Institutionen för medicinsk biokemi och biofysik Biomedicinprogrammet (kandidat) Allmän och organisk kemi Allmän och organisk kemi: Teorikursens innehåll HT 2010 Skrivning: Labteknik och labsäkerhet. Labförel: Intr.lab Förel: Labteknik och labsäkerhet. Labkompendiet: Säkerhetsföreskrifter, vanliga arbetsoperationer. Viktiga begrepp: Hela säkerhetsavsnittet. Reflux, torkmedel, rullindunstaren, fraktionerad destillation (med och utan vakuum), sublimation, omkristallisation, smältpunktsbestämning, exsickatorn, extraktion, separertratt. Förel: Hälsoriskbedömning, klassificering och märkning. Introduktion till hälsoriskbedömning. Faroidentifiering, farokarakterisering, exponeringsanalys, riskkarakterisering. Tillämpningar för olika typer av kemikalier. Klassificering och märkning av kemikalier. Kriterier för klassificering. Enskilda kemikalier och produkter. Hantering nationellt, inom EU och globalt. Dugga 1. Förel: Atomens uppbyggnad. Periodiska systemet. Oorganisk kemi. Förel: Kemisk bindning. Polaritet. F&F kap. 1 t o m 1.4, 1.6, 1.7.E, 2 t o m 2.6. Kompendium: "Kemisk bindning" (inga strykningar). Viktiga begrepp: Elektronskal och orbitaler, kvanttalen. Ädelgasstruktur. Aufbau-principen, Hunds regel, Pauliprincipen. Periodiska systemets uppbyggnad i stort. Elektronegativitet. Induktiv effekt. Bindande och antibindande molekylorbitaler. Delokalisering av π-elektroner. Diatomiska molekylers elektronstruktur. Hybridisering av C, O, N. Lewisformler. Oxidationstal. Jonbindning. Vätebindning, dipolbindning, van der Waals bindning. Polaritet. Funktionella grupper inom organisk kemi. Förel: Strukturisomeri. Nomenklatur. Alkaner. F&F kap. 1.5, 2.7-2.9, 3 tom 3.4. Kompendium: Isomeri, sid 2-5. Kompendium om nomenklatur. Viktiga begrepp: Kemiska formler. Mättade, omättade, raka, grenade, cykliska kolväten. Konstitutionsisomer. Kolväten i Tab. 3.1. IUPAC-nomenklatur. Grenade kedjor, namn. Nomenklatur för alkaner, alkener, alkyner, bensen, alkoholer, aldehyder, ketoner, karboxylsyror och samtliga dessa substituerade med halogener, nitrogrupper och fenylgrupper. Kolvätens egenskaper och användning i organisk kemi. Konjugerade dubbelbindningar, bensen, resonansstrukturer. Förel: Geometrisk isomeri. Konformationer. Cyklohexan. Optisk isomeri. F&F kap. 4 utom 4.9.D, 4.9.E. Kompendium: Isomeri, sid 6-19. Viktiga begrepp: E/Z, cis/trans (även cykliska). Ekvatoriell/axiell. Stol/båt-form. Newmanprojektioner. Staggered, eclipsed, anti, gauche. Polarimetern. Fischerprojektioner. +/-, d/l, D/L, R/S. Racemisk blandning, diastereomerer, enantiomerer. Erytro/treo/meso. Kiralitet och prokiralitet. 1
Förel: Termodynamik och kinetik Kompendium: Termodynamik och kinetik. Viktiga begrepp: Jämvikt. Gibbs fria energi, entropi, entalpi. Exo-/endoterm/spontan reaktion. Aktiverat komplex/transitition state, aktiveringsenergi. Hastighetskonstant, reaktionsordning. Katalys. Förel: Reaktivitet Förel: Alkylhalider, subst, elim. F&F kap. 5.3 5.9.D. Viktiga begrepp: Induktiva effekter, resonanseffekter, steriska effekter, exemplifierat med förklaring till syrastyrka. S N 1, S N 2, E1, E2: Definition, mekanism, energidiagram, hastighet, stereokemi, vad bestämmer (strukturer, koncentrationer, lösningsmedel, temperatur). Nukleofilicitet och basicitet. Omlagringar. Saytzeffs regel. Förel: Alkoholer, Grignardreaktioner. Förel: Etrar, epoxider, sulfider. F&F kap. 7 t o m 7.7, kap. 8 utom 8.5. Viktiga begrepp: Klassificering och syntes av alkoholer. Grignardreaktioner. Substitution, elimination, förestring av alkoholer. Etrar och epoxider: syntes och substitutionsrektioner. Tioler, sulfider, sulfoxider (kiralitet), sulfoner. Förel: Kromatografi och destillation. Kompendium: Kromatografi och destillation. Labkompendiet: Analysmetodik: GC (bara teori), TLC. Metodik: Destillation, vattenångdestillation, sublimation. Viktiga begrepp: Fördelning, fördelningskoefficient. Stationär och mobil fas. Teoretiska bottnar. Kromatografi baserad på adsorption, fördelning, jonbyte, gelfiltrering, affinitet. Kolonnkromatografi, TLC. Fasdiagram, allmänna gaslagen. Smältpunkt, kokpunkt. Kokpunktsdiagram, azeotroper. Kolligativa egenskaper. Dugga 2. Förel: Alkener, alkyner, addition. F&F kap. 10.1, 10.5, 10.6, 10.7, 10.9.A, 10.9.C, 10.10, 10.12 före A, 10.12.B. Viktiga begrepp: Acetylidjon, elektrofil additionsreaktion, Markovnikovs regel. Anti- Markovnikov-addition. Addition av H 2 O, H 2 SO 4, boran, halogener. Halohydriner. Hydrogenering, stereokemi. Förel: Aldehyder, ketoner. F&F kap. 13.1-13.2, 13.4-13.5.C, 13.8, 13.9. Kompendium: "Karbonylföreningar I" (inga strykningar). Viktiga begrepp: Karbonylgruppen. Aldehyder och ketoner: nomenklatur, framställning och reaktioner. Derivat: acetaler, cyanohydriner, iminer, aldol-produkter. Begreppet skyddande grupp. Förel: Kolhydrater. F&F kap. 23 (utom 23.6.D, 23.10.). Viktiga begrepp: Kolhydraterna i Fig. 23.1, formelmässigt. Konfigurationerna, cyklisering (inkl. mekanism), furanos och pyranos, Fischer- och Haworthprojektioner, anomerer, mutarotation. Glykosider: princip och mekanism. Ketos-aldos omvandling; principiell uppbyggnad av aldonsyror, aldarsyror, uronsyror, alditoler, ej mekanism. Disackarider: principiell uppbyggnad (bindningar mellan monosackarider), ej exemplen. 2
Förel: Karboxylsyror, karboxylsyraderivat. Förel: Kondensation. F&F kap. 14.1, 14.3-14.7, 15.1, 15.3.B, 15.3.C t o m Reaction with organometallic compounds (sid 644-645).15.4.B, 15.4.C. 15.5.B, 15.5.C, 15.6, 15.8.B, 15.8.C (ej NMR), 15.11.D, 17.1-17.4, 17.6, 17.7.B, 17.8., 24.1-24.3. Kompendium: "Karbonylföreningar I och II" (inga strykningar). Viktiga begrepp: Karboxylgruppen. Karboxylsyror: nomenklatur, svenska och engelska trivialnamn, framställning, oxidation och reduktion. Faktorer som påverkar pk a. Karboxylsyrederivat och deras framställning och reaktioner. Karbonylföreningarnas fyra typreaktioner: 1) Nukleofil addition: mekanismer för hydratisering, bildning av cyanohydriner, iminer, acetaler. 2) Nukleofil acylsubstitution: mekanismer för bildning av syrahalogenid, esterbildning, esterhydrolys, transalkylering. 3) α-substitution: bildning av enolat. α-halogenering. α-alkylering med dietylmalonat eller etylacetoacetat. Dekarboxylering. α-alkylering av ketoner. 4) Kondensationsreaktioner: Aldolkondensation, intramolekylär aldolkondensation. Claisenkondensation, intramolekylär Claisenkondensation. Kursivt: Cannizzaro s reaktion. Förel: IR, UV. F&F kap. 9.1-9.5, 10.3.A, 22.1-22.3. Labkompendiet: Analysmetodik: IR-spektroskopi; IR-tolkning. Labkompendium: IR och UV spektroskopi. Viktiga begrepp: Våglängd, frekvens, vågtal. IR: IR-spektrats uppkomst, sträckning & böjning. Fingerprintregionen. Karakteristika för alkoholer, aminer, karbonylföreningar. UV: Elektronövergångar. Absorbans. Elektronövergångar i konjugerade system vid UV-absorption. Förel: Kromatografi och elektrofores. Berg sid 68-75. Kompendium: Kromatografi och elektrofores. Viktiga begrepp: HPLC:s uppbyggnad och verkningssätt, kolonner, detektorer. Isokratisk och gradient-eluering vid HPLC. Derivatiseringar. Kolonnkromatografi av makromolekyler: exklusion, jonbyte, adsorption och affinitet. Gelelektrofores av proteiner: SDS-PAGE och 2D- PAGE. Kapillärelektrofores. Dugga 3. Förel: Aromatiska föreningar, bensen. Elektrofil substitution. F&F kap. 11.3-11.8.A, 11.8.C-11.9. Viktiga begrepp: Bensens elektronstruktur. Aromaticitet, Hückels regel, cyklopentadienjoner. Elektrofil aromatisk substitution, mekanism, halogenering, nitrering, alkylering, Friedel-Crafts alkylering och acylering, sulfonering. Andra substitutionen: Aktiverande, deaktiverande, dirigerande grupper. Mekanism. Förel: Pericykliska reaktioner. F&F kap. 16.3 och 21 t o m 21.3.C, 22.3. Kompendium: "Pericykliska reaktioner" (strykning: Sigmatropa omlagringar sid. 11-14). Viktiga begrepp: Begreppet pericyklisk reaktion. Bindande och antibindande orbitaler. Orbitalers två faser. Eten, 1,3-butadien och 1,3,5-hexatrien i grundtillstånd och exciterat tillstånd. HOMO och LUMO. Symmetritillåtna resp. -förbjudna reaktioner. [2+2]- och [4+2]-cykloadditioner. Elektrocykliska reaktioner, con- resp. disrotatoriska rörelser, stereokemiska konsekvenser. 3
Förel: NMR. F&F kap. 9.6-9.11, 9.12 före 9.12.A, 10.3.B, 13.3.B, 14.2.B. Labkompendiet: NMR-tolkning. Föreläsningskompendium: NMR. Viktiga begrepp: NMR-spektrats uppkomst, resonans. Downfield/upfield, shielded/deshielded. Kemiskt shift. Induktiva och anisotropiska effekter. Magnetiskt ekvivalenta och ickeekvivalenta protoner, hur man räknar protoner. Spin-spin-koppling, splittring, kemiskt utbyte. Praktisk tolkning av enkla 1 H-NMR-spektra. 13 C-NMR. Förel: Oxidation, reduktion. F&F kap. 7.8.A, 7.8.C, 10.13, 13.6.B, 13.6.D, 13.7, 18.4.B, 23.6, 23.7. Kompendium: "Översikt över metoder och reagens för oxidation/reduktion" (strykningar: diimidreduktion sid. 4, osmiumtetroxidoxidation sid. 6, oxidation av ketoner och aminer med peroxysyror sid. 7-8). Viktiga begrepp: Begreppen oxidation och reduktion. Oxidationstal. 3 metoder inkl. mekanismer för reduktion: 1) hydrogenering, 2) metallhydridreagens, 3) metaller i etanol eller flytande ammoniak. 4 metoder inkl. mekanismer för oxidation: 1) KMnO 4, 2) CrO 3, 3) peroxysyror, 4) ozon inkl. 3 metoder för behandling av ozonoiden. Förel: Aminer och aminosyror. F&F kap. 18: 18.1.-18.4.A bara Reaction of amines and alkyl halides, 18.4.B., 18.5, 18.6, 18.8. Kap. 25: 25.1., 25.2. (utan Gabriel phtalimide synthesis ), 25.3.B, 25.3.C, 25.5., 25.7. före A. Kompendium: "Aminer" (strykningar: alla formler på sid. 7 utom de som är markerade med pil. V.g. korrigera purin-strukturen). Viktiga begrepp aminer: Nomenklatur. Hybridisering. Framställning 1) från halogenider, 2) genom reduktion av a) nitro-föreningar, b) nitriler, c) azider, d) iminer (reduktiv aminering). Reaktioner: 1) syra-basförhållanden, faktorer som påverkar basstyrka, 2) alkylering med RX, 3) acylering med syraklorid, 4) reaktion med aldehyder eller ketoner, 5) diazotering med nitrit + stark syra; mekanismer. Användning i phase-transfer reactions. Viktiga begrepp aminosyror: Allmän uppbyggnad av naturliga aminosyror. Strukturer för glycin, alanin, histidin, tryptofan. Zwitterjoner. Sidokedjors syra-basegenskaper. Framställning: 1) aldehyd + ammoniak + cyanid (Strecker-syntes), 2) substitution av 2-halogeno-karboxylsyror, 3) reduktiv aminering av 2-keto-karboxylsyror. Reaktioner: 1) bildning av peptidbindning och skyddsgrupper i princip - exempel med tboc som skyddsgrupp. Peptidbindningens egenskaper. 2) Reaktion med ninhydrin. Förel: Gaskromatografi, masspektrometri. F&F kap. 22.6-22.9. (Berg sid 93-95) Labkompendiet: Analysmetodik: Gaskromatografi; MS-tolkning. Viktiga begrepp: Gaskromatografens uppbyggnad och verkningssätt, kolonner, detektorer. Isotermisk och temperaturprogrammerad analys. Derivatiseringar. Masspektrometrars uppbyggnad och verkningssätt: jonisering (EI, CI, MALDI, ESI), analysatorer, detektorer. Masspektras utseende (EI). Tolkning av EI-MS spektra. MS av makromolekyler. Förel: Radioaktivitet, stabila isotoper, inmärkning. Kompendium: Radioaktivitet, stabila isotoper, inmärkning. Viktiga begrepp: Kol- och väteisotoper. Sönderfall genom α, β -, β +, elektroninfångning. Strålning, α, β, γ, Röntgen. Sönderfallslagen, enheter för radioaktivitet. Syntesvägar för inkorporering av H- och C-isotoper. Mätmetoder: GM-rör, vätskescintillationsräknare. Efficiency, quenching, mätning av olika isotoper samtidigt. 4
Förel: Radikalreaktioner. Reaktiva syrespecies. F&F kap. 6 t o m 6.4.B, 6.5, 6.6.B, 6.7, 6.8 fram till 6.8.A. Kompendium: "Radikalreaktioner" (strykningar - obs! förutsätter närvaro vid den aktuella föreläsningen: Detektion av fria radikaler sid. 4-5. jämförelse mellan olika halogener sid. 9-10, olika reaktiva syrespecies sid. 14-slut). Viktiga begrepp: Homolytisk och heterolytisk klyvning. Begreppet bindnings-dissociationsenergi (BDE). Kolcentrerade radikalers hybridisering och stabilisering. Mekanismen för fri radikalklorering inkl. energiförhållanden och energidiagram. Reaktivitet hos de andra halogenerna. Fenomenet med selektivitet och hur Hammond s postulat förklarar selektiviteten vid brominering. Användning av NBS för brominering; mekanismen. Syrgasens uppbyggnad i grundtillstånd. Autooxidation av olika föreningar. Antioxidanter. De 4 olika "reaktiva syrespecies" - hur ser de ut och hur/var de bildas. Oxidation av biomolekyler pga reaktiva syrespecies; begreppet oxidativ stress. Förel: Polycykliska och heterocykliska föreningar, cykliska lipider. F&F kap. 19.1, 19.2, 19.6 inkl Tabell 19.1, 19.7 till mitten av sid 805, 19.9 t o m strukturerna överst på sid 811. Kap. 24.4, 24.5 t o m 24.5.A. Viktiga begrepp: Exempel på vanliga poly- och heterocykliska föreningar. Heterocykliska föreningar: strukturer för pyridin, imidazol, pyrimidin, purin, pyrrol, indol, furan och pyran. Pyrrolets och pyridinets uppbyggnad; konsekvenser för basstyrka och reaktivitet. Formel (inkl. kolatomernas numrering) och 4 funktioner för cholesterol. α, β-substituenter och axiella/ekvatoriella substituenter. Principstruktur för prostaglandiner. Förel: Enzymmekanismer. Berg 8.1-8.4, 9. Enzym som katalysatorer, termodynamisk förklaring. Active site, transition state. Lock-and-key, induced fit. Generella katalysmekanismer. Principer för enzymmekanismer hos serinproteaser, karbanhydras och kinaser. Utanför duggorna. Förel: Läkemedelskemi, introd. Samband mellan struktur och farmakologisk effekt för de viktigaste läkemedelsgrupperna, dessas kemiska egenskaper. Fysikaliskt-kemiska egenskapers inflytande på biotillgängligheten. Förel: Principer för modern läkemedelsdesign. Principer för läkemedelsdesign, den svenska läkemedelsindustrins situation. Förel: Läkemedelsutveckling 1 och 2. Kombinatorisk kemi, High-Throughput Chemistry, Computational Chemistry, fastfas-syntes. Förel: Kemisk carcinogenes och PAH. Mekanismer och testmetoder för genotoxicitet och kemisk carcinogenicitet. Polycykliska aromatiska kolväten (PAH). Betydelse av molekylstruktur och kemiska egenskaper för exponering och toxicitet. Exponering för PAH. Hälsorisker med PAH. Förel: Synteser med kortlivade isotoper, PET. Syntesvägar för inkorporering av H- och C-isotoper, syntes med kort- och långlivade isotoper. PET-kamerans princip. F&F Appendix: Nomenclature of organic compounds. 5
Observera att ytterligare kompendier kan komma att delas ut, speciellt i samband med föreläsningar! Skapat den 2010-07-27 10:08, DoD 6