Лекції з курсу біоорганічної хімії
Введення в біоорганічну хімію. Взаємний вплив атомів у органічних молекулах. Електронні ефекти заступників
Тривалість лекції: 2,5 години
Мета та завдання: Ознайомити студентів із предметом біоорганічної хімії, мезомірним та індуктивним електронними ефектами заступників.
Мотивація: Акцентувати увагу студентів на тому, що хімія допомагає виявити механізми різних захворювань, у тому числі найпоширеніших стоматологічних захворювань – карієсу зубів та каменеутворення у ротовій порожнині.
План лекції
Індуктивний ефект. Сполучені системи з відкритим та замкнутим ланцюгом сполучення. Ароматичність, критерії ароматичності.
Енергія сполучення. Мезомірний ефект у відкритих та замкнутих системах.
Залежність реакційної здатності органічних сполук від індуктивних та мезомерних електронних ефектів замісників. Орієнтанти першого та другого роду.
Наочність та технічні засоби: кодоскоп, мікрофон.
Зміст лекції
Органічна хімія – це хімія сполук вуглецю. Нині їх налічується близько 7 млн. У органічних сполуках є сигма і пи - зв'язку, які можна як полярними, і неполярними. Неполярні ковалентні зв'язки виникають між атомами з однаковою величиною ЕО, наприклад, н-пропан. В органічних сполуках атоми вуглецю можуть бути з атомами Про, N, S, галогенів, тобто. гетероатомами, що мають вищу ЕО, ніж атоми вуглецю. Це сприяє поляризації ковалентних зв'язків. Наприклад, 1-хлорпропан. Гетероатом чи заступник викликає поляризацію як своєї сигма зв'язку, а й передає впливом геть сусідні сигма зв'язку, виявляючи індуктивний ефект.
Індуктивний ефект- це передача електронного впливузаступника з ланцюга сигма – зв'язків. Індуктивний ефект позначають літерою I і графічно зображують стрілкою, вістря якої направлено в бік більш ЕО елемента. Дія індуктивного ефекту найбільше проявляється на двох найближчих атомах вуглецю, а через 3-4 зв'язки він згасає. Заступники, що зміщують електронну щільність ланцюга сигма – зв'язків у свій бік, виявляють негативний індуктивний ефект (-I). Це перший атом вуглецю, брому, аміногрупа, гідроксогрупа та ін. Це електроноакцепторні замісники (ЕА). Вони знижують електронну щільність у вуглецевому ланцюзі. Заступники, що зміщують електронну щільність від себе у бік вуглецевого ланцюга, виявляють позитивний індуктивний ефект (+I). Це електроно-донорні заступники, наприклад, радикали метил та етил, натрій, калій та ін.
Поряд з індуктивним ефектом замісників у молекулах органічних сполук проявляється мезомерний ефект, що діє у сполучених системах. Сполученими називаються системи з простими і подвійними зв'язками, що чергуються або системи, в яких у атома сусіднього з подвійним зв'язком є p-орбіталь з неподіленою парою електронів. Сполучені системи бувають з відкритим і замкнутим ланцюгом сполучення.
Споріднені системи з відкритим ланцюгом:
- Пі, пі - сполучення. Розглянемо з прикладу бутадієну –1,3.
У молекулі цієї речовини всі атоми вуглецю перебувають у стані sp2-гібридизації та 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:
Негібридизовані рz-орбіталі кожного атома вуглецю розташовані перпендикулярно до площини сигма-скелета і паралельні один одному. Це створює умови для їхнього 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 перебувають у полі чотирьох ядер атомів вуглецю, утворюючи єдине сполучене пі-електронну хмару, яке делокализовано, тобто. рівномірно розподілено по всій системі. Так виникає пі, пі-сполучення внаслідок перекривання рz-орбіталей пі-зв'язків.
- р, пі-сполучення. Поряд з подвійним зв'язком може бути гетероатом Х (О, N, S та ін), що має вільну р-орбіталь з неподіленою парою електронів. Р-орбіталь гетероатома взаємодіє з пі-зв'язком, утворюючи р, пі-сполучену систему. Р,пі-сполучення виникає в молекулі дивінілового ефіру. Таким чином, поєднання у відкритих системах виникає за таких умов:
Всі атоми, що беруть участь в утворенні системи, перебувають у стані sp2-гібридизації, з'єднуючись між собою сигма-зв'язками, утворюють плоский сигма-скелет молекули.
Рz-орбіталі всіх атомів перпендикулярні площині сигма-скелета і паралельні один одному.
Споріднені системи із замкнутим ланцюгом сполучення
У циклічних молекулах за певних умов може виникнути замкнута сполучена система. Вона називається ароматичною. Прикладом такої системи є молекула бензолу, де всі 6 атомів вуглецю перебувають у стані sp2-гибридизации. Атоми, сполучаючись між собою сигма-зв'язками, утворюють замкнутий цикл. Система зв'язків С-С та С-Н складає плоский сигма-скелет молекули. Шість рz-орбіталей атомів вуглецю розташовуються перпендикулярно до цієї площини і паралельні один одному. Взаємно перекриваючись, вони утворюють замкнуту сполучену систему, в якій єдина пі-електронна хмара охоплює 6 атомів.вуглецю. Така система є ароматичною.
Критерії ароматичності встановлені вченим Хюккелем у 1931 році.
1. Молекула має циклічну будову.
2. Усі атоми циклу перебувають у стані sp2-гібридизації, утворюючи плоский сигма-скелет молекули. Рz-орбіталі паралельні один одному, і перпендикулярні до площини 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 бензоїдні сполуки (нафталін та ін) також відповідають критеріям ароматичності.
Природні гетероциклічні сполуки відповідають критеріям ароматичності, наприклад, імідазол, пірол, піпридин, піримідин, фуран, тіофен та ін.
Критерії ароматичності розглянемо на прикладі імідазолу:
Молекула імідазолу має циклічну будову.
Всі атоми циклу, включаючи два атоми азоту, перебувають у стані sp2-гібридизації. Вони, з'єднуючись між собою сигма-зв'язками, утворюють плоский сигма-скелет молекули. Рz-орбіталі кожного атома циклу розташовуються перпендикулярно до площини сигма-скелета і паралельно один одному, що створює умови для їх взаємного перекривання.
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. В ароматичний секстет поставляють по одному електрону три атоми вуглецю та піридиновий атом азоту, і два електрони пірольний атом азоту. Розглянемо електронну будову пірольного тапіридинових атомів азоту.
У пірольному атомі азоту, що знаходиться в стані sp2-гібридизації, три гібридні орбіталі беруть участь в утворенні сигма-зв'язків з двома атомами вуглецю і атомом водню. Негібридна рz-орбіталь постачає пару електронів в ароматичний секстет. У піридиновому атомі азоту, що знаходиться також у стані sp2-гібридизації, дві гібридні орбіталі атома азоту беруть участь в утворенні сигма-зв'язків з атомами вуглецю, третя гібридна орбіталь з неподіленою парою електронів лежить у площині сигма-скелета і зумовлює властивості. е. здатність приєднувати протон водню. Рz-орбіталь, негібридна з одним електроном бере участь у освіті ароматичного секстету. У молекулі імідазолу 6-електронна пі-хмара справакалізована на п'яти атомах циклу. Така система називається пі-надлишковою або суперароматичною. До таких систем також відносяться пірол, фуран, тіофен та ін.
У молекулі піридину, який також відповідає всім критеріям ароматичності, електронна щільність єдиної пі-електронної хмари зміщена в бік більше ЕО атома азоту. Така система називається пі-недостатньою.
Утворення сполученої системи призводить до вирівнювання довжин зв'язків, справакалізації – рівномірного розподілу електронної щільності в молекулі та зниження енергетичного рівня системи. Усе це сприяє стабілізації молекули. Про термодинамічної стійкості сполученої системи можна судити за величиною енергії сполучення. Це різниця повної пі-електронної енергії непов'язаної системи та пі-електронної енергії сполученої системи. Таким чином, енергія сполучення – це та енергія, що виділяється під час утворення сполученої системи. Чим вища енергія сполучення, тим стабільніша система. У системах з відкритим ланцюгом, ніж довшеланцюг сполучення, тим вище енергія сполучення і стабільніша молекула, наприклад вітаміни, каратиноїди 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.
Мезомірний ефект – це передача електронного впливу заступника по сполученій системі. Дія мезомерного ефекту заступників проявляється як у відкритих, і замкнутих системах.
Мезомірний ефект у відкритих сполучених системах
Розглянемо приклад пентадієн-2,4-аль. В даному випадку карбонільну групу можна розглядати як заступник, який з'явився в молекулі бутадієну-1,3 замість атома водню. Альдегідна група та інші заступники, що містять кратні зв'язки (карбоксильна група, сульфогрупа, нітрогрупа та ін), що містять кратні зв'язки, вступаючи в пі, пі-сполучення з сполученою системою і відтягуючи електронну щільність у свій бік, знижують її в сполученій системі. Вони мають 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 густина.
Поряд із негативним мезомерним ефектом заступник також виявляє негативний індуктивний ефект (-I). Показуємо дію індуктивного ефекту стрілочкою. Необхідно враховувати результуючу дію електронних ефектів заступників. В даному випадку їхня дія односпрямована, узгоджена і призводить до зниження електронної щільності в сполученій системі. Даємо характеристику заступника з урахуванням ефектів, що проявляються: карбонільна група (-М,-I) - електроноакцепторнийзаступник.