1 Лекция 7 для студентов 1 курса, обучающихся по специальности Медицинская кибернетика Лектор: ст. преподаватель Руковец Татьяна Анатольевна Красноярск, 2013 Кафедра биологической химии с курсами медицинской, фармакологической и токсикологической химии Тема: Взаимное влияние атомов в молекулах

Цель лекции 2 На основе строения атомов и химических связей сформировать знания о их взаимном влиянии, направленном на термодинамическую устойчивость систем или наоборот, на появление реакционных центров в молекулах и ионах. Рассмотреть все другие факторы, определяющие реакционную способность.

План лекции 3 1. Актуальность темы. 2. Сопряжение и ароматичность как основа для понимания термодинамической устойчивости систем. 3. Электронные эффекты заместителей в углеродных цепях. 4. Факторы, определяющие реакционную способность органических соединений. 5. Выводы.

Актуальность темы 4 Взаимное влияние атомов в молекулах выражается в эффектах сопряжения и электронных эффектах. Сопряженные системы с открытой и замкнутой цепью сопряжения широко распространены в природе и среди фармакологически активных веществ. Сопряженная система в молекуле ретинола (витамина А)

Актуальность темы 5 Знание понятий «сопряжение», «ароматичность», «электронные эффекты заместителей» будет использоваться для нахождения реакционных центров молекул и прогнозирования их химического поведения.

6 Если две двойные связи разделены одинарной или рядом с двойной связью находится атом с несвязывающей р-АО (занятой одним электроном, двумя или вакантной), то между двумя р-АО, не вступившими в локализованную π-связь, возникает дополнительное взаимодействие, которое и называется сопряжением. Сопряженные системы с открытой цепью

7 π-π - сопряжение бутадиен Образуется единая четырехцентровая π-МО с делокализованной электронной плотностью. Делокализация электронной плотности снижение энергии системы. виниламин π-р -сопряжение N N Образуется единая трёхцентровая π-МО с делокализованной электронной плотностью. Четыре π-электрона приходится на 3 атома. При этом на атомах углерода электронная плотность повышается, а на атоме азота – понижается, что отражается на свойствах соответствующих реакционных центров. Принцип образования сопряженной системы π-π и р-π - типов. N

8 15 СН 2 ОН β-каротин Ретинол Каротин жёлто-оранжевый пигмент, содержится в листьях всех растений, а также в корне моркови, плодах шиповника и др. Является провитамином витамина А. Ретинол – жирорастворимый витамин, антиоксидант. В организме синтезируется из β-каротина.

9 Среди таких систем наиболее важное значение имеют ароматические системы. Ароматичность – это частный случай сопряжения. Ароматичность возникает когда: цепь сопряжения замкнута число электронов, участвующих в сопряжении, подчиняется правилу Хюккеля: оно равно 4n + 2, где n – любое целое число, в том числе и нуль. Сопряженные системы с замкнутой цепью

N 10 пиридин N N Н пиррол N Н бензол Эта электронная пара не участвует в сопряжении

11 Все эти пятичленные гетероциклы имеют замкнутую пятицентровую π -МО, на которой содержится 6 электронов. Другими словами, их структура удовлетворяет критериям ароматичности О фуран Циклопента- диенильный анион S тиофен S

12 индуктивный (I ) эффект мезомерный (М ) эффект Электронные эффекты

13 – это передача полярного влияния заместителя по σ-связям в любой цепи. Например, в молекуле бутилхлорида δ+δ+ δ+δ+ δ+δ+

14 -I эффект вызывают любые заместители, содержащие атомы с большей электроотрицательностью, чем у атома углерода: галогены (F, Cl, Br, I), OH- и ОR- группы, NH 2 -, NHR- и NR 2 -группы, оксо-группа (С=О, карбоксильная группа (СООН), нитрогруппа (NO 2 )и многие другие. Отрицательный индуктивный эффект

15 СН 3 δ+δ+ СН 2 δ+δ+ δ+δ+ ОН δ-δ- - I СН 3 СН 2 С О δ+δ+ δ + - I δ + Н СН 3 СН 2 Сl δ+δ+ δ-δ- δ+δ+ δ+δ+ - I Примеры

16 +I эффектом обладают: алкильные R-группы, связанные с sp 2 и sp-гибридизованными атомами углерода оксид-анионные центры атомы металлов. СН 3 δ- СН 2 О δ- +I+I CH 2 = CH CH 3 δ- δ+δ+ +I+I CH 3 – CH 2 CH 2 CH 2 MgBr δ+δ+ δ-δ- δ-δ- δ-δ- +I+I Положительный индуктивный эффект

17 – это передача полярного влияния атома или группы атомов по π - связям в сопряженной системе. Причем, атом, передающий эффект должен сам участвовать в сопряжении. Мезомерный эффект

18 В π-π- сопряженной системе мезомерный эффект направлен в сторону более электроотрицательного атома В р-π- сопряженной системе мезомерный эффект направлен от двухэлектронной несвязывающей р-АО в сторону системы или, наоборот, от системы в сторону вакантной р-АО. CH 2 = CH – CH = O δ+δ+ δ+δ+ - M C – C – C O NH 2 δ+δ+ δ-δ- + M C = C – C + δ+δ+ - M Мезомерный эффект

19 Заместители, обладающие -I и -М-эффектами, называются электроноакцепторами. Заместители, обладающие +I и +М-эффектами, называются электронодонорами. Если электронные эффекты заместителя разнонаправлены, например -I и +М, то преобладающим будет +М-эффект (кроме галогенов). Такой заместитель является электронодонором. NH 2.. δ-δ- δ-δ- δ-δ- δ+δ+ ЭД -I < +M Электронодоноры и электроноакцепторы

20 Однако в хлорбензоле -I > +M, и атом хлора является электроноакцептором, понижающем электронную плотность на бензольном кольце. Cl.. -I > +M Cl.. δ+δ+ δ+δ+ δ+δ+ δ-δ- ЭА Результирующее влияние атома хлора как электроноакцептора Электронодоноры и электроноакцепторы

21 Типы разрыва ковалентной связи Промежуточные частицы реакции Энергетический барьер реакции (энергия активации) Температура, рН среды, соотношение реагентов, наличие кофакторов и катализаторов. Факторы, определяющие реакционную способность

22 Гомолиз А В А + В Гетеролиз А В А + + В Атомы (радикалы) электрофил нуклеофил Атомные орбитали выходят из перекрывания и каждая АО уносит с собой по одному электрону. Образуются частицы с неспаренными электронами. Это либо атомы, либо радикалы Атомные орбитали выходят из перекрывания, и пара электронов уносится АО частицы В, тогда как АО частицы А остается вакантной Образуются ионы (+ и -) Типы разрыва ковалентной связи

23 Гомолиз характерен для неполярных и малополярных ковалентных связей и протекает В присутствии неполярных растворителей (гексан, бензол) Под действием света или высокой температуры Под действием высокореакционноспособных частиц – радикалов. Гомолиз

24 Гетеролиз характерен для полярных ковалентных связей и протекает: В присутствии полярных сольватирующих растворителей (вода, спирт). Под действием электрофилов и нуклеофилов. Гетеролиз

25 Частицы с недостатком электронной плотности называются электрофилами (Е) - Заряженные Е: Н +, Br +, + NO 2, + CH 3 - Нейтральные Е: CH 3 Cl Частицы с избытком электронной плотности называются нуклеофилами (Nu). Заряженные Nu: Н, НО, RO, RCOO, NC, RS Нейтральные Nu: НОН, НОR, HSR, NH 3, C=C O O S O δ+δ+ δ+δ+δ-δ-.. Электрофилы и нуклеофилы

26 Каждая реакция характеризуется своим энергетическим профилем. Разность между энергией переходного состояния и энергией исходного состояния называется энергией активации. Чем меньше энергия активации, тем выше скорость реакции. Катализаторы снижают энергию активации и тем самым ускоряют реакцию Уменьшение энергетического барьера достигается как за счет снижения энергии переходного состояния, так и за счет повышения энергии исходного состояния. Е Энергия переходного состояния Энергия исходного состояния Энергия активации

27 По типу разрыва ковалентной связи Гомолитические Гетеролитические По направлению Замещения (S) Присоединения (А) Элиминирования (E) Перегруппировки Изомерии Типы органических реакций

Типы органических реакций по реагенту : 28 Электрофильные (с учетом направления обозначаются: А E, S E ) Нуклеофильные (с учетом направления обозначаются: А N, S N ) Радикальные (с учетом направления обозначаются: А R, S R ) Кислотно-основные Окислительно-восстановительные

29 1. Атомы в молекулах связаны между собой с помощью как локализованных, так и делокализованных ковалентных связей. 2. Сопряжение – это делокализованная π-связь, которая возникает при определенном взаимодействии между атомами. 3. Заместители в углеводородной цепи и гетероатомы в циклах бывают электродонорами или электроакцепторами. Выводы

30 4. Вид заместителя определяется с помощью концепции электронных эффектов 5. Наличие заместителя приводит к перераспределению электронной плотности и появлению реакционных центров. 6. Тип реакционного центра определяет тип атакующего реагента и способ разрыва связи. Выводы

31 Электронодонорные или электроноакцепторные заместители будут влиять на устойчивость промежуточных частиц реакции. От устойчивости промежуточных частиц будет зависеть направление реакции (присоединение, замещение, перегруппировки) и место входа реагента. Заключение

Литература 32 основная: Слесарев В.И. – Химия: Основы химии живого: Учебник для вузов. – 3-е изд., испр. – СПб: Химиздат. – – 784с. Тюкавкина Н. А., Бауков Ю.И. – Биоорганическая химия : Учебник. – М.: ДРОФА. – – С. 36 – 46

Литература 33 дополнительная: Грандберг И.И. – Органическая химия: Учеб. Для студ. вузов, обучающихся по агроном. спец. – 5-е изд. – М.: Дрофа, – 672 с. Пузаков С.А. – Химия: Учебник, 2-е изд. испр. и доп. М.: ГЭОТАР-Медиа Медицина, – 630 с.

Литература 34 электронные ресурсы: Электронная библиотека Т.12. Органическая химия. /гл. ред.М.А. Пальцев.-М.: Русский врач, 2005 Электронная библиотека Colibris Электронный каталог Крас ГМУ Ресурсы Интернет

Показать перераспределение электронной плотности в молекулах, указать вид и знак электронных эффектов заместителей Вариант 2 Вариант 1 парацетамол2,4-дихлорбензиловый спирт метилсалицилат фенацетинанестезин Ацетилсалициловая кислота (аспирин) 35