Основи біоорганічної хімії (навчальний посібник) - Г. О. Сирова - 2018

Тема

Просторова будова органічних молекул.

Взаємний вплив атомів

Актуальність теми. Хімічна поведінка речовин, у тому числі і в біохімічних процесах, визначається їхнім складом, електронною і просторовою будовою. Тому вивчення електронної, просторової будови та функціонального складу, взаємного впливу атомів у молекулі біологічно активних речовин у взаємозв'язку з їх реакційною здатністю є основою в подальшому розумінні і прогнозуванні поведінки молекул, як в нормі, так і в патології.

Загальні цілі: робити висновки й аналізувати взаємозв'язок між будовою, конфігурацією і конформацією біоорганічних сполук. Інтерпретувати залежність реакційної здатності біоорганічних сполук від характеру хімічного зв'язку та взаємного впливу атомів у молекулі.

Конкретні цілі

1. Визначати тип гібридизації атомів карбону в біоорганічних сполуках, просторову направленність зв'язків, утворених атомами карбону в sp³, sp² і sp- гібридних станах.

2. Знати просторову будову циклів, утворених атомами карбону в sp³ -гібридизації.

3. Коментувати причини цис-транс-ізомерії.

4. Уміти визначати вид і знак електронних ефектів з метою подальшого прогнозування реакційної здатності органічних сполук у біохімічних перетвореннях.

Теоретичні питання

1. σ-Зв'язок: електронна і просторова будова молекул з sp³ -гібридизованими атомами карбону. Взаємне розташування замісників у відкритих ланцюгах. Конформації.

2. Замкнуті цикли. «Бананові зв'язки».

3. π-Зв'язок, електронна будова та основні характеристики. Цис-транс- ізомерія.

4. Спряжені системи. Енергія спряження. Ароматичність.

5. Електронні ефекти замісників в аліфатичних і ароматичних сполуках.

1. Атом карбону, що знаходиться в стані sp³ -гібридизації, має тетраедричну будову і всі його замісники розташовані під кутом 109°28', тобто якщо сполука складається з таких атомів, то молекула не лежить в одній площині, а є об'ємною і має певну конфігурацію. sp -Гібридизовані атоми карбону зв'язані а-зв'язком, є симетричними. Навколо цього зв'язку можливе обертання. Тому замісники змінюють своє положення відносно один одного в просторі, тобто молекула знаходиться в різних конформаційних станах.

Конформаціями, або поворотними ізомерами, називають різні геометричні форми молекули, які переходять одна в одну шляхом обертання навколо простих зв'язків. Так, наприклад, до складу кефаліну, який міститься у великій кількості в головному мозку, входить аміноспирт коламін (2-аміноетанол), що має будову HO-CH₂-CH₂-NH₂. У складі молекули два карбонових атоми, які знаходяться в стані sp³ -гібридизації. Його конфігурацію можна зобразити так:

За рахунок вільного обертання навколо σ-зв’язку С₁-С₂ можливі різноманітні конформаційні стани коламіну. Конформери (поворотні ізомери), які утворюються, прийнято зображувати у вигляді проекцій Ньюмена, які утворюються при розгляді сполуки вздовж зв’язку С₁-С₂. Найближчий до спостерігача атом С₁ та його зв’язки позначаються, а віддалений від спостерігача атом карбону С₂ та його зв’язки. Взаємне розташування замісників (у коламіні групи -ОН та -NH₂ ) характеризується кутом повороту (ф) відносно один оджного. Залежно від цього кута виникають різні конформації. Їх може бути незліченна множина. Розглянемо деякі з них:

Поворотні ізомери мають певну потенційну енергію. Якщо відстань між об'ємними замісниками невелика, то ступінь взаємодії між ними великий, а отже, велика потенційна енергія. Найменша відстань між замісниками в просторі спостерігається в затіненої конформації (φ = 0), значить вона енергетично найменш вигідна. У загальмованій конформації засмісники найбільш віддалені один від одного (φ = 180°), потенційна енергія їх взаємодії мала, значить енергетично це найвигідніша конформація. Однак різниця енергій конформаційних станів молекул мала, тому перехід від однієї конформації до іншої здійснюється легко і виділити їх як стійкі ізомери не можна.

2. Для сполук, що містять малі замкнуті цикли, утворені sp³ -гібридизованими атомами карбону, характерне утворення так званих «бананових зв'язків», механізм утворення яких схожий з утворенням п-зв'язку. Тому, як ми переконаємося пізніше, для них більш характерні реакції приєднання, а не заміщення, що йдуть з розривом циклу. До малих циклів належать циклопропан, циклобутан і циклопентан.

Шестичленні цикли, які найбільш часто зустрічаються в структурах біологічно активних речовин, існують в конформації «крісла», яка позбавлена кутових напружень. Так, наприклад, до складу препарату «Валідол», що застосовується як судинорозширювальний засіб, входить ментол, який є 5-метил-2-ізопропілциклогексанолом-1. У циклогексановому кільці ментолу всі шість карбонових атомів знаходяться в sp³ -гібридизованому стані, а отже, їхні хімічні зв'язки не лежать в одній площині.

Якби циклогексанове кільце існувало в пласкій формі, то кут між зв'язками був би 120°, тобто в пласкій молекулі виникло б кутове напруження. Крім того, у пласкому циклі всі замісники знаходилися б в невигідній закритій конформації, що, своєю чергою, спричиняє торсіонну напругу. Таким чином, через наявність двох видів напруги циклогексанове кільце має бути неміцним, що не підтверджується практикою. Насправді циклогексанове кільце має розташовуватись у просторі, утворюючи різні конформації - «крісло», «ванна» («човен»). Найбільш вигідною є конформація «крісла», тому що в ній відсутня кутове напруження.

Кожен карбоновий атом має два типи зв'язку: аксіальні (а) - спрямовані паралельно осі симетрії й екваторіальні (е) - спрямовані від кільця і периферії під кутом 109°28 'до осі симетрії. Для графічного зображення цих зв'язків користуються такими прийомами: аксіальні зв'язки розташовують поперечно вгору і вниз паралельно осі, а екваторіальні - у бік від кільця паралельно через один. Екваторіальні зв'язки більш енергетично вигідні. Таким чином, структура ментолу може бути зображена в такий спосіб:

3. Наявність кратного зв'язку в молекулах, які містять sp² -гібридизований атом карбону, виключає можливість вільного обертання навколо зв'язку і тому в даному випадку має місце цис-транс-ізомерія. Цей вид ізомерії відомий студентам зі шкільного курсу органічної хімії.

4. Особливий інтерес і значення мають спряжені системи - це молекули з подвійними і простими зв'язками, що чергуються. Парні системи поділяються на системи з відкритим ланцюгом спряження й системи із замкнутим ланцюгом спряження. Найпростішою аліфатичною системою з відкритим ланцюгом спряжених систем є бутадієн-1,3:

Негібридизовані р-орбіталі перекриваються не тільки між 1 і 2, 3 і 4 атомами карбону, а й між 2 і 3, утворюючи загальну систему. Унаслідок цього відбувається спряження двох локалізованих подвійних зв'язків з утворенням делокалізованої чотирицентрової молекулярної орбіталі. Цей вид спряження називають π,π-спряженням, оскільки в сполучення вступили орбіталі π-зв'язків.

Іншим видом сполучення є р,π-спряження, при якому в спряження з орбіталями π-зв'язку вступає р-орбіталь гетероатомів O, N, S та ін., що мають неподілену пару електронів.

Спряження - енергетично вигідний процес, оскільки в результаті делокалізації виділяється енергія, яку називають енергією спряження, що призводить до стабілізації молекули. Необхідно звернути увагу на той факт, що зі збільшенням довжини спряженого ланцюга зростає делокалізація π-електронів, збільшується енергія спряження й термодинамічна стабільність сполуки.

Цей факт можна розглядати на прикладі β-каротину, ретиналю і ретинолу:

Термодинамічна стійкість розглянутих сполук пояснюється π,π-спряженням кратних зв'язків і зростає в ряду ретинол → ретиналь → β-каротин.

Системи із замкнутим ланцюгом спряження за рахунок кругової делокалізації π-електронів мають вищу термодинамічну стійкість, ніж спряжені з відкритим ланцюгом. Такі системи називають ароматичними. Сполука має ароматичність, якщо вона має плаский замкнутий цикл і єдину п-електронну систему, що охоплюють всі атоми циклу і містять 4n+ 2π-електронів (правило Хюккеля), де n - ряд цілих чисел 1, 2, 3 і т. ін.

Найпростішими представниками класу ароматичних вуглеводнів (карбогідрогенів) (аренів) є бензен:

Бензен характеризується високою термодинамічною стійкістю. Поняття ароматичності можна застосувати і для сполук з конденсованими бензеновими кільцями (нафталін, антрацен, фенантрен). Заміна в бензені -СН= на -N= призводить до виникнення гетероциклічної системи - молекули піридину:

Використовуючи критерії ароматичності переконуємося, що піридин - ароматична сполука. Слід підкреслити, що орбіталь з вільною неподіленою парою електронів визначає властивості піридину як основи. Такий електронний стан атома нітрогену прийнято називати піридиновий. Він характерний для гетероциклічних сполук, що мають фрагмент -N= (піридин, імідазол, піримідин, пурин).

Піридиновий азот зміщує до себе єдину п-електронну хмару, у цілому знижуючи електронну густина ароматичного кільця. Тому системи з піридиновим нітрогеном називають π-недостатніми. При заміні в бензені фрагмента СН=СН- на >N-H виникає п’ятичленний гетероцикл пірол:

У цьому випадку нітроген, своєю парою електронів вступає в спряження з π-електронами кратного зв'язку. Нітроген у такому стані називають пірольним. Шестиелектронна π-хмара належить п’ятицентровій системі, тому пірол є π-надлишковою або суперароматичною системою. Наявність такої системи істотно впливає на реакційну здатність піролу. У природних сполуках ароматичний пірольний цикл зустрічається в різних багатоядерних системах, з яких важливе значення має порфіринове ядро (гемоглобін, хлорофіл).

5. Реакційна здатність і механізм хімічної реакції багато в чому визначає перерозподіл електронної щільності в молекулі. Взаємний вплив атомів в органічних молекулах передається двома шляхами: індуктивним і мезомерним. Зв'язок між атомами з різною електронегативністю поляризований. Ця поляризація поширюється ланцюгом σ-зв'язків з поступовим загасанням і спричиняє появу часткових зарядів, які позначаються δ. Такий електронний зсув отримав назву індуктивного (I).

Замісник, що притягує до себе пару електронів зв'язку, має негативний індуктивним ефект (-I). Тільки алкільні радикали мають позитивний індуктивний ефект (+I), причому +Iефект зростає зі збільшенням довжини радикала. Таким чином, індуктивний ефект - це перерозподіл електронної густини уздовж σ-зв'язків залежно від електронегативності атомів, що утворюють ці зв'язки.

Для прояву мезомерного ефекту потрібні певні умови. Мезомерний ефект інакше ще називають ефектом спряження. Це говорить про те, що передача взаємовпливу буде пов'язана з наявністю спряженої системи, таким чином, вплив замісника, переданий по системі спряжених зв'язків з перерозподілом електронної густини, називається мезомерним ефектом (М-ефект). Замісники, які відтягують електронну густину з спряженої системи, проявляють негативний мезомерний ефект (-М) (електронно-акцепторні замісники). У нашому випадку альдегідна група проявляє -М-ефект.

При р,π-спряженні, навпаки, замісник подає р-електрони у спряжену систему, унаслідок чого на ньому виникає частковий позитивний заряд. Тому замісник, який віддає свою електронну пару в загальне спряження, проявляє позитивний мезомерний ефект (+М). У нашому випадку хлор проявляє +М ефект (електронодонорний замісник). На відміну від індуктивного, мезомерний ефект передається через всю систему спряжених π-зв'язків без загасання і надає більший вплив на властивості молекул.

Будь-який замісник у бензеновому кільці порушує вирівняність електронної густини, яка властива бензену. Залежно від характеру замісника (електронодонорний або електроноакцепторний) електронна густина у кільці підвищується або знижується, головним чином в орто- і пара-положеннях. Відбуваються електронні зміни і в заміснику:

Таким чином, перерозподіл електронної густини в молекулі є основою якісного прогнозування реакційної здатності взагалі та дає уявлення про механізм процесу.

Виконайте завдання та перевірте правильність їх розв’язання за еталонами відповідей

Завдання № 1

1. Укажіть вид та знак електронних ефектів атома хлору в молекулі хлоропрену (2-хлорбутадієн-1,3):

А. -I, +M. В. +I. С. -M. D. +M.

2. Яка конформація є найбільш вигідною для циклогексану?

A. «Човен».

B. Плаский шестичленний цикл.

C. «Крісло».

D. Загальмована.

3. Укажіть вид та знак електронних ефектів функціональних груп у молекулі 4-гідроксибутанової кислоти, яка виникає при метаболізмі амінокислот:

А. СООН (-I) -ОН (+I). В. СООН (-M, -I).

C. ОН (+I) СООН (-I). D. СООН (-I) -OH (-I).

Еталони відповідей: 1-А, 2-С, 3-D.

Завдання № 2

1. Конформації - це:

A. Структурні ізомери.

B. Цис-транс-ізомери.

C. Поворотні ізомери.

D. Г омологи.

2. Енергія спряження - це:

A. Енергія, яка поглинається при утворенні спряження.

B. Енергія, необхідна для руйнування спряження.

C. Енергія, яка виділяється при делокалізації електронів.

D. Загальна енергія спряженої системи.

3. У якому порядку зростає позитивний індуктивний ефект радикалів?

A. -С₃Н₇ > -C₂H₅ > -СН₃.

B. -СзН₇ < -С₂Н₅ < -СН₃.

C. (-СН₃) = (-С₂Н₅) = ( -С₃Н₇).

D. Не змінюється.

Еталони відповідей: 1-С; 2-С; 3-А.

Завдання № 3

1. Який ефект проявляє метильна група в толуолі (метилбензені)?

А. +I. В. -I. C. +М. D. -М.

2. Наявність у молекулі спряженої системи обумовлює її статус:

A. Термодинамічну нестійкість.

B. Термодинамічну стабільність.

C. Не впливає.

D. Немає відповіді.

3. На одній зі стадій циклу Кребса утворюється янтарна кислота. Яка її конформація є найбільш вигідною та як вона називається?

А. Скошена. В. Заслонена. С. Загальмована та скошена. D. Загальмована.

Еталони відповідей: 1-А, 2-B, 3-D.