Электронные эффекты заместителей

Примеры небензоидных ароматических соединений

Примеры циклических систем, имеющих p,p-сопряжение

ББК

УДК

ISBN 978-985-496-906-0

© Павловский, Н.Д., 2011 © УО «ГрГМУ», 2011

Лекция № 1

Предмет и задачи биоорганической химии. Взаимное влияние атомов и способы его передачи в органических молекулах. Сопряженные системы, ароматичность, электронные эффекты заместителей

Биоорганическая химия изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя методы органической и физической химии, а также физики и математики. Как самостоятельная наука, биоорганическая химия сформировалась во второй половине ХХ века на стыке биохимии и органической химии, на основе традиционной химии природных соединений. Объектами изучения являются биологически важные природные и синтетические соединения, главным образом биополимеры, а также витамины, гормоны, антибиотики, природные феромоны и сигнальные вещества, биологически активные вещества растительного происхождения, внутриклеточные регуляторы, а также синтетические регуляторы биологических процессов – лекарственные препараты, пестициды, инсектициды и другие соединения.

К основным задачам биоорганической химии относятся:

1. Разработка методов выделения и очистки природных соединений.

2. Определение строения и конфигурации изучаемого соединения.

3. Разработка методов синтеза как самих природных биологически важных веществ, так и их аналогов.

4. Изучение зависимости биологического действия от строения.

5. Выяснение химизма взаимодействия биологически активного вещества с живой клеткой или с ее компонентами.

Биоорганическая химия тесно связана с практическими задачами медицины и сельского хозяйства (получение витаминов, гормонов, антибиотиков, стимуляторов роста растений, регуляторов поведения насекомых и животных), химической, пищевой и микробиологической промышленности.

Сопряженные системы, виды сопряжения

Сопряженными системами называются соединения, в которых есть чередование двойных и ординарных связей. Простейшим примером такой системы является молекула бутадиена-1,3. Из структурной формулы видно, что в молекуле содержатся одна ординарная и две двойные связи углерод-углерод, которые должны иметь длины связей, соответственно, 0,153 нм и 0,132 нм, что характерно для длин ординарной и двойной связей углерод-углерод в алканах и алкенах. Физическими методами исследований было установлено, что длины связей между атомами С¹ и С², а также между С³ и С⁴ равны 0,135 нм, а длина связи между атомами С² и С³ равна 0, 146 нм, молекула плоская, углы между связями равны 120°. Эти особенности объясняются возникновением сопряженной системы. Атомные орбитали всех атомов углерода в молекуле бутадиена-1,3 находятся в состоянии sp²-гибридизации, в результате которой каждый из них имеет три гибридные орбитали, лежащие в одной плоскости под углом 120° и одну негибридную р-орбиталь, располагающуюся перпендикулярно этой плоскости.

Пространственное строение бутадиена-1,3

Так как молекула имеет плоскую конфигурацию, то все s-связи, образованные с участием гибридных орбиталей, лежат в одной плоскости, а негибридные р-орбитали расположены перпендикулярно плоскости молекулы и параллельно между собой. Образование p-связей между атомами С¹ и С² и между атомами С³ и С⁴ происходит за счет двукратного перекрывания р-орбиталей с обеих сторон относительно плоскости молекулы, но так как все р-орбитали параллельны, то в молекуле имеет место дополнительное взаимодействие – перекрывание р-орбиталей между атомами С² и С³, сопровождающееся выделением энергии, которая называется энергией сопряжения. В результате этого дополнительного перекрывания происходит перераспределение p-электронной плотности в молекуле и возникает делокализованная (сопряженная) p-система. При этом между атомами С¹ и С², а также С³ и С⁴ p-электронная плотность уменьшается, что приводит к увеличению длины этих связей в сравнении с длиной двойной связи С=С в алкенах, а между атомами С² и С³ – p-электронная плотность увеличивается, что приводит к уменьшению длины связи в сравнении с длинами ординарных связей С-С в алканах.

Делокализация p-электронной плотности в бутадиене-1,3

В реальной молекуле бутадиена-1,3 нет двойных или ординарных связей, все четыре р-электрона делокализованы по всей системе сопряжения, охватывающей углеродный скелет.

Таким образом, под термином сопряжение понимают делокализацию (перераспределение) p-электронной плотности в молекуле, приводящую к изменению длин связей и увеличению ее устойчивости за счет выделения энергии. Различают два типа сопряжения: p,p- и p,p-сопряжение, которые могут возникать как в циклических, так и ациклических молекулах.

p,p-Сопряжение возникает, если в сопряжении участвуют р-орбитали, образующие p-связи. В рассмотренной выше молекуле бутадиена-1,3 в сопряжении участвовали четыре электрона атомов углерода, расположенные на р-орбиталях, образующих p-связи, таким образом, можно сделать вывод о том, что в этом случае имеет место p,p-сопряжение.

Примеры систем, имеющих p,p-сопряжение

В молекулах акролеина и винилацетилена сопряженная система возникает при участии четырех р-орбиталей, на которых находятся четыре электрона. В акролеине в p,p-сопряжении задействованы три р-орбитали атомов от трех атомов углерода, находящихся в sp²-гибридизации, и р-орбиталь атома кислорода. В винилацетилене в p,p-сопряжении участвуют две р-орбитали от двух атомов углерода, находящихся в sp²-гибридизации, и две р-орбитали от двух атомов углерода, находящихся в sp-гибридизации.

p,p-Сопряжение может быть и в циклических молекулах.

В молекуле бензола в p,p-сопряжении участвуют шесть р-орбиталей от шести атомов углерода, находящихся в sp²-гибридизации, на которых делокализуются шесть электронов. В молекуле нафталина в p,p-сопряжении участвуют десять р-орбиталей с десятью электронами.

р,p-Сопряжение возникает, если в сопряжение с р-орбиталями, образующими p-связи, вступает р-орбиталь, не участвующая в образовании связей, причем эта р-орбиталь может быть вакантной или на ней могут находиться один или два электрона.

В молекуле винилбромида в р,p-сопряжении участвуют две р-орбитали атомов углерода, образующие p-связь, и р-орбиталь атома брома, не участвующая в образовании p-связи. Таким образом, в молекуле винилбромида на трех р-орбиталях делокализуются четыре электрона.

В аллильном катионе в р,p-сопряжении участвуют две р-орбитали атомов углерода, образующие p-связь, и вакантная р-орбиталь атома углерода, несущего положительный заряд. На трех р-орбиталях делокализуются два электрона и положительный заряд.

В аллильном радикале в создании сопряженной системы участвуют две р-орбитали, образующие p-связь, и р-орбиталь sp²-гибридизированного атома углерода, имеющая неспаренный электрон. На трех р-орбиталях делокализуются три электрона.

Как и p,p-сопряжение, р,p-сопряжение может иметь место в циклических системах.

В молекуле фурана р-орбиталь атома кислорода, несущая неподеленную пару электронов, вступает в сопряжение внутри цикла с четырьмя р-орбиталями атомов углерода, образующими p–связи. В итоге возникает сопряженная система, в которой на пяти р-орбиталях делокализованы шесть электронов.

В молекуле фенола р-орбиталь атома кислорода, имеющая неподеленную пару электронов, вступает в р,p-сопряжение с р-орбиталью атома углерода, которая участвует в p,p-сопряжении внутри цикла. В этом случае возникает сопряженная система, в которой на семи р-орбиталях делокализованы восемь электронов.

Степень термодинамической устойчивости молекул характеризуется энергией сопряжения. Энергия сопряжения (энергия делокализации) – это та часть энергии, которую молекула теряет в результате сопряжения. Чем больше энергия сопряжения, тем стабильнее сопряженная система. Один из способов определения этой величины состоит в сравнении теплоты гидрирования бензола с ее расчетным значением, основанным на предположении о том, что бензол содержит три изолированные двойные связи:

Теплота гидрирования циклогесена	-120 кДж/моль
Рассчитанная величина для бензола	3× (-120) = -360 кДж/моль
Экспериментальная теплота гидрирования бензола	-209 кДж/моль
Энергия сопряжения бензола	-209 –(-360) = 151 кДж/моль

Энергия сопряжения других ароматических соединений может быть определена таким же способом.

Формула	Название соединения	Энергия сопряжения	Формула	Название соединения	Энергия сопряжения
	Бензол	151		Пиридин	96
	Нафталин	255		Пиррол	89
	Антрацен	349		Тиофен	120
	Фенантрен	382		Фуран	66

В природе часто встречаются сопряженные системы. Чем длиннее сопряженная система, тем большее количество энергии выделяется при сопряжении, и в итоге получается более стабильная система.

Примеры природных сопряженных систем

Ароматичность, критерии ароматичности

Среди циклических соединений с сопряженной системой двойных связей выделяют ароматические соединения, характеризующиеся повышенной термодинамической устойчивостью и особыми свойствами (низкая реакционная способность в реакциях присоединения, сравнительная легкость реакций замещения, сохраняющих сопряженную систему, устойчивость к окислению и другие). Соединение обладает ароматичностью, если:

- имеет плоский ци кл, все атомы которого находятся в состоянии sp² - гибридизации;

- образуется сопряженная система p-электронов, охватывающая все атомы цикла;

- число электронов N(e), участвующих в сопряжении, удовлетворяет правилу Хюккеля: N(e) = 4n +2, где n = 0,1,2,3 и т.д.

Если не выполняется хотя бы один из этих критериев, то соединение не является ароматическим. Правило Хюккеля применимо к любым конденсированным системам, в которых нет атомов, являющихся общими более чем для двух циклов. Если число электронов N(e), участвующих в сопряжении, равно N(e) = 4n, такое соединение считается антиароматическим. Обычно такие соединения малоустойчивы.

Бензол является классическим представителем ароматических углеводородов, так как: имеет плоский цикл, все 6 атомов углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации; образуется единая сопряженная система, охватывающая все атомы цикла (p,p-сопряжение); в сопряжении участвуют шесть электронов – по одному р-электрону от каждого атома углерода, что удовлетворяет правилу Хюккеля: 4n+2=6, n=1.

Нафталин, как и бензол, имеет плоский цикл, все 10 атомов углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации, образуется сопряженная система, охватывающая все атомы цикла; в сопряжении участвуют 10 электронов (p,p-сопряжение) – по одному р-электрону от каждого атома углерода, что удовлетворяет правилу Хюккеля: 4n+2=10, n=2. Антрацен и фенантрен также удовлетворяют всем критериям ароматичности, в создании единой p,p-сопряженной системы в молекулах этих соединений участвуют 14 электронов.

Эффект стабилизации присущ не только сопряженным шестичленным системам, но и трех-, четырех-, пяти-, семичленным системам, в которых число электронов, участвующих в сопряжении, удовлетворяет правилу Хюккеля. Такие соединения известны и подробно изучены. Они получили название небензоидных ароматических соединений.

Среди циклопропана и его производных ароматичным является только циклопропенил-катион, удовлетворяющий всем критериям ароматичности.

Циклопропен и его производные

Хотя все структуры являются плоскими, циклопропен относят к неароматическим соединениям (нет сопряженной системы), циклопропенил-радикал также является неароматическим соединением (в сопряжении 3 электрона), циклопропенил-анион относится к антиароматическим соединениям, так как в сопряжении участвуют 4 электрона. Циклопропенил-катион является ароматической системой, так как в результате сопряжения на трех атомах углерода делокализованы 2 электрона, т.е. N(e) = 4n+2=2, n = 0.

Циклобутадиен и циклооктатетраен являются антиароматическими соединениями, так как в сопряжении (p,p-сопряжение) участвуют, соответственно, 4 и 8 электронов, т.е N(e) = 4n, n=1; n=2). Циклопентадиен является неароматическим соединением, так как нет сопряженной системы, охватывающей все атомы цикла (один из атомов углерода в sp³-гибридизации).

Но циклопентадиенил-анион и циклогептатриенил-катион – (катион тропилия) являются ароматическими системами, удовлетворяющими всем критериям ароматичности (все они имеют в сопряжении по 6 электронов).

Среди гетероциклических ненасыщенных соединений тоже есть соединения, удовлетворяющие критериям ароматичности. Типичными представителями пятичленных гетероциклических ароматических соединений являются фуран, тиофен, пиррол, имидазол.

Примеры пятичленных гетероциклических ароматических соединений

Во всех молекулах в создании сопряженной системы участвуют 6 электронов и имеет место как p,p-сопряжение, так и р,p-сопряжение. p,p-сопряжение происходит в результате перекрывания р-орбиталей, участвующих в образовании p-связей, р,p-сопряжение – за счет дополнительного перекрывания р-орбитали гетероатома (с неподеленной парой р-электронов) и р-орбиталей атомов углерода, образующих p-связи.

Атом азота, предоставляющий для образования сопряженной системы пару р-электронов, называют пиррольным, атом азота, предоставляющий в сопряжение один р-электрон, называют пиридиновым атомом азота. Атомные орбитали пиррольного и пиридинового атомов азота находятся в состоянии sp²-гибридизации, но отличаются по своему электронному строению.

Электронное строение пиррольного атома азота

Электронное строение пиридинового атома азота

В сопряжение пиррольный атом азота предоставляет р-орбиталь с неподеленной парой электронов, а пиридиновый атом азота – р-орбиталь с неспаренным электроном, так как неподеленная пара электронов пиридинового атома азота расположена на гибридной орбитали.

Пиридин и пиримидин, являющиеся шестичленными гетероциклическими соединениями, также отвечают всем критериям ароматичности. В создании сопряженной системы в этих молекулах участвуют 6 электронов. Каждый атом, входящий в цикл, отдает в сопряжение по одному р-электрону. В этих соединениях, в отличие от пятичленных гетероциклов, имеет место только p,p-сопряжение, так как эти молекулы в своем составе содержат только пиридиновые атомы азота.

Примеры шестичленных гетероциклических ароматических соединений

Необходимо отметить разную устойчивость пиррола и пиридина в кислой среде. Пиррол в присутствии кислот подвергается полимеризации, так как в результате присоединения протона пиррольным атомом азота происходит разрушение сопряженной системы: 2р-электрона атома азота идут на образование связи с протоном по донорно-акцепторному механизму и ароматичность теряется. Пиридин, как и пиррол, также подвергается протонированию, но, в отличие от пиррола, пиридиновый цикл сохраняет ароматичность и устойчивость, так как для образования связи с протоном предоставляется пара электронов, расположенная на гибридной орбитали, которая в сопряжении не участвует.

Пурин, являющийся структурной основой аденина и гуанина, также является гетероциклическим ароматическим соединением. Пурин представляет собой систему, состоящую из конденсированных пиримидинового и имидазольного циклов.

В пурине содержатся три пиридиновых атома азота (атомы под номерами 1,3,7) и один пиррольный (под номером 9), в создании сопряженной системы участвуют 10 электронов (4n+2=10, n=2). В молекуле имеет место как p,p-сопряжение, так и р,p-сопряжение.

Делокализация электронов (выравнивание электронной плотности) в результате сопряжения приводит к образованию более устойчивых систем, характеризующихся отличающейся реакционной способностью от той, которая ожидалась, исходя из структурной формулы соединения.

На реакционную способность молекул влияют также заместители, связанные с атомом углерода, которые за счет проявляемых ими электронных эффектов приводят к изменению полярности связей и их прочности. Различают два типа электронных эффектов заместителей: индуктивный и мезомерный.

Индуктивный эффект (I) – это передача электронного влияния заместителя по системе s -связей. Он возникает, если связь образована атомами, разными по электроотрицательности. Индуктивный эффект передается на небольшие расстояния (3 – 4 s -связи) и затухает. Графически обозначается стрелкой вдоль s – связи и показывает смещение электронной плотности к более электроотрицательному атому. Отрицательный индуктивный эффект (- I) – смещение электронной плотности по системе s – связей к заместителю. Его проявляют более электроотрицательные, чем углерод, атомы и группы атомов. Положительный индуктивный эффект (+ I) – смещение электронной плотности по системе s – связей от заместителя. Его проявляют углеводородные радикалы и анионы, связанные с атомом углерода. Принято считать, что индуктивный эффект атома водорода равен нулю, т.е. связь С-Н является неполярной ковалентной связью.

Дата добавления: 2013-12-12