• Nie Znaleziono Wyników

Cząsteczki organiczne, które zmieniły historię…

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Cząsteczki organiczne, które zmieniły historię…"

Copied!
46
0
0

Pełen tekst

(1)

Cząsteczki organiczne, które zmieniły historię…

dr hab. Marcin Jasiński

… czyli pieprz, goździki & dopamina

(2)

chemia organiczna

synteza organiczna

• mechanizmy reakcji

aplikacje

chemia biologiczna

• bloki budulcowe

• związki naturalne

• mimetyki cukrowe

chemia materiałowa

• ciecze jonowe • ciekłe kryształy • inne o specjalnych właściwościach

• nowe procedury syntezy

• narzędzia

• optymalizacja badania właściwości

• aktywności biologicznej

• fizycznych

(3)

chemia organiczna

Taxus baccata Problem: 1200 kg kory cisu zachodniego 10g czystego związku

(sześć 100-letnich drzew na pacjenta)

Paklitaksel (Taxol)

Rozwiązanie: synteza totalna Holton (1994), z borneolu

Nicolaou (1995), synteza konwergentna

Danishefsky (1996), z ketonu Wielanda-Mieschera

(4)

chemia organiczna

vis vitalis !

(5)

chemia organiczna

‘De novo’ synteza mocznika (Wöhler, 1828)

O

Transformacje związków organicznych (Chevreul, 1816)

tłuszcz zwierzęcy

NaOH

H2O

glicerol + mydło

mydło

H3O

+

kwasy tłuszczowe

(6)

chemia organiczna jest chemią węgla

(i innych pierwiastków)

(7)

chemia organiczna jest chemią węgla

C C

C C

3D płaskie liniowe

substancje nieorganiczne > 100 tyś związków

substancje organiczne > 5 mln związków i stale rośnie !!

Alotropia – występowanie różnych pod względem

(8)

chemia organiczna jest chemią węgla

diament

grafit / grafen

lonsdaleit

meteoryt ‘Canyon Diablo’

(9)

chemia organiczna jest chemią węgla

Fulleren C60

muzeum ‘Biosfera’ w Montrealu proj. Richard Buckminster Fuller

(10)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

C9H8O4

COOH O

O CH3

H2O

H O H

C12H22O11

O O

OH HO

HO

HO O

HO

OH OH OH

(11)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

C

6

H

6

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób)

(12)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób)

COOH OH

COOH HO

Honeybee

worker bee queen

i biologiczne konsekwencje…

(13)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób)

eugenol (Cloves) isoeugenol (Nutmeg)

MeO

HO

MeO

HO

i biologiczne konsekwencje…

(14)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób) • geometryczna (E-/Z- dla alkenów, cis-/trans- dla związków cyklicznych)

C C C C

izomer Z

Alkeny Związki cykliczne

izomer E izomer trans-

izomer cis-

(15)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób) • geometryczna (E/Z dla alkenów, cis-/trans- dla związków cyklicznych)

HOOC

COOH H

H E-

H H

kwas fumarowy (naturalny)

i biologiczne konsekwencje…

(16)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób) • geometryczna (E/Z dla alkenów, cis-/trans- dla związków cyklicznych)

HOOC

COOH H

H E-

HOOC H

COOH H

Z-

kwas fumarowy (naturalny)

kwas maleinowy

(nie występuje w przyrodzie) - inhibitor enzymów degradujących aminokwasy

i biologiczne konsekwencje…

(17)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób) • geometryczna (E/Z dla alkenów, cis-/trans- dla związków cyklicznych)

O

foton wit. A

opsyna (białko) opsyna

„światło”

i biologiczne konsekwencje…

(18)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób) • geometryczna (E/Z dla alkenów, cis-/trans- dla związków cyklicznych)

• optyczna (związki chiralne)

(19)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób) • geometryczna (E/Z dla alkenów, cis-/trans- dla związków cyklicznych)

• optyczna (związki chiralne)

CH

3

HOOC

NH

2

H

CH

3

COOH H

2

N

* H *

(S)-alanina (R)-alanina

i biologiczne konsekwencje…

(20)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób) • geometryczna (E/Z dla alkenów, cis-/trans- dla związków cyklicznych)

• optyczna (związki chiralne)

*

O

* O

(R)-karwon (smak mięty)

(S)-karwon (smak kminku)

i biologiczne konsekwencje…

(21)

wzory strukturalne: czy to naprawdę konieczne ?

IZOMERIA

• konstytucyjna (taka sama liczba i rodzaj atomów połączonych w różny sposób) • geometryczna (E/Z dla alkenów, cis-/trans- dla związków cyklicznych)

• optyczna (związki chiralne)

*

NH O O

N O

O

* HN O

O N

O

O

i biologiczne konsekwencje…

(22)

aromatyczna chemia

ekstrakcja

fermentacja

(23)

aromatyczna chemia

„Christos Y espiciarias!”

(24)

aromatyczna chemia

pieprz czarny – z owoców niedojrzałych, suszonych i fermentowanych

pieprz biały – łagodniejszy, z wysuszonych dojrzałych owoców

pieprz zielony – niedojrzałe, zielone nasiona marynowane w kwasie octowym (lub mlekowym) albo konserwowane solanką

Piper nigrum

- kraj pochodzenia: Indie

(obecnie uprawiana: Indie, Malezja, Brazylia, Indonezja, Wietnam ok. 34%

światowego zapotrzebowania) - owocuje 40 lat

- jedna roślina dostarcza 10 kg przyprawy w sezonie Pieprz w Europie

Grecja, V w. p.n.e.: zastosowania medyczne (odtrutka)

Rzym, I w n.e. cała Europa, wieki średnie do dziś: konserwant, poprawa smaku

(25)

aromatyczna chemia

przyprawy „zaostrzające” smak oraz poprawiające „aromatyczność” potraw

O

O

safrol

CHO

HO H3CO

wanilina

HO H3CO

O

zingeron

O

O

N O

piperyna

O

(26)

aromatyczna chemia

przyprawy „zaostrzające” smak oraz poprawiające „aromatyczność” potraw

O

O

safrol

CHO

HO H3CO

wanilina

eugenol

HO H3CO HO

H3CO

O

zingeron

O

O

N O

piperyna

NH HO

H3CO

O

kapsaicyna

(27)

aromatyczna chemia

związki aromatyczne – benzen i strukturalnie pokrewne pochodne

CHO CH3

benzen (produkt suchej destylacji drewna)

toluen (balsam Tolu) benzaldehyd

(wiśnie, migdały) Woniawiec balsamowy

- lecznictwo (wł. antyseptyczne) - perfumeria (utrwalacz zapachu)

płaski, cykliczny, sprzężony, trwały

(28)

aromatyczna chemia

związki aromatyczne – reaktywność

KMnO4

H3O+

HCl

KMnO4

H3O+

HCl

COOH COOH

OH

Cl

reakcja nie zachodzi

Br2 Br

Br

Br2 Br

FeBr3

produkt addycji produkt podstawienia

(29)

aromatyczna chemia

przyprawy „zaostrzające” smak oraz poprawiające „aromatyczność” potraw pinen borneol

(30)

skąd ta przyjemność ?

dopamina (neurotransmiter)

HO

HO NH2

„dopaminergiczny układ nagrody” w sytuacji odbieranej jako lepsza niż oczekiwana daje sygnał, by rozpoznać przyczynę i warunki

aktywacja

zwiększone wydzielanie (1)

endogenne opioidy tzw. endorfiny (2) (3)

- wydajniejsze przetwarzanie informacji - uśmierzanie bólu

- usprawnienie przenoszenia treści zapisanych tymczasowo do pamięci długotrwałej

(31)

skąd ta przyjemność ?

„dopaminergiczny układ nagrody” w sytuacji odbieranej jako lepsza niż oczekiwana daje sygnał, by rozpoznać przyczynę i warunki

Sigma-Aldrich 1 mg 3.200 pln

(32)

skąd ta przyjemność ?

uczenie się odczuwanie przyjemności

dopamina

uczenie się odczuwanie przyjemności

jedzenie

środki

uzależniające (bezpośrednia aktywacja farmakologiczna)

dopamina

HO

HO NH2

MDMA (ecstasy)

HN O

O O

O safrol

0 200 400 600 800 1000

wydzielanie dopaminy (%)

(33)

błędne koło farmakologicznej aktywacji układu nagrody

skąd ta przyjemność i jakie jej skutki ?

bodziec

dopaminy odczuwanie

przyjemności

powoduje mniejsze (niż oczekiwane) wydzielanie przez to większą

ochotę na

(34)

skąd ta przyjemność i jakie jej skutki ?

Kurt Cobain Edgar Allen Poe Marcus Aurelius

Hector Berlioz

Benjamin Franklin

Jim Morrison

(35)

jak wykorzystać tę wiedzę ?

reguła morfinowa - skuteczne i bezpieczniejsze (!) leki przeciwbólowe

HO HO

O

NMe H

morfina

Morfeusz – w mit. greckiej bóg marzeń sennych opisany

m.in. w Metamorfozach

F. Sertürner, 1804

Mackay & Hodgin, 1955

(36)

jak wykorzystać tę wiedzę ?

reguła morfinowa - skuteczne i bezpieczniejsze (!) leki przeciwbólowe

HO HO

O

NMe H

*

morfina

Morfeusz – w mit. greckiej bóg marzeń sennych opisany

m.in. w Metamorfozach

Owidiusza (po prawej, fragment pomnika w Konstancy, Rumunia)

F. Sertürner, 1804

Mackay & Hodgin, 1955

1) trójwiązalny atom N 2) czwartorzędowy atom C

3) w/w połączone mostkiem etylenowym (-CH2-CH2-)

4) grupa arylowa przyłączona do C

N

O

(kilkukrotnie silniejszy od morfiny) metadon

(37)

mała cząsteczka o wielkiej roli

Ferdynand Magellan

1519-1522

(38)

mała cząsteczka o wielkiej roli

witamina C (kwas askorbinowy) vita + amina

a + scorbutus

1928 – identyfikacja

1933 – synteza i ustalenie struktury

- wytwarzanie i zachowywanie kolagenu (tkanka łączna) - ułatwia gojenie się ran

- hamuje tworzenie się sińców, powstawania krwotoków - podnosi odporność na zakażenia, uszkodzenia

- przeciwutleniacz stosowany w przemyśle spożywczym (E300-E304)

O O

HO

HO

OH HO

(39)

mała cząsteczka o wielkiej roli

syntetyczna czy naturalna ?

OH H

OH H

H HO

OH

CH2OH H

H O

OH H

OH H

H HO

OH

COOH H

H O

O O

OH HO

HO

O O HO HO

HO

OH HO

OH H

OH H

H HO

OH

CH2OH H

CH2OH

enzym 1

enzym 2 glukoza

kwas

glukuronowy

2 etapy

(zwierzęta)

(40)

mała cząsteczka o wielkiej roli

…naturalna witamina C, delikatnie wydestylowana z czystych pąków róży rzadkiego gatunku Rosa macrophylla porastającego

OH H

OH H

H HO

OH

CH2OH H

H O

OH H

OH H

H HO

OH

COOH H

H O

O O

OH HO

HO

O O HO HO

HO

OH HO

OH H

OH H

H HO

OH

CH2OH H

CH2OH

enzym 1

enzym 2 glukoza

kwas

glukuronowy

gulonolakton wit. C

2 etapy H2

4 etapy (Hofmann-LaRoche)

syntetyczna czy naturalna ?

Zawartość w 100 [g] [mg]

Dzika róża suszona 1700

Guava 230

Czarna porzeczka 183 Papryka czerwona 144 Brukselka 94 Papryka zielona 91

Szpinak 68

Poziomki 60

Kiwi 59

Cytryny 50

Pomarańcze 49

sorbitol

(41)

czego się nauczyliśmy ?

Wniosek 1: bogactwo połączeń organicznych jest pochodną unikalnych właściwości atomów węgla

Wniosek 2: subtelne zmiany w strukturze związku organicznego (izomeria) mogą mieć znaczące konsekwencje względem ich aktywności biologicznej

Wniosek 3: zrozumienie tych zależności (np. szlak dopaminergiczny) może przyczynić się do tworzenia nowych związków biologicznie aktywnych o pożądanych właściwościach (np. syntetyczne opioidy)

Wniosek 4: niektóre, kluczowe dla życia, związki bioaktywne wymagają stałego

uzupełniania (np. witamina C)

(42)

Exp. 1. Reakcja benzenu z formaldehydem

CH2O H2SO4

CH2O H2SO4

naftalen

roztwór zabarwia się na kolor czerwony benzen

roztwór zabarwia się na kolor ciemnoniebieski

H2SO4 O

H H +

CH2OH

H2SO4

H SO CH2O

(43)

Exp. 2. Reakcja Br

2

z cyloheksenem i toluenem

Br2 Br

Br

cykloheksen 1,2-dibromocykloheksan

roztwór odbarwia się natychmiast zachodzi reakcja addycji

Br2

CH3 CH3

Br AlCl3

toluen 4-bromotoluen

roztwór odbarwia się po dodaniu AlCl3 zachodzi reakcja podstawienia

(44)

Exp. 3. Izomeryzacja maleinianu do fumaranu

CO2Me H

MeO2C

H

H H

MeO2C

CO2Me hv (319 nm)

kat.

Br2 w CCl4

maleinian dimetylu (ciecz)

fumaran dimetylu (ciało stałe)

CO2Me H

MeO2C

H

H H

MeO2C

CO2Me Br2 hv

2 Br

Br

CO2Me MeO2C

H H Br

H MeO2C

CO2Me

HBr -Br

(45)

Exp. 4. Próba Trommera z waniliną

Cu(OH)2 CHO

HO H3CO

wanilina

powstaje ceglastoczerwony osad

Cu(OH)2 CHO

H3CO H3CO COOH

CuSO4 + 2 NaOH Cu(OH)2 + Na2SO4

granatowy

(46)

Exp. 5. Oznaczanie witaminy C

O O

HO

HO

OH HO

I2 fioletowy roztwór jodu odbarwia się do momentu całkowitego zużycia kwasu askorbinowego

O O

HO

HO

OH HO

I2 +

O O

HO

HO

O O

+ 2 I + 2 H_ +

fioletowy bezbarwny

witamina C

Cytaty

Powiązane dokumenty

(jakim człowiekiem się staje- cechy, również jako żona) - napisz podsumowanie tej charakterystyki- zwróć uwagę na to, jacy byli przed zbrodnią, jakie relacje ich łączyły i

Dla podanych a, b, c podać takie d, aby istniał czworokąt wy- pukły o bokach długości (z zachowaniem kolejności) a, b, c, d, w który można wpisać okrąg.. Dla podanych a, b,

Materiał edukacyjny wytworzony w ramach projektu „Scholaris – portal wiedzy dla nauczycieli”.. współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego

ii. Od czego zależy wybór sposobu prezentacji danych?.. Duvnjak E., Jurkiewicz E., Matematyka wokół nas, Zbiór zadań gimnazjum 1, WSiP, Warszawa 2002. Praca zbiorowa, Kraje i ludzie.

Atom tlenu do uzyskania trwałej konfiguracji atomowej – oktetu elektronowego – potrzebuje dwóch elektronów. W cząsteczce wody występują wiązania

weryfikacja wykazuje, że w znacznym stopniu poprawnie Potrafi formułować problem rozpoznania widm atomowych oraz wykorzystywać metodykę obliczeń stanów

W rokowaniach mogą uczestniczyć osoby fizyczne i prawne, które zapoznają się z pełną treścią ogłoszenia (zamieszczoną na tablicy ogłoszeń w budynku Urzędu Miasta Ruda

Cykl ten rozpoczęła książka Le Corbusiera W stronę architektury, następnie ukazał się wybór ar- tykułów Adolfa Loosa, potem zaś książka Jane Jacobs Śmierć i życie