jo moramo na koncu
“sprostiti”. Kot sintezna ekvivalenta aminov uporabljamo kalijev ftalimid in natrijev azid:

Sinteza aminov z reduktivnim aminiranjem aldehidov in ketonov. Reakcijo izvajamo
enostavno s katalitskim hidrogeniranjem zmesi amina in aldehida/ketona oz. z redukcijo omenjenih
zmesi s kompleksnimi hidridi. Reduktivno aminiranje aldehidov in ketonov je najbolj splošna metoda za
pripravo aminov.

Reduktivno aminiranje s kompleksnimi hidridi
NaBH 3CN je blag selektiven reducent, ki pri pH 6-8 selektivno reducira “in situ” tvorjene imine do
ustreznih aminov. Aldehidi in ketoni reagirajo šele pri pH < 5. Razlog je v večji bazičnosti iminskega
dušika v primerjavi s karbonilnim kisikom – imini se protonirajo pri višjem pH kot aldehidi in ketoni.
Poleg NaBH 3CN uporabljamo še NaBH 4, NaBH(OAc) 3, BH 3-Me 2S, BH 3-R 3N in sorodne manj
reaktivne (a bolj selektivne!) kompleksne hidride.

Sintezo aminov z redukcijo nitro, nitrozo, oksimino in hidrazono spojin, ter nitrilov
izvajamo, bodisi s katalitskim hidrogeniranjem, z redukcijo s kompleksnimi hidridi (npr. NaBH4 in LiAlH4),
ali pa z redukcijo z raztapljanjem kovine (Zn, Al, Fe, Sn, itd.) v kislini, npr.: Zn-HCl aq, Zn-AcOH.

Pretvorbe aminov – Hofmannova eliminacija. Omenjena eliminacija poteka iz kvarternih
amonijevih soli v prisotnosti močne baze, pri čemer je kvarterna amonijev skupina dobro
izstopajoča (analogija z + OH 2):

Pretvorbe aminov – Mannichova reakcija.* Poteka med aldehidi/ketoni in amini ter vodi
do β-amino aldehidov/ketonov. Ključna intermediata (reaktivni zvrsti) sta enol in iminijev
kation, ki nastane pri reakciji med (praviloma neenolizabilnim aldehidom/ketonom in
aminom. Običajna kombinacija reagentov zajema keton (enol), aldehid (pogosto
formaldehid), amin in kisel medij (npr. HCl-ROH ali AcOH):
* Glej še sliko 34: “Reakcije enolatov z aldehidi in ketoni: aldolni kondenzaciji sorodne reakcije”

Pretvorbe aminov – nitroziranje. Reakcija poteka med aminom in nitrozil kationom, ki nastane pri
razpadu dušikove(III ) kisline oz. alkil nitritov. Najprej poteče adicija nitrozil kationa na aminski dušik, pri
čemer nastanejo ustrezne N-nitrozo spojine. V primeru primarnih aminov poteče nadaljnja eliminacija
vode do nestabilnih diazonijevih soli, ki zlahka reagirajo z nukleofili, npr. z vodo do ustreznih alkoholov.
Arildiazonijeve soli so stabilne do ~5
C in jih uporabljamo za reakcije pripajanja. Nitroziranje sekundarnih
aminov vodi do relativno obstojnih, a hudo strupenih N-nitrozaminov, medtem ko nitroziranje terciarnih
aminov nastanejo ustrezne N-nitrozamonijeve soli.

Pretvorbe aminov – sinteza diazometana, karbeni, sinteza ciklopropanov. Reakcija Nmetil-N-nitrozamidov
z močno bazo (npr. KOH) vodi do nastanka diazometana. Fotokemijski in/ali
termični razkroj in/ali z bakrom katalizirani razkroj diazometana vodi do nastanka karbena (metilena) kot
reaktivnega intermediata.

Ena od tipičnih reakcij karbenov je cikloadicija na C=C dvojno vez, pri čemer nastanejo ciklopropani:
V sintezi ciklopropanov je pomemben še Simmons-Smithov reagent (CH 2I 2/Zn-Cu), kjer kot intermediat
nastopa karbenoid (ICH 2ZnI), čogar reaktivnost je identična reaktivnosti metilena:

1+2 cikloadicije karbenov

Primer pretvorb aminov v industriji – sinteza Nylona.

Uvod
Periciklične reakcije predstavljajo pomemben sklop organskih reakcij, ki potekajo pri spojinah s π-sistemi.
Periciklične reakcije potekajo po t.i. sinhronem oz. koncertiranem mehanizmu, kjer hkrati poteka tvorba
in cepitev več vezi hkrati (ali pa vsaj z zelo podobnimi hitrostmi). Periciklične reakcije ne vključujejo
intermediatov potekajo pa preko cikličnih prehodnih stanj - posledica tega je tudi predvidljiva
stereokemija pericikličnih reakcij (analogija z S N2 reakcijami) . Periciklične reakcije delimo na tri glavne
skupine:
1.) Cikloadicije
2.) Elektrociklizacije
3.) Sigmatropne premestitve
Periciklične reakcije lahko razložimo s teorijo mejnih molekulskih orbital (HOMO-LUMO) njihov potek pa
lahko predvidimo z Woodward-Hoffmannovimi pravili, ki sta jih avtorja izpeljala na podlagi
eksperimentalnih ugotovitev. Malce poenostavljeno lahko povzamemo, da sta glavna kriterija za napoved
poteka določene periciklične reakcije dva:
a) število elektronov, ki sodeluje v procesu, 4n ali 4n+2 (gre za t.i. aromatsko in antiaromatsko število
elektronov) in
b) aktivacija sistema , ki je bodisi termična ali pa fotokemijska.

Cikloadicije
Cikloadicije, ki vključujejo 4n+2 elektronov so termične reakcije.
Cikloadicije, ki vključujejo 4n elektronov so fotokemične reakcije.

Cikloadicije
Po teoriji mejnih molekulskih orbital (FMO) so ugodne tiste reakcije, kjer se faze mejnih orbital
(HOMO-LUMO) ujemajo (termična aktivacija). Kadar tega ujemanja ni, pa se mora ena od faz “obrniti“
oz. preiti v vzbujeno stanje, kar zahteva dodatno energijo (fotokemijska aktivacija):

4+2 Cikloadicije: Diels-Alderjeva reakcija
Pri Diels-Alderjevi reakciji gre za reakcijo med dienom in dienofilom (alkenom ali acetilenom):
Kot vse periciklične cikloadicije, je tudi Diels-Alderjeva reakcija reverzibilna. Tipičen primer je
diciklopentadien, ki pri sobni temperaturi dimerizira (ciklodimerizacija), nastali dimer
ciklopentadiena pa lahko pretvorimo v ciklopentadien s segrevanjem nad 180 °C:

4+2 Cikloadicije – nekateri tipični dieni in dienofili:

Termične 2+2 cikloadicije kumulenov
2+2 Cikloadicije kumulenov sicer vključujejo 4π elektrone, vendar so termične reakcije, saj
je zaradi geometrije alenov možno dodatno prekrivanje HOMO orbitale olefina z LUMO
orbitalami kumulena.

1,3-Dipolarne cikloadicije
1,3-Dipolarne 3+2 cikloadicije vključujejo 4n+2 elektronov in so termične reakcije.

1,3-dipolarne cikloadicije – tipični 1,3-dipoli

Regiokemija cikloadicij. Cikloadicija lahko sicer vodi do dveh regioizomernih produktov, a v praksi
pogosto prednostno nastane en regioizomer. Regioselektivnost lahko razložimo z elektronskimi
(orbitalnimi) vplivi, saj je pri ujemanju orbital je poleg faze pomembna tudi “velikost” (koeficient)
orbitale. Podobne vrednosti koeficientov pomenijo podobno energijo HOMO in LUMO orbital in s tem
večjo reaktivnost:

Stereokemija cikloadicij
Zaradi hkratne tvorbe dveh vezi so cikloadicije sin-adicije - relativna konfiguracija alkenov se ohranja.

Stereokemija cikloadicij. Pri cikloadicijah enonov na ciklične diene in dipole praviloma prevladuje
endo-adicija, ki jo lahko razložimo z dodatno stabilizacijo endo-prehodnega stanja zaradi prekrivanja πorbital
diena s C=O π-orbitalo dienofila:

Elektrociklične premestitve (elektrociklizacije)
Št. π-elektronov Termična reakcija Fotokemična reakcija
4n konrotatorna disrotatorna
4n+2 disrotatorna konrotatorna

Elektrociklične premestitve (elektrociklizacije)

Elektrociklične premestitve (elektrociklizacije)

[1,j]-sigmatropne premestitve vodika
Na splošno so sigmatropne premestitve reakcije, kjer poteče premestitev σ-vezi vzdolž π-sistema. Pri
[1,j]-sigmatropnih premestitvah vodika gre torej za premeščanje C-H vezi, ki lahko poteče
suprafacialno (po isti strani π-sistema) ali pa antarafacialno (na nasprotno stran π-sistema) :
Št. π-elektronov Termična reakcija Fotokemična reakcija
4n antarafacialna suprafacialna
4n+2 suprafacialna antarafacialna

[1,j]-sigmatropne premestitve vodika
Praviloma suprafacialne
premestit-ve potečejo zlahka,
antarafacialne pa težko. Na
primer, [1,3]-premestitve v
praksi potečejo le suprafacialno,
saj je antarafacialno
prehodno stanje preveč napeto.

[1,j] sigmatropne premestitve ogljika. Za razliko od krogelne (brezfazne) atomske orbitale vodika
je atomska orbitala ogljika dvofazna. Zato ima v vsakem možnost, da premestitev izvede suprafacialno.
Zato sigmatropne premestiteve ogljika vedno lahko potečejo suprafacialno. Na primer, pri 1,3premestitvi
vinilciklopropana, poteče suprafacialna premestitev s hkratnim obratom faze:

[1,j] sigmatropne premestitve ogljika

[i,j]-sigmatropne premestitve ogljika

Molekulske premestitve
Pri pretvorbah organskih spojin, ki potekajo po ionskih mehanizmih, smo dosedaj obravnavali reakcijske
mehanizme, pri katerih se reaktivni intermediati (ioni) stabilizirajo bodisi z adicijo protiiona ali pa z
eliminacijo iona. Na primer, karbokation se lahko stabilizira na dva načina: a) z adicijo nukleofila (npr.
aniona) ali z eliminacijo elektrofila (npr. protona):
Obstaja pa še en način stabilizacije, in sicer je to molekulska premestitev, ki manj stabilen intermediat
praviloma pretvori v bolj stabilnega. Na primer, reakcija 2,2-dimetilpropil jodida z vodo in AgNO 3 ne
vodi do ustreznega 2,2-dimetil-1-propanola, pač pa do izomernega 1,1-dimetil-1-propanola. S N1
reakcija na primarnem C-atomu ne poteče, ker je ustrezni primarni karbokation preveč nestabilen. Pač
pa poteče premestitev metilne skupine na elektrofilni C-atom, ki vodi do nastanka terciarnega
karbokationa, ki nato reagira po S N1 mehanizmu do terciarnega alkohola.
Bistvo molekulskih premestitev je v vplivu sodelujočih skupin.

Vpliv sodelujočih skupin na hitrost in stereokemijo substitucije

Vpliv sodelujočih skupin na hitrost substitucije

Vpliv sodelujočih skupin na hitrost substitucije

Molekulska premestitev se zgodi tako, da sodelujoča skupina zamenja položaj v osnovnem skeletu!

Stabilizacija prazne p-orbitale karbokationa s sosednjimi σ-vezmi (+I efekt alkilnih skupin)

Disociacijske energije C-Br vezi (kJ/mol)
250
200
150
100
50
0
218
182
J. Amer. Chem. Soc. 96, 7552 (1974).
ΔE (kJ/mol): -26 (0°→1°)
-19 (1°→2°)
-14 (2° →3°)
163
149

Stabilizacija prazne p-orbitale karbokationa s sosednjo σ-vezjo (1,2-premestitev hidrida ali
alkilne skupine)
ΔE : ca. -30 kJ/mol (1°→3°)

Značilne molekulske premestitve na nasičenem ogljiku

Značilne molekulske premestitve na nasičenem ogljiku

Molekulske C→X premestitve na C=X vezeh (X = O, N) aldehidov in ketonov.

Molekulske C→X premestitve na C=X vezeh (X = O, N) aldehidov in ketonov.

Molekulske C→X premestitve na C=X vezeh (X = O, N) aldehidov in ketonov.
Pri nesimetričnih ketonih migrira vedno skupina, ki je anti glede na OH. Zaradi pogoste hitre sin/antiizomerizacije
oksimov ta sicer osnovni pogoj ni odločujoč. V večini primerov je za selektovnost
Beckmannove premestive odločilna migracijska sposobnost skupin, ki narašča z naraščajočo
elektrondonorsko naravo (+I, +M). Približno zaporedje migracijskih sposobnosti značilnih skupin je:
terc-alkil > sek-alkil ≥ aril > n-alkil; na primer: t-Bu > i-Pr > Ph > Et > Me . Vodik (H) praviloma ne
migrira.

Molekulske C→X premestitve karbonilnih spojin, ki vodijo do (reaktivnih) kumulenov

Premestitve v bioloških sistemih : pinakolne premestitve v biosintezi valina in izolevcina

Premestitve v bioloških sistemih : biosinteza fenilalanina in tirozina preko šikimske kisline, 1. del

Premestitve v bioloških sistemih : biosinteza fenilalanina in tirozina preko šikimske kisline, 2. del

Pripravo organokovinskih spojin (C-nukleofilov) in njihove pretvorbe z različnimi elektrofili prištevamo
med moderne sintezne metode, čeprav je od odkritja in prve uporabe (Grignardovi reagenti) minilo že
več kot 100 let. Organokovinske spojine so spojine, v katerih je kovina neposredno vezana na ogljikov
atom. Zaradi elektropozitivnosti kovin imajo vezi R-M visok delež ionske narave (ca. 20-45%), odvisno
od skupine R. Na splošno delež ionske narave narašča z naraščajočim s-karakterjem (oz. padajočim pkarakterjem)
vezi.

Organokovinske spojine pripravimo na tri osnovne načine:
a) z neposredno deprotonacijo kislih C-H spojin
b) z reakcijo kovin z alkil- in arilhalogenidi
c) z zamenjavo ene kovine z drugo (transmetaliranje)

Organokovinske spojine reagirajo z različnimi elektrofili. Na primer, organomagnezijevi halidi
(Grignardovi reagenti) kot C-nukleofili reagirajo s celo vrsto elektrofilov, kot je prikazano na spodnji
shemi:

Primeri reakcij organokovinskih reagentov s karbonilnimi spojinami:

Moderna organokovinska kemija ni omejena le na organolitijeve in organomagnezijeve spojine (in
ustrezne analoge organokovinskih spojin I.B in II.B skupine), ki smo jih spoznali v prejšnjih poglavjih, pač
pa temelji predvsem na spojinah kovin prehoda, ki katalizirajo tvorbo C-C vezi. V smislu katalitskih reakcij
je primeren katalizator tisti, ki je dovolj stabilen za hrambo, kar pa ponavadi pomeni, da ni dovolj reaktiven
za pretvorbe. Organokovinska spojine prehodnih kovin, ki se v praksi uporabljajo kot katalizatorji so sicer
dovolj stabilni za hrambo, v reakcijski zmesi pa se “in situ” pretvorijo v reaktivnejšo obliko (npr. s sprostitvijo
enega ali dveh ligandov), ki potem deluje kot katalizator. Enostavno pravilo 18 elektronov pravi, da je
kovinski kompleks stabilen, če ima centralni kovinski ion konfiguracijo žlahtnega plina, oz. da je vsota
valenčnih elektronov kovine in elektronov, ki jih ligandi prispevajo v vez, enako 18. Kovine prehoda imajo
na valenčnih orbitalah lahko 4 (IVB) do 11 elektronov (IB). Poleg tega lahko Ti, Zr, Ni, Pd in Pt tvorijo tudi
stabilne 16 elektronske komplekse (prazna orbitala, kvadratno planarna geometrija. Primeri:

Katalitske aktivnosti spojin elementov prehoda temeljijo zlasti v njihovi raznovrstnosti načinov s katerimi
tvorijo kovalentne vezi z ligandi in s substratom:

Glavne tri reakcije na katerih temeljijo pretvorbe organokovinskih spojin so:
- Oksidativna adicija (vrinjanje kovine v C-X enojne vezi)
- Reduktivna eliminacija (eliminacija kovine s tvorbo C-C vezi)
- Vrinjenje s premestitvijo (adicija organokovinske spojine na π-vez, ki ji sledi premestitev kovine s
hkratno tvorbo C-C vezi.
Oksidativna adicija in reduktivna eliminacija

Vrinjenje s premestitvijo

Tipične katalitske organokovinske reakcije: hidrokarboniliranje propena

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Heckova reakcija

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Heckova reakcija

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Stille reakcija (Stille crosscoupling)

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Stille reakcija (Stille crosscoupling)

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Negishi reakcija (Negishi crosscoupling)

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Negishi reakcija

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Suzuki-Miyaura reakcija (Suzuki-Miyaura crosscoupling)

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Suzuki-Miyaura reakcija

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Sonogashira reakcija (Sonogashira crosscoupling)

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Nukleofilne substitucije na alilnih sistemih

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Nukleofilne substitucije na alilnih sistemih

Tipične katalitske organokovinske reakcije: Nukleofilne substitucije na arilnih in alkenilnih sistemih

Struktura in lastnosti heterocikličnih spojin. Heterociklične spojine predstavljajo najštevilnejšo
skupino organskih spojin. Mnoge med njimi so biološko aktivne oziroma sodelujejo v bioloških procesih,
številne heterociklične spojine pa so pomembne zaradi svoje uporabnosti v vsakdanjem življenju. Široko
gledano so heterociklične spojine vse obročne spojine z enim ali več obročnimi heteroatomi (O, S, N, P,
B, Se, Si, itd.). Po strukturi pa heterociklične spojine delimo na tri glavne skupine: a) popolnoma
nenasičene (aromatske) sisteme, b) delno nasičene sisteme in c) nasičene sisteme.

Pomembni monociklični sistemi:

Pomembni biciklični sistemi:

Struktura in s tem lastnosti heteroaromatskih sistemov so analogne strukturi in lastnostim benzena in
sorodnih aromatov. Analogija z benzenom je popolna v primeru piridina, kjer je sp 2 hibridiziran
dušikov atom s prosto p-orbitalo udeležen v resonančni stabilizaciji sistema, prosti elektronski par pa
v tej stabilizaciji ni udeležen:

V pirolu in sorodnih petčlenskih heteroaromatih pa je skladnejša analogija z aromatskim
ciklopentadienil anionom le da pri pirolu (in sorodnih heteroaromatih) prosti elektronski par
dušikovega atoma sodeluje v resonančni stabilizaciji sistema. Sodelovanje prostega elektronskega
para v aromatski stabilizaciji pirola opišemo tudi z dipolarnimi kanonskimi strukturami:

Nomenklatura bicikličnih sistemov:

Nomenklatura premostenih sistemov temelji na nomenklaturi izocikličnih spojin (ogljikovodikov). Kot
osnovo za poimenovanje premostenega heterocika vzamemo ime ustreznega ogljikovodika, vsebujoče
heteroatome pa označimo s predponami oksa-, tia-, aza-, itd. Enak princip velja za poimenovanje spiro
sistemov. Primeri:

Lastnosti heterocikličnih sistemov. Lastnosti nasičenih in delno nasičenih heterociklov so praviloma
enake lastnostim njihovih acikličnih analogov. V aromatski vrsti pa glede na njihove lastnosti
heterocikle delimo v dve skupini:
a) Sistemi s primanjkljajem elektronov, kjer prost elektronski par obročnega heteroatoma ne
sodeluje v aromatski stabilizaciji. Osnovni sistem tega tipa je piridin, ki je zaradi –I efekta
obročnega dušika manj C-nukleofilen od benzena, hkrati pa je zaradi prostega elektronskega para
tudi bazičen (pK aH = 5.2).
a) Sistemi s prebitkom elektronov, kjer prost elektronski par obročnega heteroatoma sodeluje v
aromatski stabilizaciji sistema, kar se odraža v povečani C-nukleofilnosti glede na benzen in
zmanjšani bazičnosti v primerjavi s piridinom. Osnovni sistem tega tipa je pirol (pK aH = -3.8), ki
ima zaradi resonančne delokalizacije prostega elektronskega para tudi obratno smer dipolnega
momenta kot piridin.

Računalniška simulacija porazdelitve elektronske gostote v pirolu in piridinu
+0.05
+0.03
+0.01
-0.01
-0.03
-0.05
Simulacija kreirana z ArgusLab 4.0.1
www.arguslab.com (freeware)

pK a H vrednosti značilnih heterocikličnih sistemov:

Splošna reaktivnost obeh tipov sistemov je skladna z njihovimi elektronskimi lastnostmi. Tipične
reakcije sistemov s primanjkljajem elektronov so nukleofilne substitucije na obroču (analogija z S NAr
reakcijami elektronsko revnih aromatov) in reakcije z elektrofili na heteroatomu. Sistemi s prebitkom
elektronov pa lahko reagirajo z elektrofili na obroču (analogija z S EAr reakcijami elektronsko bogatih
aromatov) ali pa na heteroatomu:

Sinteza heterocikličnih spojin
Sinteza heterocikličnih sistemov temelji na reakciji ciklizacije ustreznih acikličnih gradnikov v
obročni sistem. Večina sintez heterocikličnih obročev je eno-, dvo- ali trokomponentnih, kjer
ustrezni heterocikel tvorimo bodisi z intramolekularno ciklizacijo acikličnega gradnika ali pa
z intermolekularno reakcijo dveh oz. treh gradnikov. Na primer, če predpostavimo, da več
kot trokomponentna sinteza ni več smiselna, imamo pri sintezi šestčlenskega heterocikla z
enim heteroatomom na voljo štiri kombinacije prekurzorjev,: 6+0, 5+1, 4+2, 3+3, 2+2+2,
3+2+1, 4+1+1 :

Reakcije, ki jih uporabljamo za tvorbo heterocikličnega sistema so identične oz. analogne
tistim v aciklični vrsti. Mehanistično gledano, poznamo naslednje splošne reakcijske principe
heterociklizacij:
a) Ciklosubstitucije potekajo predvsem na nasičenih sistemih, npr. po S N2 mehanizmu) in se
uporabljajo predvsem za sintezo nasičenih sistemov. Na primer:
a) Cikloadicije potekajo bodisi kot intramolekularne adicije (npr. elektrociklizacije) ali pa kot inter
molekularne (dvokomponentne) reakcije. Cikloadicije so zelo univerzalne, saj jih uporabljamo za
pripravo nasičenih, nenasičenih in aromatskih heterociklov. Na primer:
a) Ciklokondenzacije so dejansko cikloadicije s sledečo eliminacijo (npr. kondenzacije na karbonilni
skupini), ki jih uporabljamo za sintezo nasičenih, nenasičenih in aromatskih heterociklov. Na
primer:

Sinteza nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (ciklokondenzacije)

Sinteza nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (ciklokondenzacije)

Sinteza nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (ciklokondenzacije)

Sinteza nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (ciklokondenzacije)

Sinteza nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (1,3-dipolarne cikloadicije)

Primeri nekaterih pomembnih heterocikličnih spojin

Primeri nekaterih pomembnih heterocikličnih spojin

Heterocikli v bioloških sistemih: biosinteza citronske kisline iz Ac-SCoA in oksalocetne kisline.

Heterocikli v bioloških sistemih: S N2 substitucija, S-metiladenozin kot naravno metilirno sredstvo

Heterocikli v bioloških sistemih: biosinteza acetil koencima A (1. del)

Heterocikli v bioloških sistemih : biosinteza acetil koencima A (2. del)

Heterocikli v bioloških sistemih : transaminiranja s pomočjo piridoksala

Heterocikli v bioloških sistemih : transaminiranja s pomočjo piridoksala

Heterocikli v bioloških sistemih : dekarboksilacija amino kislin s pomočjo piridoksala

Heterocikli v bioloških sistemih : dekarboksilacija ali transaminiranje?
σ-vez, ki se cepi, je vzporedna s
p-orbitalami piridinskega
obroča!

Stereokemija transaminiranja (aspartat aminotransferaza)
Arg-256
Arg-292
Lys-258
Arg-386

Heterocikli v bioloških sistemih : pinakolne premestitve v biosintezi valina in izolevcina

Heterocikli v bioloških sistemih : NAD(P) + /NAD(P)H

Heterocikli v bioloških sistemih : NAD(P) + /NAD(P)H
Pretvorbe, ki jih katalizira NAD(P) + /NAD(P)H

Heterocikli v bioloških sistemih : redukcije a-keto kislin (oksidacije a-hidroksi kislin)
Heterocikli v bioloških sistemih : reduktivno aminiranje z NAD(P) + /NAD(P)H
L-Glutaminska kislina je ključna amino kislina v proizvodnji amino kislin, saj je edina, ki jo organizem
sintetizira iz amoniaka (in α-keto glutarne kisline). Vse ostale amino kisline se sintetizirajo s
transaminiranjem iz glutaminske kisline in piridoksala (glej transaminiranja in dekarboksilacijo!).

Heterocikli v bioloških sistemih : stereokemija redoks procesov z NAD(P) + /NAD(P)H

Heterocikli v bioloških sistemih : stereokemija redoks procesov z NAD(P) + /NAD(P)H

Heterocikli v bioloških sistemih : stereokemija redoks procesov z NAD(P) + /NAD(P)H

Heterocikli v bioloških sistemih : stereokemija redoks procesov z NAD(P) + /NAD(P)H

Heterocikli v bioloških sistemih : flavinski koencimi

Heterocikli v bioloških sistemih : redoks kemija flavinskih koencimov

Heterocikli v bioloških sistemih : vloga flavinov v tvorbi hidroperoksidnega aniona

Heterocikli v bioloških sistemih : vloga flavinov v metabolizmu aromatskih obročev

Heterocikli v bioloških sistemih : flavin-4a-hidroperoksidni ion kot nukleofilni oksidant

Heterocikli v bioloških sistemih : flavini v reakcijah dehidrogeniranja

Heterocikli v bioloških sistemih : Porfirinski in korinski koencimi

Heterocikli v bioloških sistemih : oksidacije s citokromom P450 (CYP)

Heterocikli v bioloških sistemih : hidroksiliranje s citokromom P450 (CYP)

Heterocikli v bioloških sistemih : epoksidacije s citokromom P450

Ogljikovi hidrati
Ogljikovi hidrati predstavljajo naslednjo pomembno skupino organskih spojin. Kot že ime pove, gre
za spojine, ki vsebujejo ogljik, vodik in kisik. Najbolj znan predstavnik ogljikovih hidratov je glukoza,
C 6H 12O 6, ki vsebuje, ogljik, vodik in kisik v razmerju 1:2:1. To razmerje elementov je značilno za
enostavne monosaharide, sicer pa ni nujno vedno tako. Poleg tega spojine iz skupine ogljikovih
hidratov lahko vsebujejo tudi druge elemente, npr. dušik, žveplo, halogene, fosfor, itd. Primer je
glukozamin (2-amino-2-deoksi glukoza), ki je monomerni gradnik hitina. Ogljikovi hidrati so bistven
sestavni del živih organizmov: so vir energije, ki je potrebna za normalno delovanje celic (npr.
glukoza), so material za gradnjo skeleta živih organizmov (npr. celuloza) , so surovina za biosintezo
drugih organskih spojin in, ne nazadnje, so bistven sestavni del DNA in s tem informacijskega
sistema živih organizmov. Ogljikove hidrate delimo na tri osnovne skupine:
a) Monosaharidi so osnovne (monomerne) strukturne enote
b) Oligosaharidi so sestavljeni iz manjšega števila monomernih enot
c) Polisaharidi pa so polimerne molekule, ki jih sestavlja veliko število monomernih enot
5.2.1. Struktura in lastnosti monosaharidov
Monosaharidi so polihidroksi aldehidi (aldoze) in polihidroksi ketoni (ketoze):

D- oz. L-konfiguracijo monosaharida določa orientacija hidroksi skupine na “najvišje oštevilčenem“
centru kiralnosti, oz. zadnjem centru kiralnosti, če se pomikamo od C=O skupine navzdol po
Fisherjevi projekciji monosaharida. V primeru D-aldoz in ketoz je torej dotična OH skupina
obrnjena v desno, pri L-monosaharidih pa v levo:

Splošna imena aldoz in ketoz so definirana s številom C-atomov: gliceraldehid (C 3), tetroze (C 4),
pentoze (C 5), heksoze (C 6), heptoze (C 7), itd. S kemijsko-biološkega stališča so najpomembnejše
pentoze in heksoze, sicer pa lahko vse aldoze in ketoze izpeljemo iz gliceraldehida z uvedbo
ustreznega števila CH 2OH enot. Izpeljava D-aldoz iz D-gliceraldehida:

Izpeljava D-ketoz iz 1,3-dihidroksiacetona:

Zaradi večjega števila funkcionalnih skupin in večjega števila centrov kiralnosti tako uporaba R in S
oznak za konfiguracijo kot tudi stroga uporaba nomenklature po IUPACu nista smiselni, zato še
vedno s pridom uporabljemo Fischerjevo D in L konvencijo, relativno konfiguracijo pa označimo s
predpono, ki je izpeljana iz ustreznega imena, npr. D-gluko-, D-ribo-, itd. Večina monosaharidov
previloma obstaja v termodinamsko stabilnejši ciklični polacetalni (polketalni) obliki. Petčlenske
sisteme imenujemo furanoze (po furanu), šestčlenske pa piranoze (po piranu):

Šestčlenski polacetali in polketali (piranoze) so termodinamsko stabilnejši od ustreznih petčlenskih
analogov (furanoze); glavni razlog za to pa je manjša napetost šestčlenskega obroča:

Pri ciklizaciji monosaharida v ciklični polacetal ali polketal nastane nov center kiralnosti. Zaradi
ravnotežja med odprto in ciklično obliko je seveda možen nastanek obeh diastereomerov
(epimerov) – torej je konfiguracija na tem C-atomu v principu variabilna. Ta C-atom oz. center
kiralnosti zato imenujemo anomerni C-atom oz. anomerni center, izomerizacijo na anomernem
centru pa imenujemo anomerizacija oz. mutarotacija. Označevanje anomerov je definirano takole:
- pri α-anomeru je anomerna OH skupina pod (za) ravnino obroča
- pri β-anomeru je anomerna OH skupina nad (pred) ravnino obroča
Mutarotacija D-glukoze poteče v vodni raztopini, katalizirajo jo kisline ali baze:

Anomerni efekt. Ugotovljeno je bilo, da so D-piranoze v raztopini zastopane kot zmes anomerov (z
večinskim β-anomerom, čeprav bi zaradi termodinamsko ugodnejše ekvatorialne pozicije OH skupine
pričakovali bistveno večji delež β-anomera. Na primer, razmerje pri D-glukopiranozi je 2:1 v prid βanomera,
medtem ko se pri derivatih D-glukopiranoze razmerje pogosto obrne v prid α-anomera:
Pojav imenujemo anomerni efekt, razlagamo pa ga z interakcijo med aksialnima(= antiperiplanarno
orientiranima) elektronskim parom obročnega kisika in protivezno σ* orbitalo anomerne C-O vezi.
Taka stabilizacija σ* orbitale ni možna pri β-anomeru, ker omenjene orbitale niso vzporedne:

“Through-bond” orbitalne interakcije v nasičenih heterociklih: anomerni efekt
Primerno orientiran prosti elektronski par se lahko “pomeša” med vezne in protivezne orbitale, ki
so si blizu po energiji in s tem vpliva na jakost teh vezi. Najbolj znana interakcija te vrste je
interakcija prostega elektronskega para z antiperiplanarno σ-vezjo na sosednjem atomu.
Elektronski par atoma X lahko interagira s σ-vezno in σ*-protivezno orbitalo C—Y vezi. Če pa je Y
elektronegativen atom, potem prevladuje interakcija s σ*- protivezno orbitalo C—Y vezi. Rezultat
je prenos elektronske gostote s prostega elektronskega para na σ*- protivezno orbitalo. S tem se
okrepi π-značaj C—X vezi, ki se ojača hkrati pa oslabi C—Y vez:

“Through-bond” orbitalne interakcije v nasičenih heterociklih: anomerni efekt
Interakcije takšne vrste so bile najprej opažene pri tetrahidropiranih (heterociklični skeleti
sladkorjev), kjer elektronegativni substituenti na položaju 2 praviloma raje zavzamejo aksialni
položaj, čeprav je ta sterično manj ugoden. Ta fenomen so poimenovali anomerni efekt zaradi
njegove povezave z ravnotežjem med anomernimi glikozidi, ki je odvisno od razlike med prostimi
energijami anomernih glikozidov. Ta znaša 10-13 kJ/mol za Cl in Br in 4-7 kJ/mol za OR. Delež
eksialnega konformera se zmanjšuje z naraščajočo s polarnostjo topila, saj so ekvatorialni anomeri
praviloma polarnejši. Tudi topila, ki tvorijo vodikove vezi praviloma stabilizirajo ekvatorialni anomer.

Pretvorbe monosaharidov
Oksidacija aldoz (aldehidov) do ustreznih karboksilnih kislin poteče z relativno blagimi oksidanti,
na primer s Cu 2+ (Fehlingov reagent ), Ag + (Tollensov reagent), ali Br 2. Nastale aldonske kisline
pogosto spontano ciklizirajo do ustreznih γ- in/ali δ-laktonov:

Pod enakimi pogoji se ketoze oksidirajo do 1,2-dikarbonilnih spojin:
Pod ostrejšimi pogoji, na primer s segrevanjem v razredčeni HNO 3 lahko aldoze oksidiramo do
terminalnih dikarboksilnih kislin (aldarnih kislin):

Na koncu velja omeniti še oksidativni razcep monosaharidov s perjodovo kislino (HIO 4), kjer
poteče cepitev C-C vezi prek tvorbe cikličnega intermediata:

Redukcija monosaharidov vodi do ustreznih alditolov:

Derivatizacijo monosaharidov lahko izvedemo bodisi na karbonilni skupini in/ali na hidroksi
skupinah. S fenilhidrazinom nastane fenilhidrazon, ki se s prebitkom fenilhidrazina pretvori v
ustrezni fenilosazon:
Esterifikacijo monosaharidov izvajamo s kislinskimi kloridi (ali anhidridi) v prisotnosti piridina:

Peracilirani (popolnoma acilirani) monosaharidi reagirajo s HBr v ocetni kislini, pri čemer nastanejo
ustrezni 1-bromo derivati (peracilirani glikozil bromidi). Reakcija poteče kot S N1 substitucija na
anomernem centru in je zelo stereoselektivna – nastanejo takorekoč izključno α-anomeri (brom je
vezan aksialno):

Monosaharide lahko tudi O-alkiliramo, npr. metiliramo z dimetil sulfatom v prisotnosti NaOH.
Metoksi skupina na anomernem centru je najbolj hidrolitsko labilna in jo lahko odstranimo pod
blagimi kislimi pogoji. Monoalkiliranje monosaharidov na anomerni OH skupini (O-glikozidacijo) pa
lahko enostavno izvedemo z alkoholi v prisotnosti katalitskih količin močne kisline.

Zadnja skupina pomembnih derivatov monosaharidov so ciklični acetali in ketali, ki so zelo
pomembni sintezni derivati, saj so obstojni v prisotnosti oksidantov, reducentov, nukleofilov in baz.
Zlahka pa razpadejo že pod kislo hidrolitskimi pogoji. Najpogosteje uporabljamo ketalizacijo z
acetonom in acetalizacijo z benzaldehidom, v obeh primerih tvorbo katalizirajo močne kisline.
Praviloma nastanejo petčlenski ketali in šestčlenski acetali, na nastanek izomernih produktov pa
vplivajo reakcijski pogoji.

Sinteza monosaharidov temelji na homologizaciji, t.j. Podaljševanju začetne verige za en C-atom. Gre
za ponavljajočo se sekvenco cianhidrinske reakcije, delne redukcije CN skupine do imina in hidrolize.
Reakcijska sekvenca vodi do dveh diastereomernih homologov, ki jih je potrebno ločiti:

Degradacija aldoz temelji na primarni oksidaciji terminalne aldehidne skupine z bromom do ustrezne
aldonske kisline. Enoelektronska oksidativna dekarboksilacija aldonske kisline z Fe 3+ v proisotnosti
H 2O 2 vodi do hidroksi substituiranega ogljikovega radikala, ki se nato oksidira do aldehida
(“skrajšane” aldoze). Postopek imenujemo Ruffova degradacija:
Ruffova degradacija sintezno ni pomembna predvsem zaradi nizkih izkoristkov. Njena uporabnost se
nahaja predvsem v strukturnih študijah oz. v kemijskih metodah za določanje relativne konfiguracije
monosaharidov.

Disaharidi in polisaharidi so spojine, kjer sta dve ali več monosaharidnih enot povezani preko
acetalne vezi.
Primer povezave dveh glukoznih enot:

Primer povezave dveh različnih monosaharidnih enot:

Primer polimerne povezave več glukoznih enot v celulozi:

Primer polimerne povezave več glukoznih enot v škrobu:

Mono in polisaharidi z dušikovim atomom v molekuli

Nukleinske kisline so polimerni nosilci dednega (genetskega) zapisa živih organizmov. Monomerne
enote so sestavljene iz sladkornega dela (riboza ali 2-deoksiriboza) in heterocikličnega dela
(heterociklična baza), med seboj pa so povezane s fosfatnimi enotami. Poenostavljena shema strukture
ribonukleinske kisline (RNA) in strukture enega pramena deoksiribonukleinske kisline (DNA) je naslednja:

Osnovni sestavni deli (gradniki) nukleinskih kislin so: D-riboza, 2-deoksi-D-riboza, fosforjeva(V) kislina
in heterociklične baze adenin (A), gvanin (G), citozin (C), timin (T) in uracil (U).

Heterociklična baza je vezana na mesto 1 v 2-deoksi-D-ribozi in sicer kot β-anomer. Nastali β-Nglikozidi
se imenujejo nukleozidi, v kolikor pa je primarna hidroksi skupina na mestu 5‘ fosforilirana, se
nastali fosforilirani derivati imenujejo nukleotidi:

Običajni 2‘-deoksiribonukleotidi in ribonukleotidi
Baza Ime Okrajšava
Citozin (C) 2‘-deoksicitidin-5‘-monofosfat dCMP
Citozin (C) citidin-5‘-monofosfat CMP
Adenin (A) 2‘-deoksiadenozin-5‘-monofosfat dAMP
Adenin (A) adenozin-5‘-monofosfat AMP
Gvanin (G) 2‘-deoksigvanozin-5‘-monofosfat dGMP
Gvanin (G) gvanozin-5‘-monofosfat GMP
Timin (T) 2‘-deoksitimidin-5‘-monofosfat dTMP
Uracil (U) uridin-5‘-monofosfat UMP

Sekundarno strukturo DNA sestavljata dva pramena (dve verigi), ki imata obliko dvojne vijačnice in
sta povezana med seboj z vodikovimi vezmi med komplementarnimi pari heterocikličnih baz
(nukleinskih baz):

Sekundarna struktura in dimenzije DNA: Vijačnica je desnosučna, korak zavoja znaša 3.4 nm (34 Å),
en zavoj vsebuje 10 nukleotidnih enot. Fosfatni deli ležijo na površini namišljenega valja (oddaljeni ca 1
nm od osi vijačnice), medtem ko so nukleozidne enote orientirane v notranjost valja tako, da ležijo
heterociklične baze v ravnini, ki je pravokotna na os vijačnice:

Sekundarna struktura DNA

Replikacija DNA

DNA je nosilec dednega (genetskega) zapisa živih organizmov. V bioloških procesih se te informacije
izražajo v sintezi encimov, ki so potrebni za normalno delovanje organizma. Prenašalec te informacije pa
je ribonukleinska kislina (RNA), ki v polinukleotidni verigi vsebuje ribozne namesto 2-deoksiriboznih
enot:

Zaporedje nukleotidov v DNA določa zaporedje amino kislin pri sintezi beljakovin. Prenos informacije z
DNA poteka tako, da najprej informacijska RNA (mRNA) „prepiše“ originalno informacijo (v smeri od 3‘
proti 5‘ vzdolž pramena DNA), pri čemer po uporabi po tri zaporedne nukleotidne enote (koda). Nastane
komplementarna sekvenca nukleotidov, ki je sestavljena iz kodonov (trinukleotidnih sekvenc). Nato
prenašalne RNA (tRNA) kodon za kodonom berejo informacijo mRNA in na podlagi teh informacij
ustrezne tRNA s komplementarnim antikodonom prinesejo „zahtevane“ aktivirane amino kisline v
ribosom za tvorbo peptidne vezi. Največji delež (ca. 80%) celotne celične RNA (mRNA ~ 5%, tRNA ~
15%) predstavlja ribosomska RNA (rRNA), ki je glavna komponenta ribosomov, kjer poteka sinteza
beljakovin. Pomembna je tudi biokatalitska aktivnost RNA. Gre za ribozime, t.j. molekule RNA, ki
podobno kot „klasični“ beljakovinski encimi katalizirajo kemijske pretvorbe.

Dejansko pa DNA sestavljata dva pramena (dve verigi), ki imata obliko dvojne vijačnice in
sta povezana med seboj z vodikovimi vezmi med komplementarnimi pari heterocikličnih
baz (nukleinskih baz):

Deoksiribonukleinska kislina (DNA) je polimerni nosilec dednega (genetskega) zapisa živih
organizmov. V bioloških procesih se te informacije izražajo v sintezi encimov, ki so potrebni
za normalno delovanje organizma. Prenašalec te informacije pa je ribonukleinska kislina
(RNA), ki v polinukleotidni verigi vsebuje ribozne namesto 2-deoksiriboznih enot:

Sinteza oligonukleotidov na polimernem nosilcu - priprava primerno zaščitenih komponent

Sinteza oligonukleotidov na polimernem nosilcu - priprava nukleozidov
Acetilne skupine odstranimo z amoniakom v vodi pri ~80 °C.
Na enak način pripravimo tudi 2-deoksinukleozide iz 2-deoksiriboze.

Sinteza oligonukleotidov na polimernem nosilcu - priprava nukleozidnih gradnikov

Sinteza oligonukleotidov na polimernem nosilcu

Amino kisline in peptidi
Amino kisline so bi- in polifunkcionalne organske spojine, ki vsebujejo vsaj aminsko in karboksi
skupino, poleg tega pa zvečine še en specifičen strukturni element. Pod pojmom amino kisline so
poznane predvsem α-amino kisline kot osnovni gradniki oligopeptidov in polipeptidov oz.
beljakovin; s strukturnega stališča so torej beljakovine biološki poliamidi, ki jih sestavlja 20 α-amino
kislin, za katere je v genetskem kodu informacija za njihovo biosintezo. Te α-amino kisline
imenujemo proteinogene amino kisline, skupna jim je L-konfiguracija oziroma S-konfiguracija na
centru kiralnosti. Poleg tega pa poznamo še celo vrsto naravnih in sinteznih α-, β-, γ-, δ-amino
kislin. V vrsti (več sto) naravnih neproteinogenih amino kislin, ki so jih izolirali predvsem iz rastlin
in mikroorganizmov, gre predvsem za sestavne dele peptidnih učinkovin, metabolite, ter
intermediate v biosintezi spojin. Med neproteinogenimi amino kislinami najdemo tudi številne Damino
kisline.

Večino proteinogenih amino kislin sintetizira organizem sam s transaminiranjem. Vseh potrebnih
amino kislin pa organizem ni spodsoben sam sintetizirati in jih mora zato dobiti s hrano. Amino
kisline, ki jih telo ne more sintetizirati, hkrati pa jih potrebuje za razvoj in delovanje imenujemo
esencialne amino kisline (valin, levcin, izolevcin, fenilalanin, treonin, metionin, lizin, triptofan).
Proteinogene amino kisline so prikazane na naslednji sliki:

Sinteza α-amino kislin
Poznamo več splošnih metod za sintezo α-amino kislin, ki jih lahko razdelimo v tri skupine:
- sinteze z uvedbo aminske skupine
- sinteze z uvedbo aminske skupine in stranske verige
- sinteze z uvedbo aminske in karboksi skupine
- sinteze z uvedbo stranske verige
Sinteze α-amino kislin z uvedbo aminske skupine delimo v dve skupini:
a) sinteze z nuklefilnim aminiranjem α-halo kislin in
b) Sinteze z reduktivnim aminiranjem α-keto kislin.
Sinteza z nukleofilnim aminirianjem v bistvu temelji na S N2 substituciji halogena α-halo kisline z
amoniakom. Vendar je ta direktni pristop v sintezni praksi uporaben le za pripravo enostavnih
amino kislin z manjšimi alifatskimi stranskimi verigami (glicin, alanin, itd.). Zato so bile razvite
različice te metode, kjer namesto amoniaka uporabimo njegov sintezni ekvivalent (azid, ftalimid), ki
ga kasneje v posebni stopnji pretvorimo v aminsko skupino. Pri azidih to storimo z redukcijo, na
primer s katalitskim hidrogeniranjem (najbolj elegantno). Poleg katalitskega hidrogeniranja je v
uporabi tudi redukcija azidov s trifenilfosfinom ali s H 2S. Pri Gabrielovi sintezi aminski dušikov atom
uvedemo s kalijevim ftalimidom, N-ftaloilno skupino pa na koncu odstranimo s hidrolizo.
Druga sintezna varianta z reduktivnim aminiranjem α-keto kislin je biomimetska, saj temelji na
enakem principu kot biosinteza α-amino kislin v bioloških sistemih. V sinezni praksi pretvorbe αketo
kislin izvedemo s katalitskim hidrogeniranjem v prisotnosti amonijevega acetata. Poleg
katalitskega hidrogeniranja uporabljamo tudi redukcijo s kompleksnimi hidridi, npr. z NaBH 3CN.

Sinteza α-amino kislin z uvedbo aminske skupine

Sinteza α-amino kislin z uvedbo aminske skupine in stranske verige izhaja iz diestra malonske kisline
(propandiojske kisline), ki ga najprej elektrofilno bromiramo na aktivni metilenski skupini. Sledi
uvedba aminske skupine s kalijevim ftalimidom, uvedba stranske verige z alkil halidom in na koncu še
hidroliza s spremljajočo dekarboksilacijo. Pri drugi sintezni varianti prav tako izhajamo iz diestra
malonske kisline, ki ga nitroziramo s HNO 2 do oksima. Sledi redukcija oksima do amina, N-aciliranje,
uvedba stranske verige z alkil halidom in na koncu še hidroliza s spremljajočo dekarboksilacijo.

Sinteza α-amino kislin z uvedbo aminske in karboksi skupine v bistvu temelji na cianhidrinski
reakciji. Izhaja iz aldehidov, ki jih z amonijevin cianidom pretvorimo v nitrile α-amino kislin, le-te pa
hidroliziramo do α-amino kislin. Ta postopek je zelo splošen in ga imenujemo Streckerjeva sinteza.
Zanimiva varianta Streckerjeve sinteze amino kislin je Buchererjeva sinteza hidantoinov. Gre za
trokomponentno reakcijo aldehida, amonijevega karbonata in kalijevega cianida v alkoholu pod
povišanim tlakom, ki vodi do imidazolidin-2,4-diona (hidantoina), tega pa nato hidroliziramo do
amino kisline.

Sinteza α-amino kislin z uvedbo stranske verige je v bistvu derivatizacija glicina na C α-atomu. Pri
Erlenmeyerjevi azlaktonski sintezi izhajamo iz glicina (ali iz N-acetiliranega glicina), ki ga z
acetanhidridom pretvorimo v 2-metil -5(4H)-oksazolon. Kondenzacija tega močno C-nukleofilnega
heterocikla z aldehidi ali ketoni (gre za Knoevenaglov tip reakcije) vodi do ustreznih azlaktonov, ki jih z
redukcijo C=C vezi in sledečo hidrolizo pretvorimo v α-amino kisline. Ta postopek je primeren zlasti za
sintezo aromatskih amino kislin (fenilalanin, tirozin, triptofan in analogi). Namesto s kondenzacijo, pa
lahko stransko verigo uvedemo tudi z nukleofilno substitucijo (npr. z alkil halidom)

Razvitih je bilo več različic azlaktonske sinteze, omeniti pa velja varioanti, kjer kot C-nukleofilna
heterocikla nastopata imidazolidin-2,4-dion (hidantoin) in piperazin-2,5-dioni (diketopiperazin). V
obeh primerih stransko verigo praviloma uvedemo s kondenzacijo z aldehidom ali ketonom, včasih
pa uporabimo tudi elektrofilno C-alkiliranje (npr. z alkil halidi):

Klasična sinteza peptidov: zaščitne skupine omogočajo selektivnost spajanja amino kislin

Klasična sinteza peptidov: zaščita aminske skupine (N-zaščitne skupine)

Klasična sinteza peptidov: zaščita karboksi skupine (C-zaščitne skupine)

Klasična sinteza peptidov: zaščita funkcionalnih skupin stranske verige

Klasična sinteza peptidov: aktivacijski reagenti za direktno spajanje zmesi amina in kisline

Klasična sinteza peptidov: aktivacijski reagenti za tvorbo aktiviranih derivatov in situ

Sinteza peptidov na polimernem nosilcu (SPS): priprava funkcionaliziranega polistirena

Sinteza peptidov na polimernem nosilcu (SPS): tipični funkcionalizirani polimeri

Sinteza peptidov na polimernem nosilcu (SPS): princip praktične izvedbe SPS

Sinteza peptidov na polimernem nosilcu (SPS): princip praktične izvedbe SPS
a,b) reakcijske posodice; c) polimerni nosilec; d) frita (steklen filter); e) iztok

Sinteza peptidov na polimernem nosilcu (SPS): Boc strategija

Sinteza peptidov na polimernem nosilcu (SPS): Fmoc strategija

Sinteza peptidov na polimernem nosilcu (SPS): prednosti in slabosti
Prednosti:
-izognemo se izolaciji/čiščenju (= izgubam) po vsaki stopnji
-sintetiziramo lahko oligopeptide, ki vsebujejo do 100 amino kislinskih enot
-omogoča avtomatizirano kombinatorno sintezo knjižnic različnih peptidov
Slabosti:
-težavna kontrola in spremljanje (monitoring) reakcij v posameznih stopnjah
-agregacija naraščajoče peptidne verige s polimernim nosilcem in/ali s sosednjimi
peptidnimi verigami na nosilcu (odprava te težave zahteva dodantno Nalkiliranje/dealkiliranje)
-stranska posledica uporabe velikega prebitka reagentov je slaba izkoriščenost (dragih)
reagentov, ki jih je potrebno regenerirati ali ustrezno uničiti
-pri spiranju nosilca dobimo velike volumne odpadnih topil, ki jih je treba bodisi
regenerirati ali pa ustrezno uničiti

Struktura peptidov in beljakovin
Strukturo peptidov delimo na več stopenj :
- primarna struktura opiše amino kislinsko sestavo in
zaporedje v peptidni verigi
- sekundarna struktura opiše konformacijske značilnosti
osnovne peptidne verige
- terciarna struktura opiše prostorsko razporeditev
stranskih verig peptidnega skeleta
- kvarterna struktura pa opiše intermolekularne
(supramolekularne) interakcije molekul peptida

Osnovni strukturni element peptida je amidna (peptidna) vez. Zaradi delnega prekrivanja πelektronov
C=O vezi s prostim elektronskim parom amidnega dušika, t.j. zaradi resonančne
delokalizacije elektronskega para dušika v amidni vezi ima C-N vez amida delni značaj dvojne vezi:
Posledica tega je, da vrtljivost okrog amidne C-N vezi ni prosta, in da atomi vezani na amidno C-N
vez ležijo v isti ravnini, konformacijsko gibljivost peptidov zato določajo le rotacije okrog C-C in
aminske C-N vezi. Osnovni peptidini skelet je planarne “cik-cak” oblike s stranskimi verigami , ki so
vezane izmenjaja v ene in druge strani:

Sekundarna struktura peptidov in proteinov je določena s konformacijo ogrodja. Strukture
proteinov so zelo kompleksne, vendar pa vsebujejo dva značilna strukturna elementa: a)
linearne vzporedne verige, β-ravnine, ki jih povezujejo t. i. β-zavoji in b) verige v obliki
vijačnice (podobno kot pri DNA). V obeh primerih sekundarno strukturo proteinov inducirajo
intramolekularne vodikove vezi. Pomemben strukturni element, ki povezuje posamezne dele
beljakovine so t.i. disulfidni mostički –S-S-, ki nastanejo z oksidativno povezavo SH skupin
dveh cisteinskih preostankov.
α-Vijačnica. Njen potek je določen v smeri od dušika proti ogljiku (N→C), in sicer tako, da se
začne z N-terminalom prve amino kisline in konča s C-terminalom zadnje. N-H prve amino
kisline (i) je z vodikovo vezjo povezan s C=O pete amino kisline (i+4) itd. V α-heliksu naredi
18 amino kislin 5 zavojev, kar znese 3.6 amino kisline na zavoj. Korak zavoja je 5.4 Å.

Sekundarna struktura peptidov in proteinov: α-vijačnica
i+3
i+4
i
i+2
i+1
5.4 Å

Desnosučna α-vijačnica

β-Zavoj in β-ravnine. T.i. β-ravnine nastanejo, ko se posamezni cik-cak prameni
osnovnega skeleta beljakovine povežejo preko N-H∙∙∙∙∙O=C vodikovih vezi. Povezava
posameznih pramenov je lahko paralelna ali anti-paralelna:
Paralelna
povezava
Anti-paralelna
povezava

Predele, kjer peptidna veriga obrne smer, imenujemo zavoje. Poznamo različne tipe zavojev,
ki so v osnovi definirani s številom aminokislin, ki so potrebne za vzpostavitev
intramolekularne N-H∙∙∙∙∙O=C vodikove vezi, ki stabilizirajo zavoj.
β-zavoj

Najpogostejši zavoj je β-zavoj, ki nastane s C=O∙∙∙∙∙H-N povezavo „prve“ (i) in „četrte“ amino
kisline (i+3). Centralni amino kislini (i+1 in i+2) sta praviloma prolin in glicin:

Sekundarna struktura peptidov in proteinov: β-zavoj in β-ravnine

RSCB Protein Databank (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do) je prostodostopna baza
(banka) podatkov o strukturi znanih proteinov. Primer je struktura kompleksa visoko
afinitetnega inhibitorja človeškega trombina z omenjenim encimom (PDB koda: 3UTU):
http://www.rcsb.org/pdb/explore/jmol.do?structureId=3UTU
inhibitor
α-vijačnica
β-ravnina
β-zavoj

Določanje amino kislinskega zaporedja v peptidih in beljakovinah: določitev N-terminalne amino
kisline z 2,4-dinitrofluorobenzenom (Sangerjev reagent):
- Karboksipeptidaze cepijo C-terminalne amino kisline iz peptidov na: določitev C-terminalne amino
kisline
- Cianogen bromid cepi peptid na C-terminalnem koncu metionina

Določanje amino kislinskega zaporedja v peptidih in beljakovinah: uporaba kimotripsina in tripsina
Določanje amino kislinskega zaporedja v peptidih in beljakovinah: Edmanova degradacija

Kombinatorna sinteza peptidov: primer molekulske različnosti (molecular diversity)
Primer molekulske različnosti hipotetičnega tetrapeptida A-B-C-D:
Iz 20 naravnih L-amino kislin lahko sintetiziramo 20 4 = 160.000 različnih tetrapeptidov!
Če dodamo še 19 D-amino kislin, dobimo skupaj 39 različnih amino kislin, iz katerih lahko potem
sintetiziramo 39 4 = 2.300.000 različnih tetrapeptidov!!
Če k temu dodamo še samo 20 nenaravnih amino kislin (njihovo absolutno število je sicer znatno
višje), dobimo skupaj 59 različnih amino kislin, iz katerih lahko potem sintetiziramo 59 4 =
12.000.000 različnih tetrapeptidov!!!
Kombinatorna kemija se ukvarja z razvojem metod visoke učinkovitosti za pripravo knjižnic
sorodnih spojin za različna testiranja (biološka aktivnost, kataliza, materiali, ipd.).
Za sintezo kombinatornih knjižnic peptidov se uporablja skoraj izključno sinteza na polimernem
(trdnem) nosilcu. Za sintezo knjižnic malih organskih molekul pa se uporabljata obe metodi, sinteza
na trdnem nosilcu in sinteza v raztopini.

Kombinatorna sinteza peptidov: razcepno-združevalna sinteza (split & combine synthesis)
Primer “split & combine” sinteze knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (1. del):

Kombinatorna sinteza peptidov: razcepno-združevalna sinteza (split & combine synthesis)
Primer “split & combine” sinteze knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (2. del):

Kombinatorna sinteza peptidov: dekonvolucija knjižnice (deconvolution of the library)
Primer dekonvolucije knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (1. del):

Kombinatorna sinteza peptidov: dekonvolucija knjižnice (deconvolution of the library)
Primer dekonvolucije knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (2. del):

Kombinatorna sinteza peptidov: dekonvolucija knjižnice (deconvolution of the library)
Primer dekonvolucije knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (3. del):

Kombinatorna razcepno-združevalna sinteza peptidov na polimernem nosilcu (SPS): prednosti in
slabosti
Prednosti:
-avtomatizirana kombinatorna sinteza velikih knjižnic različnih peptidov
Slabosti:
-dekonvolucija knjižnice je delovno intenziven in zamuden proces
-izmerjena aktivnost knjižnice je dejansko kombinacija aktivnosti posameznih spojin
-celokupna aktivnost knjižnice je odvisna od števila (in s tem koncentracije) aktivnih
spojin, kar lahko vodi do napačnih zaključkov: večje število srednje aktivnih spojin ene
knjižnice lahko “premaga “ majhno število visoko aktivnih spojin druge, celokupno manj
aktivne knjižnice
-aktivnost knjižnice je lahko posledica prisotnosti ene same visoko aktivne spojine, ki pa
je stranski produkt
Omenjene slabosti lahko rešimo s sistemom kodiranja vzorcev, ki pa je spet zamudno in v večini
primerov zahteva dodatno sofisticirano opremo za kodiranje.

Kombinatorna sinteza v raztopini
Čeprav je bil pojem kombinatorne sinteze še pred desetletjem takorekoč sinonim za sintezo na
trdnem nosilcu (SPS), se je zaradi objektivnih slabosti SPS metodologije (težaven monitoring reakcij,
neželene cepitve linkerjev in kontaminacija produktov) zlasti v sintezah nepeptidnih in
nenukleotidnih knjižnic malih organskih molekul uveljavila kombinatorna sinteza v raztopini. Glavni
problem raztopinske sinteze predstavlja učinkovita paralelna izolacija čistih spojin. Ta problem
rešimo na več načinov:
-filtracija produktov pride v poštev, kadar pri reakciji nastanejo netopni produkti, stranski produkti
pa ostanejo raztopljeni
-uparevanje reakcijskih zmesi izvajamo, kadar potekajo reakcije kvantitativno in so vsi stranski
produkti hlapnimi stranskimi produkti
-ekstrakcija na trdnem nosilcu (SPE – solid phase extraction) je metoda, kjer uporabimo t.i. lovilce
prebitnih reagentov, ki so vezani na polimerni nosilec (npr. s polimerno vezanim aminom, lahko
odstranimo prebitno acilirno ali alkilirno sredstvo). Uporabljamo za odstranjevanje nehlapnih
primesi, končna stopnja izolacije pa je uparevanje
-kratkopotna kromatografija (filtracija skozi nosilec) je sorodna SPE, le da bazira na nekovalentnih
interakcijah med nosilcem, topilom in spojinami v zmesi. Pravilom na ta način odstranimo močno
polarne nehlapne primesi s filtracijo skozi nosilec (npr. silikagel, fluorisil, aluminijev oksid). Na koncu
sledi uparevanje očiščenih reakcijskih zmesi.
-preparativna tekočinska kromatopgrafija visoke ločljivosti (prep-HPLC)

Polimerizacije (sintezni polimeri)
Glavna sestavina večina snovi, ki nas obdajajo, so polimerni materiali: koža, lasje, oblačila, papir,
škrob, beljakovine, les, plastične mase, itd. Polimerne molekule so torej večje molekule, ki jih tvori
več enakih ali različnih med seboj (kovalentno) povezanih manjših molekul (monomernih molekul.
Pojav dimerizacije in polimerizacije je precej običajen – marsikatere male molekule se med seboj
povezujejo v večje oligomerne enote. Primeri:

Strukturno gledano ločimo pri sinteznih polimerih med linearnimi polimeri in zamreženimi
polimeri. Linearni polimeri nastanejo pri linearnem povezovanju monomernih enot, medtem
ko so monomerne enote zamreženih polimerov povezane ne samo linearno temveč tudi
prečno:

Polimerizacije s substitucijo na karbonilni skupini
Pri sintezi poliamidov gre za polikondenzacijo med dikarboksilno kislino in diaminom (npr. sinteza
Naylona 6,6 iz diklorida heksandikarboksilne kisline in heksan 1,6-diamina:

Poseben primer je sinteza poliamidov iz difunkcionalne monomerne enote (laktama), ki vsebuje
tako karboksilni kot tudi aminski strukturni element. Primer je sinteza Nylona 6 iz kaprolaktama:

Na analogen način lahko sintetiziramo poliestre, če izvedemo polikondenzacijo med dikarboksilno
kislino in diolom (npr. sinteza poliestra iz tereftalne kisline in etilenglikola (etan-1,2-diola):

Polikarbonate pripravljamo s polikondenzacijo bisfenola s fosgenom (X = Cl) ali karbonatom (X = OR):

Polimerizacije s elektrofilno aromatsko substitucijo
Na ta način pripravljamo polimere, ki ki sodijo v skupino fenol-formaldehidnih polimerov (smol).
Glavni predstavnik te vrste polimerov je bakelit. Pri sintezi teh polimerov gre za kombinacijo
hidroksimetiliranja in alkiliranja fenolov:

Polimerizacije z alifatsko nukleofilno S N2 substitucijo
Polimerizacija na osnovi S N2 substitucije je metoda za pripravo polietrov (epoksidnih smol). Pri sintezi
teh polimerov gre torej za bazno katalizirano polimerizacijo epoksidov (oksiranov):
Analogna je metoda za pripravo polisililetrov (silikonskih polimerov). Pri tej sintezi gre za reakcijo
dimetilsilil diklorida s hidroksidnim ionom, nastali hidroksi intermediat reagira z novo molekulo
dimetilsilil diklorida, in tako naprej…..:

Polimerizacije z adicijo na izocianate
Ta metoda se uporablja predvem za sintezo poliuretanov:

Polimerizacije alkenov
Radikalska polimerizacija je univezalna reakcija, ki jo lahko uporabljamo za polimerizacijo vseh vrst
alkenov :

Anionska polimerizacija je primerna predvsem za polimerizacijo elektronsko revnih alkenov:
Kationska polimerizacija je primerna predvsem za polimerizacijo elektronsko bogatih alkenov, ki
lahko tvorijo stabiliziran karbokation:

Sinteza zamreženih polimerov

- UV/VIS (UV: 200-400 nm, VIS: 400-700 nm) vzbujanje elektronov iz osnovnega stanja S 0 oz. T 0 v
vzbujeno stanje S 0 * oz. T0 * oz. fotokemična aktivacija. Poznamo naslednje prehode:
- σ→σ* (alkani)
-n→σ* (alkoholi, amini, etri, halogenidi, itd.)
-π→π* (alkeni, alkini, C=O in C=N spojine, itd.)
-n→π* (C=O in C=N spojine, itd.).
Pri obsevanju vez ali elektronski par absorbira en kvant energije in preide v vzbujeno stanje. Pri
relaksaciji vzbujenih elektronov v osnovno stanje pa se absorbirana energija lahko sprosti v obliki
toplotne emisije ali vidne svetlobe (fluorescenca, fosforescenca).

Korelacija med strukturo in barvo spojin: Pri obsevanju z vidno ali ultravijolično svetlobo molekula
absorbira kvant energije, ki povzroči prehod elektronov in osnovnega v vzbujeno stanje (π→ π* in n
→ π*). Pri večini organskih spojin se tako prehodi zgodijo v ultravijoličnem delu spektra (200–400
nm) zato so te spojine brezbarvne. V kolikor pa se prehod zgodi v vidnem delu spektra (400–700 nm)
pa spojino zaznamo kot obarvano. Ne vidimo barve valovne dolžine svetlobe, ki jo je spojina
absorbirala temveč komplementarno barvo, t.j. valovno dolžino svetlobe, ki jo spojina odbije.
Korelacija med valovno dolžino absorbirane svetlobe, barvo svetlobe in komplementarno barvo
λ (nm) barva komplementarna barva
400–430 vijolična zelenorumena
430–480 modra rumena
480–490 zelenomodra oranžna
490–510 modrozelena rdeča
510–530 zelena škrlatnordeča
530–570 rumenozelena vijolična
570–580 rumena modra
580–600 oranžna zelenomodra
600-680 rdeča modrozelena
680–700 škrlatnordeča zelena

Glede na energijo, ki je potrebna za vzbujanje elektronov, so torej obarvane tiste spojine, ki imajo
obsežnejše π–elektronske sisteme. Tu gre predvsem za nenasičene spojine z več multiplimi C=C,
C=X in X=X vezmi oz. nosilci barve so kromoforne skupine:
Poleg tega na intenzivnost obarvanja vplivajo tudi t.i. avksokromne skupine kot modulatorji barve:

Vpliv večanja π–elektronskega sistema na barvo spojine in položaj absorpcijskega maksima :
λ max. (nm) spojina
220 Me–CH=CH–CHO
270 Me–CH=CH–CH=CH–CHO
312 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO
343 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO
370 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO
393 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO
415 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO

Antocianini Kinoni
Karotenoidi
Porfirini
Pterini

Fotokemično vzbujena inhibicija kimotripsina
IC 50 je količina (ponavadi koncentracija) inhibitorja pri kateri je dosežena 50% inhibicija
encima glede na maksimalno (100%) inhibicijo.
Kimotripsin je proteolitski encim, ki cepi peptide na karboksilnem koncu aromatskih amino
kislin (fenilalanin, tirozin, triptofan).
Referenca: Pearson, D.; Alexander, N.; Abell, A. D. “Improved photocontrol of a -chymotrypsin activity:
peptidomimetic trifluoromethylketone photoswitch enzyme inhibitors”. Chem.–Eur. J. 2008, 14, 7358-7365.