Biyomoleküllerin İçerdiği Fonksiyonel Gruplar

Organik bir bileşiğin kendisine özgü kimyasal özelliklerini belirleyen atom veya atom grupları fonksiyonel gruplardır. Molekül üzerindeki fonksiyonel gruplar, bileşiğin kimyasal tepkimelerde aktif olduğu kısımları oluşturur. Biyomoleküllere de karakteristik kimyasal yapı ve reaktivite kazandıran temel etken sahip oldukları fonksiyonel gruplardır. Biyomoleküllerin
çoğu birden fazla türde fonksiyonel grup içerirler.

Hidrokarbon bileşikleri alifatik hidrokarbonlar (alkan, alken ve alkinler) ve aromatik hidrokarbonlar olarak iki grupta sınıflandırılabilir. Alifatik hidrokarbonlarda karbon-karbon tekli bağları içerenler alkanlar, karbon-karbon ikili
bağları içerenler alkenler ve karbon-karbon üçlü bağları içerenler ise alkinler olarak isimlendirilir.

Alkanlar karbon-karbon ve karbon-hidrojen sigma (σ) bağları içeren ve C_nH_2n+2 genel formülü ile ifade edilen doymuş hidrokarbonlardır. Alkanlardaki karbon atomları sp³ hibritleşmesi gösterir ve düzgün dört yüzlü (tetrahedral) geometri sergilerler.

Organik moleküllerin isimlendirilmesi IUPAC isimlendirme kuralları kullanılarak yapılmaktadır. Bir organik molekül birden fazla fonksiyonel grup içeriyorsa, bu fonksiyonel gruplar arasında öncelikli olan grup molekülün ismini belirler. Molekülde en uzun karbon zinciri ana kök ismini belirlerken ana zincir üzerindeki diğer gruplar sübstitüent olarak adlandırılırlar. Ana zincir üzerindeki numaralandırma, sübstitüentlerin öncelik sıralamalarına göre en küçük numarayı alacakları şekilde yapılır. Ana zincir, karbon sayısına uygun alkan bileşiğinden türetilir. Alkanların isimleri –an son eki ile tamamlanır. Karbon sayılarını belirten bir, iki, üç,
dört, beş vb. sayıları için Latince met-, et-, prop-, büt-, pent- kökleri kullanılır.

Alkanları R-H genel formülü ile gösterebiliriz. Burada R- grubu, bir alkandan bir hidrojen atomu uzaklaştırıldığında meydana gelen alkil grubunu temsil etmektedir.

Alkanların halojenlerle radikalik yer değiştirme tepkimeleri halojenlenme olarak bilinir. Bu tepkimeler ısı veya ışık (UV) enerjisi kullanılarak gerçekleştirilir. Halojenlerin, alkanların halojenlenme tepkimelerindeki etkinlik sırası F₂>>Cl₂>Br₂>>I₂ şeklindedir.

Alkenler yapılarındaki ikili bağdan dolayı, alkanlardaki gibi serbest dönme gerçekleştiremezler fakat geometrik izomerizm gösterirler. Molekül formülü aynı, yapı formülleri farklı olan bileşiklere izomer bileşikler, bu olguya ise izomerizm adı verilir.

Alkenlere hidrojen halojenürlerin (HX) katılması sonucu alkil halojenürler (haloalkanlar) elde edilir. Alkenin π elektronları, hidrojen halojenürden bir hidrojen kopartarak karbokatyon ara ürünü ve halojenür iyonu oluşturur. Halojenür iyonu, elektrofilin konumuna göre zıt yönden karbokatyona bağlanarak bir alkil halojenür meydana gelir.

Alkenlere hidrojen halojenürlerin katılmasında hidrojen halojenürlerin etkinlik sıralaması HI> HBr> HCl> HF şeklindedir ve bu
tepkimelerde yaygın olarak HBr kullanılır.

Alkinler, karbon atomlarının sp hibritleşmesinden dolayı, aynı sayıda karbon içeren alken ve alkan analoglarına göre daha asidiktirler. Alkinlerde, sp hibritleşmiş karbon atomu C-H bağının polarize olmasına neden olur ve hidrojenleri daha pozitif kılar.

Uç alkinlerde zayıf asidik karakterdeki hidrojen kuvvetli bir baz olan sodamit (NaNH₂) varlığında kopartılabilir. Meydana gelen sodyum asetilenür iyonunun alkil halojenürlerle nükleofilik yer değiştirme tepkimesiyle sübstitüe alkinler sentezlenir.

Aromatik hidrokarbonlara en temel örnek benzen molekülüdür. Benzen halkasında karbonlar sp² hibritleşmesi gösterir. Bütün karbon karbon bağları aynı uzunluktadır ve halka içindeki elektronlar delokalizedir, yani bütün karbon atomlarına aittir. Benzen apolar olduğundan su gibi polar çözücülerde çözünmezken, düşük polariteli veya apolar organik çözücülerde çözünebilir. Benzen ve türevleri ile diğer aromatik bileşikler pek çok organik ve biyomolekülün yapısında bulunmaktadır. Fenilalenin, tirozin, triptofan gibi aminoasitler, K, B2 ve B9 gibi vitaminler benzen halkası içeren moleküllere örnek verilebilir.

Aromatik bileşikler π-elektronları nedeniyle alkenlerde olduğu gibi nükleofilik özellik taşırlar. Ancak benzen ve diğer aromatik bileşikler alkenlerin verdiği elektrofilik katılma ve yükseltgenme tepkimelerine karşı duyarsızdır. Aromatiklik özel bir kararlılık olduğu için bu tür tepkimeler ile aromatik yapının bozunması tercih edilecek bir durum değildir.

Polar karbon-halojen (C-X) bağına sahip halojenli bileşiklerin düşük karbon sayıda olanlarının molekülleri arasında kuvvetli dipol-dipol etkileşimleri vardır. Bu nedenle kaynama noktası ve erime noktası gibi fiziksel özelliklerinin, yakın molekül kütleli alkanlarla
kıyaslandıklarında, daha yüksek olduğu gözlenir. Ancak moleküldeki alkil grubunun büyümesi dipol-dipol etkileşimlerini zayıflatırken, Van der Waals etkileşimleri daha etkin olur ve fiziksel sabitler küçülür. Halojenli bileşikler belli bir polariteye sahip olmalarına rağmen alkil gruplarının etkisiyle suda çözünmezler.

Halojenli organik bileşiklerin elde edilişlerine yönelik pek çok kimyasal yöntem bulunmaktadır. Ancak temel olarak, alkanların radikalik halojenasyonları, alkenlerin ve alkinlerin katılma tepkimeleri, alkollerin tiyonil klorür, PCl₅ gibi reaktiflerle tepkimeleri ve aromatik bileşiklerin halojenlendirilmesi yoluyla sentezlenebilirler. 

Yapılarındaki –OH grubundan dolayı alkol molekülleri arasında su moleküllerinde olduğu gibi kuvvetli hidrojen bağlanması etkileşimi gözlenir. Bu nedenle alkollerin kaynama noktaları, izomerleri olan eterlerden ve aynı karbon sayılı alkan ve alkil halojenürlerden daha yüksektir. Alkol moleküllerinin sudaki çözünürlüğü karbon sayısı arttıkça (alkil grubu büyüdükçe) azalır.
Fazla sayıda hidroksil grubu içeren düz zincirli veya halkalı polialkollerin su molekülü ile hidrojen bağlanması yapma kapasitelerinin yüksek olması nedeniyle sudaki çözünürlükleri oldukça iyidir.

Tiyollerin biyolojik olarak önem teşkil eden tepkimeleri yükseltgenme-indirgenme tepkimeleridir. Tiyollerin yükseltgenmeleri ile alkollerdekine benzer şekilde C=S bağı oluşmaz, yani karbon yükseltgenmezken kükürdün yükseltgenme basamaklarında değişim meydana gelir.

Halkalı eterlerin en küçük üyesi üç üyeli halkalı eterler olan epoksitler (oksiranlar)’dir. Epoksitlerde, bağlar arasındaki açının yaklaşık 60° olması halka gerginliğinin artmasına neden olur. Halka gerginliği nedeniyle epoksitler, diğer halkalı eterlere göre daha yüksek reaktiviteye sahiplerdir.

Aminler doğada ve biyolojik sistemlerde sık karşılaşılan önemli fonksiyonel gruplardandır. Proteinlerin yapı taşları olan amino asitler biyolojik olarak en önemli aminler arasındadır. Sinir sisteminde iletimi sağlayan serotonin, histamin, epineprin ve sinirsel hastalıkların tedavisinde kullanılan klorfeniramin, efedrin, amfetamin molekülleri amin bileşikleridir.

Karbonil bileşiklerinde karbonil karbonu sp² hibritleşmesi gösterir. Karbonil grubu ve karbona bağlı diğer iki grup aynı düzlemde bulunurlar ve aralarındaki açı yaklaşık 120° dir. Karbonil karbonuna bağlı elektronegatif oksijen atomu nedeniyle –C=O bağı polar karakterdedir ve karbonil karbonu elektropozitiftir. Karbonil bileşiklerinin molekülleri arasında bu polariteden dolayı dipol-dipol etkileşimleri görülür. Dolayısıyla molekülleri arasında hidrojen bağlanması görülen yakın molekül kütleli alkollere göre kaynama noktaları daha düşüktür.

α-C üzerinde bulunan hidrojenler, karbonil grubunun elektron çekici etkisi nedeniyle zayıf asidik özellik gösterirler. α-C’ nunda
asidik hidrojen bulunan bir karbonil bileşiği (keto) hızlı bir denge ile tautomeri olan enol formuna dönüşür. Bu hızlı dönüşüm bir izomerizm türü olan tautomerizm olarak adlandırılır. Karbonil bileşikleri için dengede çoğunlukla keto formları daha kararlıdır.