Введение в биоорганическую химию. Взаимное влияние атомов в органических молекулах. Электронные эффекты заместителей

Органическая химия – это химия соединений углерода. В настоящее время их насчитывается около 7 млн. В органических соединениях имеются сигма и пи - связи, которые могут быть как полярными, так и неполярными. Неполярные ковалентные связи возникают между атомами с одинаковой величиной ЭО, например н-пропан. В органических соединениях атомы углерода могут быть связаны с атомами О, N, S, галогенов, т.е. гетероатомами, имеющими более высокую ЭО, чем атомы углерода. Это способствует поляризации ковалентных связей. Например, 1-хлорпропан. Гетероатом или заместитель вызывает поляризацию не только своей сигма связи, но и передаёт влияние на соседние сигма связи, проявляя индуктивный эффект.

Индуктивный эффект - это передача электронного влияния заместителя по цепи сигма – связей. Индуктивный эффект обозначают буквой I и графически изображают стрелкой, остриё которой направлено в сторону более ЭО элемента. Действие индуктивного эффекта наиболее сильно проявляется на двух ближайших атомах углерода, а через 3-4 связи он затухает. Заместители, смещающие электронную плотность по цепи сигма – связей в свою сторону, проявляют отрицательный индуктивный эффект (-I). Это первый атом углерода, брома, аминогруппа, гидроксогруппа и др. Это электроноакцепторные заместители (ЭА). Они снижают электронную плотность в углеродной цепи. Заместители, смещающие электронную плотность от себя в сторону углеродной цепи, проявляют положительный индуктивный эффект (+I). Это электроно-донорные заместители, например, радикалы метил и этил, натрий, калий и др.

Наряду с индуктивным эффектом заместителей в молекулах органических соединений проявляется мезомерный эффект, действующий в сопряжённых системах. Сопряжёнными называются системы с чередующимися простыми и двойными связями или системы, в которых у атома соседнего с двойной связью есть p-орбиталь с неподелённой парой электронов. Сопряжённые системы бывают с открытой и замкнутой цепью сопряжения.

Сопряжённые системы с открытой цепью:

- Пи, пи – сопряжение. Рассмотрим на примере бутадиена –1,3.

В молекуле этого вещества все атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации и расположены в одной плоскости. Соединяясь между собой сигма-связями они образуют плоский сигма–скелет молекулы.

Электронное строение атома углерода в состоянии sp2- гибридизации:

Негибридизованные рz-орбитали каждого атома углерода расположены перпендикулярно плоскости сигма-скелета и параллельны друг другу. Это создаёт условия для их взаимного перекрывания. Перекрывание рz-орбиталей происходит как между первым и вторым, так и третьим и четвёртым, вторым и третьим атомами углерода. В этой системе происходит обобществление р-электронов. 4р-электрона одновременно находятся в поле четырёх ядер атомов углерода, образуя единое сопряжённое пи-электронное облако, которое делокализовано, т.е. равномерно распределено по всей системе. Так возникает пи,пи-сопряжение вследствие перекрывания рz-орбиталей пи-связей.

- р, пи-сопряжение. Рядом с двойной связью может находится гетероатом Х (О, N, S и др.), имеющий свободную р-орбиталь с неподелённой парой электронов. Р-орбиталь гетероатома взаимодействует с пи-связью, образуя р,пи-сопряжённую систему. Р,пи-сопряжение возникает в молекуле дивинилового эфира. Таким образом, сопряжение в открытых системах возникает при следующих условиях:

1. Все атомы, участвующие в образовании системы находятся в состоянии sp2-гибридизации, соединяясь между собой сигма-связями, образуют плоский сигма-скелет молекулы.

2. Рz- орбитали всех атомов перпендикулярны плоскости сигма-скелета и параллельны друг другу.

Сопряжённые системы с замкнутой цепью сопряжения

В циклических молекулах при определённых условиях может возникнуть замкнутая сопряжённая система. Она называется ароматической. Примером такой системы является молекула бензола, в которой все 6 атомов углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Атомы, соединяясь между собой сигма-связями, образуют замкнутый цикл. Система связей С-С и С-Н составляет плоский сигма-скелет молекулы. Шесть рz-орбиталей атомов углерода располагаются перпендикулярно этой плоскости и параллельны друг другу. Взаимно перекрываясь, они образуют замкнутую сопряжённую систему, в которой единое пи-электронное облако охватывает 6 атомов углерода. Такая система является ароматической.

Критерии ароматичности установлены учёным Хюккелем в 1931 году.

1. Молекула имеет циклическое строение.

2. Все атомы цикла находятся в состоянии sp2-гибридизации, образуя плоский сигма-скелет молекулы. Рz-орбитали параллельны друг другу, и перпендикулярны плоскости сигма-скелета.

3. Существует единая сопряжённая пи-электронная система, охватывающая все атомы цикла и содержащая (4n+2) пи-электрона (Правило Хюккеля), где n – натуральный ряд чисел; n=0,1,2,3…

Бензол отвечает правилу Хюккеля. N = 1, следовательно, ароматическая система бензола содержит (4*1+2) = 6 пи-электронов. Конденсированные бензоидные соединения (нафталин и др.) также отвечают критериям ароматичности.

Природные гетероциклические соединения также отвечают критериям ароматичности, например, имидазол, пиррол, пипридин, пиримидин, фуран, тиофен и др.

Критерии ароматичности рассмотрим на примере имидазола:

1. Молекула имидазола имеет циклкческое строение.

2. Все атомы цикла, включая два атома азота находятся в состоянии sp2-гибридизации. Они, соединяясь между собой сигма-связями образуют плоский сигма-скелет молекулы. Рz-орбитали каждого атома цикла располагаются перпендикулярно плоскости сигма-скелета и параллельно друг другу, что создаёт условия для их взаимного перекрывания.

3. Существует единая пи-электронная система, охватывающая все атомы цикла и включающая по правилу Хюккеля (4n+2) пи-электрона. Для имидазола n=1, следовательно, ароматическая система этого вещества содержит (4*1+2)=6 пи-электронов. В ароматический секстет поставляют по одному электрону три атома углерода и пиридиновый атом азота, и два электрона пиррольный атом азота. Рассмотрим электронное строение пиррольного и пиридинового атомов азота.

В пиррольном атоме азота, находящемся в состоянии sp2-гибридизации три гибридные орбитали участвуют в образовании сигма-связей с двумя атомами углерода и атомом водорода. Негибридная рz-орбиталь поставляет пару электронов в ароматический секстет. В пиридиновом атоме азота, находящемся также в состоянии sp2-гибридизации, две гибридные орбитали атома азота участвуют в образовании сигма-связей с атомами углерода, третья гибридная орбиталь с неподелённой парой электронов лежит в плоскости сигма-скелета и обуславливает свойства пиридина как основания, т.е. способность присоединять протон водорода. Рz-орбиталь, негибридная с одним электроном участвует в образовании ароматического секстета. В молекуле имидазола 6-электронное пи-облако делокализовано на пяти атомах цикла. Такая система называется пи-избыточной или суперароматической. К таким системам также относятся пиррол, фуран, тиофен и др.

В молекуле пиридина, также отвечающего всем критериям ароматичности электронная плотность единого пи-электронного облака смещена в сторону более ЭО атома азота. Такая система называется пи-недостаточной.

Образование сопряжённой системы приводит к выравниванию длин связей, делокализации – равномерному распределению электронной плотности в молекуле и снижению энергетического уровня системы. Всё это способствует стабилизации молекулы. О термодинамической устойчивости сопряжённой системы можно судить по величине энергии сопряжения. Это разность полной пи-электронной энергии несопряжённой системы и пи-электронной энергии сопряжённой системы. Таким образом, энергия сопряжения – это та энергия, которая выделяется при образовании сопряжённой системы. Чем выше энергия сопряжения, тем стабильней система. В системах с открытой цепью, чем длиннее цепь сопряжения, тем выше энергия сопряжения и стабильней молекула, например витамины, каратиноиды и др. Замкнутые сопряжённые системы более стабильны, чем открытые. Для бензола энергия сопряжения равна 150,6 кДж/моль, а для бутадиена-1,3 энергия сопряжения равна 15 кДж/моль.

Мезомерный эффект – это передача электронного влияния заместителя по сопряжённой системе. Действие мезомерного эффекта заместителей проявляется как в открытых, так и замкнутых системах.

1. Мезомерный эффект в открытых сопряжённых системах

Рассмотрим пример пентадиен-2,4-аль. В данном случае карбонильную группу можно рассматривать как заместитель, появившийся в молекуле бутадиена-1,3 вместо атома водорода. Альдегидная группа и другие заместители, содержащие кратные связи (карбоксильная группа, сульфогруппа, нитрогруппа и др.), содержащие кратные связи, вступая в пи,пи-сопряжение с сопряжённой системой и оттягивая электронную плотность в свою сторону, снижают её в сопряжённой системе. Они проявляют отрицательный мезомерный эффект

(-М) - это электроноакцепторные (ЭА) заместители. Графически действие мезомерного эффекта изображают изогнутой стрелкой, начало которой показывает какие (пи- или р-электроны) смещаются, а конец – связь или атом, к которым смещается электронная плотность.

Наряду с отрицательным мезомерным эффектом заместитель также проявляет отрицательный индуктивный эффект (-I). Показываем действие индуктивного эффекта стрелочкой. Необходимо учитывать результирующее действие электронных эффектов заместителей. В данном случае их действие однонаправлено, согласованно и приводит к снижению электронной плотности в сопряжённой системе. Даём характеристику заместителя с учётом проявляемых эффектов: карбонильная группа (-М,-I) - электроноакцепторный заместитель.

2. Мезомерный эффект в замкнутых сопряжённых системах

А) Рассмотрим пример. В молекуле феноле гидроксогруппа – заместитель, появившийся в молекуле бензола вместо атома водорода. Гидроксогруппа и другие заместители, содержащие гетероатом с неподелённой парой электронов (аминогруппа, атом хлора и др.), поставляют пару электронов в сопряжённую систему, вступая с ней в р,пи-сопряжение и повышают в ней электронную плотность. Они проявляют (+М) положительный мезомерный эффект – это электронодонорные заместители (ЭД). Наряду с (+М) эффектом гидроксогруппа проявляет (-I) отрицательный индуктивный эффект.

Характеристика гидроксогруппы с учётом проявляемых ею эффектов – (+М и –I), при этом +М больше –I. Таким образом, гидроксогруппа являясь электронодонорным заместителем, повышает электронную плотность в сопряжённой системе. При этом в орто- и пара- положениях появляются реакционные центры, несущие частичные, отрицательные заряды – это нуклеофильные реакционные центры. Заместитель гидроксогруппа является ориентантом первого рода, т.е. направляет последующие заместители в орто- и пара-положения. Этим объясняется более высокая реакционная способность фенола по сравнению с бензолом.

Б) Бензойная кислота. Даём характеристику заместителя карбоксильной группы с учётом проявляемых эффектов: карбоксильная группа – электроноакцепторный заместитель (-М, -I), вступая в пи,пи-сопряжение, являясь ЭА приводит к перераспределению электронной плотности в ароматической системе. При этом в мета-положениях появляются нуклеофильные реакционные центры. Карбоксильная группа является ориентантом второго рода. Она направляет последующие заместители в мета-положения.

Вывод: В молекулах ряда органических соединений индуктивный и мезомерный эффекты заместителей, действуют одновременно, либо однонаправленно, согласованно, либо в противоположных направлениях. В основном мезомерный эффект значительно преобладает над индуктивным эффектом. У галогенов преобладающим является индуктивный эффект. Таким образом, учитывая перераспределение электронной плотности в молекулах органических соединений, в том числе биологически активных веществ, можно прогнозировать их свойства.