Головна |
лекція 2ЛЕКЦІЇ З КУРСУ БІООРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ лекція 1 Введення в біоорганічну хімію. Взаємний вплив атомів в органічних молекулах. Електронні ефекти заступників Тривалість лекції: 2,5 години Мета і завдання: Ознайомити студентів з предметом біоорганічної хімії, мезомерним і індуктивним електронними ефектами заступників. Мотивація: Акцентувати увагу студентів на те, що хімія допомагає виявити механізми різних захворювань, в тому числі найбільш поширених стоматологічних захворювань - карієсу зубів і каменеутворення в порожнині рота. план лекції 1. індуктивний ефект. Зв'язані системи з відкритою і замкнутим ланцюгом сполучення. Ароматичность, критерії ароматичності. 2. енергія сполучення. Мезомерний ефект у відкритих і замкнутих системах. 3. залежність реакційної здатності органічних сполук від індуктивних і мезомерного електронних ефектів замісників. Орієнтанти першого і другого роду. Наочність і технічні засоби: кодоскоп, мікрофон.
зміст лекції Органічна хімія - це хімія сполук вуглецю. В даний час їх налічується близько 7 млн. У органічних сполуках є сигма і пі - зв'язки, які можуть бути як полярними, так і неполярними. Полярні ковалентні зв'язки виникають між атомами з однаковою величиною ЕО, наприклад н-пропан. В органічних сполуках атоми вуглецю можуть бути пов'язані з атомами О, N, S, галогенів, т. Е. Гетероатомами, що мають більш високу ЕО, ніж атоми вуглецю. Це сприяє поляризації ковалентних зв'язків. Наприклад, 1-хлорпропан. Гетероатомом або заступник викликає поляризацію не тільки своєю сигма зв'язку, а й передає вплив на сусідні сигма зв'язку, виявляючи індуктивний ефект. індуктивний ефект - Це передача електронного впливу заступника по ланцюгу сигма - зв'язків. Індуктивний ефект позначають буквою I і графічно зображують стрілкою, вістря якої направлено в сторону більш ЕО елемента. Дія індуктивного ефекту найбільш сильно проявляється на двох найближчих атомах вуглецю, а через 3-4 зв'язку він загасає. Заступники, що зміщують електронну щільність по ланцюгу сигма - зв'язків в свою сторону, проявляють негативний індуктивний ефект (-I). Це перший атом вуглецю, брому, аминогруппа, гидроксогруппа і ін. Це електроноакцепторні заступники (ЕА). Вони знижують електронну щільність в вуглецевого ланцюга. Заступники, що зміщують електронну щільність від себе в бік вуглецевого ланцюга, проявляють позитивний індуктивний ефект (+ I). Це електронно-донорні заступники, наприклад, радикали метил і етил, натрій, калій і ін. Поряд з індуктивним ефектом заступників в молекулах органічних сполук проявляється мезомерний ефект, який діє в зв'язаних системах. Сполученими називаються системи з чергуються простими і подвійними зв'язками або системи, в яких у атома сусіднього з подвійним зв'язком є ??p-орбіталь з неподіленої парою електронів. Зв'язані системи бувають з відкритою і замкнутим ланцюгом сполучення. Зв'язані системи з відкритим ланцюгом: - Пі, пі - сполучення. Розглянемо на прикладі бутадієну -1,3. У молекулі цієї речовини все атоми вуглецю знаходяться в стані sp2-гібридизації і розташовані в одній площині. З'єднуючись між собою сигма-зв'язками вони утворюють плоский сигма-скелет молекули. Електронна будова атома вуглецю в стані sp2- гібридизації: Негібрідізованние рz-орбіталі кожного атома вуглецю розташовані перпендикулярно площині сигма-скелета і паралельні один одному. Це створює умови для їх взаємного перекривання. Перекриття рz-орбіталей відбувається як між першим і другим, так і третім і четвертим, другим і третім атомами вуглецю. У цій системі відбувається усуспільнення р-електронів. 4р-електрона одночасно знаходяться в полі чотирьох ядер атомів вуглецю, утворюючи єдине поєднане пі-електронну хмару, яке делокалізованних, т. Е. Рівномірно розподілено по всій системі. Так виникає пи, пі-сполучення внаслідок перекривання рz-орбіталей пі-зв'язків. - Р, пі-сполучення. Поруч з подвійним зв'язком може знаходиться гетероатомом Х (О, N, S і ін.), Що має вільну р-орбіталь з неподіленої парою електронів. Р-орбіталь гетероатома взаємодіє з пі-зв'язком, утворюючи р, пі-пов'язану систему. Р, пі-сполучення виникає в молекулі дивініловий ефіру. Таким чином, поєднання в відкритих системах виникає при наступних умовах: 1. Всі атоми, які беруть участь в утворенні системи знаходяться в стані sp2-гібридизації, з'єднуючись між собою сигма-зв'язками, утворюють плоский сигма-скелет молекули. 2. Рz- орбіталі всіх атомів перпендикулярні площині сигма-скелета і паралельні один одному. Зв'язані системи з замкнутим ланцюгом сполучення У циклічних молекулах при певних умовах може виникнути замкнута сполучена система. Вона називається ароматичної. Прикладом такої системи є молекула бензолу, в якій всі 6 атомів вуглецю знаходяться в стані sp2-гібридизації. Атоми, з'єднуючись між собою сигма-зв'язками, утворюють замкнутий цикл. Система зв'язків С-С і С-Н становить плоский сигма-скелет молекули. Шість рz-орбіталей атомів вуглецю розташовуються перпендикулярно цій площині і паралельні один одному. Взаємно перекриваючись, вони утворюють замкнену пов'язану систему, в якій єдине пі-електронну хмару охоплює 6 атомів вуглецю. Така система є ароматичною. Критерії ароматичності встановлені вченим Хюккель в 1931 році. 1. Молекула має циклічний будова. 2. Всі атоми циклу знаходяться в стані sp2-гібридизації, утворюючи плоский сигма-скелет молекули. Рz-орбіталі паралельні один одному, і перпендикулярні площині сигма-скелета. 3. Існує єдина сполучена пі-електронна система, що охоплює всі атоми циклу і містить (4n + 2) пі-електрона (Правило Хюккеля), де n - натуральний ряд чисел; n = 0,1,2,3 ... Бензол відповідає правилу Хюккеля. N = 1, отже, ароматична система бензолу містить (4 * 1 + 2) = 6 пі-електронів. Конденсовані бензоідние з'єднання (нафталін і ін.) Також відповідають критеріям ароматичности. Природні гетероциклічні сполуки також відповідають критеріям ароматичности, наприклад, імідазол, пірол, піпрідін, піримідин, фуран, тіофен і ін. Критерії ароматичності розглянемо на прикладі імідазолу: 1. Молекула імідазолу має ціклкческое будова. 2. Всі атоми циклу, включаючи два атома азоту знаходяться в стані sp2-гібридизації. Вони, з'єднуючись між собою сигма-зв'язками утворюють плоский сигма-скелет молекули. Рz-орбіталі кожного атома циклу розташовуються перпендикулярно площини сигма-скелета і паралельно один одному, що створює умови для їх взаємного перекривання. 3. Існує єдина пі-електронна система, що охоплює всі атоми циклу і включає за правилом Хюккеля (4n + 2) пі-електрона. Для імідазолу n = 1, отже, ароматична система цієї речовини містить (4 * 1 + 2) = 6 пі-електронів. У ароматичний секстет поставляють по одному електрону три атома вуглецю і піридиновий атом азоту, і два електрона пиррольное атом азоту. Розглянемо електронна будова пиррольного і пиридинового атомів азоту. У пиррольное атомі азоту, що знаходиться в стані sp2-гібридизації три гібридні орбіталі беруть участь в утворенні сигма-зв'язків з двома атомами вуглецю та атомом водню. Негибридная рz-орбіталь поставляє пару електронів в ароматичний секстет. У пиридиновом атомі азоту, що знаходиться також в стані sp2-гібридизації, дві гібридні орбіталі атома азоту беруть участь в утворенні сигма-зв'язків з атомами вуглецю, третя гібридна орбіталь з неподіленої парою електронів лежить в площині сигма-скелета і обумовлює властивості піридину як підстави, т. е. здатність приєднувати протон водню. Рz-орбіталь, негибридная з одним електроном бере участь в утворенні ароматичного секстету. У молекулі імідазолу 6-електронне пі-хмара делокалізованних на п'яти атомах циклу. Така система називається пі-надлишкової або суперароматіческой. До таких систем також відносяться пірол, фуран, тіофен і ін. У молекулі піридину, також відповідає всім критеріям ароматичности електронна щільність єдиного пі-електронної хмари зміщена в бік більш ЕО атома азоту. Така система називається пі-недостатньою. Освіта зв'язаної системи призводить до вирівнювання довжин зв'язків, делокализации - рівномірному розподілу електронної щільності в молекулі і зниження енергетичного рівня системи. Все це сприяє стабілізації молекули. Про термодинамічної стійкості зв'язаної системи можна судити за величиною енергії сполучення. Це різниця повної пі-електронної енергії несопряжённой системи і пі-електронної енергії зв'язаної системи. Таким чином, енергія сполучення - це та енергія, яка виділяється при утворенні зв'язаної системи. Чим вище енергія сполучення, тим стабільніше система. У системах з відкритим ланцюгом, чим довше ланцюг сполучення, тим вище енергія сполучення і стабільніше молекула, наприклад вітаміни, каротиноїди та ін. Замкнуті сполучені системи більш стабільні, ніж відкриті. Для бензолу енергія сполучення дорівнює 150,6 кДж / моль, а для бутадієну-1,3 енергія сполучення дорівнює 15 кДж / моль. Мезомерний ефект - це передача електронного впливу заступника по сполученої системі. Дія мезомерного ефекту заступників проявляється як у відкритих, так і замкнутих системах. 1. Мезомерний ефект у відкритих зв'язаних системах Розглянемо приклад Пентада-2,4-аль. В даному випадку карбонильную групу можна розглядати як заступник, що з'явився в молекулі бутадієну-1,3 замість атома водню. Альдегідна група та інші заступники, що містять кратні зв'язки (карбоксильная група, сульфогруппа, нітрогрупа і ін.), Що містять кратні зв'язки, вступаючи в пі, пі-сполучення з сполученої системою і відтягуючи електронну щільність в свою сторону, знижують її в сполученої системі. Вони виявляють негативний мезомерний ефект (М) - це електроноакцепторні (ЕА) заступники. Графічно дію мезомерного ефекту зображують вигнутою стрілкою, початок якої показує які (пі або р-електрони) зміщуються, а кінець - зв'язок або атом, до яких зміщується електронна щільність. Поряд з негативним мезомерним ефектом заступник також проявляє негативний індуктивний ефект (-I). Показуємо дію індуктивного ефекту стрілочкою. Необхідно враховувати результуюче дію електронних ефектів замісників. В даному випадку їх дію однонаправлено, узгоджено і призводить до зниження електронної щільності в сполученої системі. Даємо характеристику заступника з урахуванням проявляються ефектів: карбонильная група (-М, -I) - електроноакцепторний заступник. 2. Мезомерний ефект в замкнутих зв'язаних системах А) Розглянемо приклад. У молекулі фенолу гидроксогруппа - заступник, що з'явився в молекулі бензолу замість атома водню. Гидроксогруппа і інші заступники, що містять гетероатом з неподіленої парою електронів (аминогруппа, атом хлору та ін.), Постачають пару електронів в пов'язану систему, вступаючи з нею в р, пі-сполучення і підвищують в ній електронну щільність. Вони виявляють (+ М) позитивний мезомерний ефект - це електронодонорні заступники (ЕД). Поряд з (+ М) ефектом гидроксогруппа проявляє (-I) негативний індуктивний ефект. Характеристика гидроксогруппа з урахуванням проявляються нею ефектів - (+ М і -I), при цьому + М більше -I. Таким чином, гидроксогруппа будучи електронодонорності заступником, підвищує електронну щільність в сполученої системі. При цьому в орто- і пара-положеннях з'являються реакційні центри, що несуть часткові, негативні заряди - це нуклеофільниє реакційні центри. Заступник гидроксогруппа є ориентант першого роду, т. Е. Направляє наступні заступники в орто- і пара-положення. Цим пояснюється більш висока реакційна здатність фенолу в порівнянні з бензолом. Б) Бензойна кислота. Даємо характеристику заступника карбоксильної групи з урахуванням проявляються ефектів: карбоксильная група - електроноакцепторний заступник (-М, -I), вступаючи в пі, пі-сполучення, будучи ЕА призводить до перерозподілу електронної щільності в ароматичної системі. При цьому в мета-положеннях з'являються нуклеофільниє реакційні центри. Карбоксильная група є ориентант другого роду. Вона спрямовує наступні заступники в мета-положення. висновок: У молекулах ряду органічних сполук індуктивний і мезомерний ефекти заступників, діють одночасно, або односпрямованнодіючих узгоджено, або в протилежних напрямках. В основному мезомерний ефект значно переважає над індуктивним ефектом. У галогенів переважаючим є індуктивний ефект. Таким чином, з огляду на перерозподіл електронної щільності в молекулах органічних сполук, в тому числі біологічно активних речовин, можна прогнозувати їх властивості. лекція 2 Глава 51. Комісія | Стереоізомерія. Кислотність і основність органічних сполук Кислотно-основні властивості органічних сполук | Природа елемента в кислотному центрі | лекція 3 | Поліспирти (поліоли) | Хімічні властивості спиртів | Хімічні властивості фенолів | лекція 4 | Будова карбоксильної групи | Хімічні властивості карбонових кислот | Біологічні функції вуглеводів | |