Основы современной теории пространственного строения органических соединений. Конфигурация и конформации Кафедра органической и биоорганической химии БГМУ
Теория строения А.М.Бутлерова, дополненная : Б) теорией валентных связей Полинга и теорией молекулярных орбиталей Малликена и Хюккеля А) квантовой структурой элементов-органогенов В) стереохимическими представлениями Вант-Гоффа,Э.Фишера, Бартона. Г) абсолютной конфигурацией стереоизомеров КИП Д) механизмами органич.реакций Н.Семенов, Ингольд и др. Е) теорией кислотности и основности Бренстеда-Лоури, Льюиса, Пирсона. 1828-1886 гг.
1 s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 1 s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 I валентное состояние - sp 3 - гибридизация II валентное состояние – sp 2 - гибридизация III валентное состояние – sp - гибридизация
Химическое строение ( конституция по Бутлерову )-последовательность соединения атомов в молекуле с учетом характера химических связей между ними. Структура – взаимное пространственное расположение атомов (их ядер) друг относительно друга. Понятие структура включает строение, конфигурацию и конформации.
Раздел химической науки, который занимается изучением пространственной структуры молекул и ее влиянием на физические и химические свойства молекул, а также ход протекания химических процессов носит название стереохимия. Стереохимия связана с изучением свойств изомеров, т.е. молекул, которые при различной структуре имеют одинаковые молекулярные формулы. Различают три типа изомерии: структурную, конфигурационную и конформационную. Конфигурационные изомеры и конформеры объединяют под общим названием стереоизомеры. СТЕРЕОХИМИЯ И СТЕРЕОИЗОМЕРЫ
I валентное состояние - sp 3 - гибридизация 1 s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 Атом углерода- тетрагональный или тетраэдрический sp3
Шаростержневые (Кекуле), скелетные (Дрейдинга), полусферические (Стюарта-Бриглеба).
Тетраэдрический угол 109,5 ° «клиновидная» стереохимическая формула
ИЗОМЕРЫ Изомерами называются соединения с одинаковым элементным составом, но отличающиеся последовательностью связывания атомов и (или) расположением их в пространстве
Изомеры Изомеры строения Пространственные (стереоизомеры) 1.Углеродного скелета 2.Положения функциональной группы или кратных связей 3. Валентная Бензол Дьюара Бензвален Призман
Стереоизомеры – это соединения, в молекулах которых имеется одинаковая последовательность атомов и химических связей между ними, но различное расположение этих атомов относительно хирального центра, плоскости двойной связи или плоскости цикла.
Основы стереохимии заложены работами Вант-Гоффа и Ле Беля (1874 г.), которые независимо друг от друга высказали мысль о пространственной (тетраэдрической) направленности валентных связей атома углерода Вант-Гофф, первый лауреат Нобелевской премии по химии Ле-Бель
КЛАССИФИКАЦИЯ СТЕРЕОИЗОМЕРОВ Конфигурационные Стереоизомеры Конформационные диастереомеры энантиомеры π - σ -
l – 0,109 нм Е – 414 кДж/моль l – 0,154 нм Е – 348 кДж/моль С С σ -связь имеет вращательную ось симметрии σ -связь – ковалентная связь, образованная при перекрывании атомных орбиталей по оси, соединяющей ядра двух связываемых атомов с максимумом перекрывания на этой оси
Конформации - различные пространственные формы молекул, возникающие в результате вращения одних групп в молекуле относительно других по линии σ -связей и отличающиеся запасом энергии (термодинамической устойчивостью).
В стереохимии молекулу рассматривают как геометрическое тело в трехмерном пространстве молекула симметрична, если при перестановке в ней местами атомов или атомных групп не происходит никаких изменений ее структуры ЭЛЕМЕНТЫ СИММЕТРИИ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ
Элементы симметрии : 1 рода - оси симметрии С n 2 рода - плоскости симметрии σ - центры симметрии i - оси зеркального отражения S n
Ось симметрии n -го порядка - ось, при вращении молекулы вокруг которой на угол 360 / n она совмещается с первоначальной структурой n раз ОСЬ СИММЕТРИИ
Плоскость симметрии – это плоскость, проходящая через молекулу или атом с его заместителями, лежащими в этой же плоскости и делящая молекулу на две симметричные части
ОСЬ ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ 1.2-дифтор-1,2-дихлорэтан При повороте на 180 ° относительно оси S и отражения в плоскости обе части молекулы становятся симметричными
метанол этанол 1 ось 2-го порядка 1 плоскость
* бутанол-2 Атом углерода, имеющий четыре различных заместителя, называют асимметрическим и обозначают *С
Молекулы, не обладающие элементами симметрии 2 рода и несовместимые со своим зеркальным изображением, называют хиральными Термин « хиральность » (рукоподобие, с heir – рука, греч. ) заключается в парности существованиии молекул, относящихся друг к другу как правая и левая рука (предмет и его зеркальное отображение). ХИРАЛЬНОСТЬ Асимметрический атом углерода – частный случай хирального центра
ХИРАЛЬНЫЕ МОЛЕКУЛЫ
ПРИЧИНЫ ХИРАЛЬНОСТИ
Оптическая активность может возникать и без хирального центра, за счет хиральности структуры всей молекулы в целом (молекулярная хиральность или молекулярная асимметрия). Наиболее характерными примерами являются наличие хиральной оси либо хиральной плоскости. Хиральная ось возникает, например, в алленах, содержащих различные заместители при sp 2 -гибридных углеродных атомах. Легко видеть, что приведенные ниже соединения являются несовместимыми зеркальными изображениями, а значит энантиомерами и обладают оптической активностью. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИРАЛЬНОСТЬ
СОЕДИНЕНИЯ С ХИРАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТЬЮ Транс-циклооктен Замещенный ферроцен
Гексагелицен имеет спиральную структуру, существует в виде энантиомеров, обладающих большим удельным оптическим вращением [ α] 20 /D = +6200°. (спиральная хиральность).
ЭНАНТИОМЕРЫ ТЕТРАКООРДИНИРОВАННОГО АТОМА Si Энантиомеры метил(1-нафтил)фенил силана. [ α] 20 D +32° и -32°
В алифатических аминах N находится в sp3- гибридизации и имеет пирамидальную конфигурацию, углы между связями 108°.Электронная конфигурация N подвержена инверсии с частотой 2,5 х 10 11 в сек. через тригональное переходное состояние. ~25 кДж/моль. Энантиомеры не выделены.
ЭНАНТИОМЕРЫ АЛЛИЛБЕНЗИЛ МЕТИЛФЕНИЛАММОНИЯ Соли четвертичных аммониевых оснований существуют в виде оптически активных энантиомеров. Энергия инверсии >100 кДж/моль
ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ Хиральные соединения обладают оптической активностью при пропускании через них плоскополяризованного света Плоскополяризованный свет
Поляризованный свет состоит из двух право- и лево- циркулярно поляризованных лучей
общая схема поляриметра 1 – источник света 2 – поляризатор 3 – поляриметрическая трубка 4 – анализатор
Один из стереоизомеров вращает плоскость поляризованного света по часовой стрелке и называется правовращающим (+), а второй — на такой же угол против часовой стрелки и называется левовращающим ( )
Величина вращения плоскости поляризованного света зависит от природы оптически активного вещества, его концентрации, длины пути, пройденного светом, длины волны плоскополяризованного света, температуры раствора, природы растворителя. Поэтому оптическую активность обычно выражают в единицах удельного вращения. Удельное вращение определяют как угол вращения плоскости поляризации раствором, содержащем в 1мл 1г оптически активного вещества при длине трубки 0,1м. Удельное вращение обозначается символом : в котором подстрочный индекс символизирует D -линию в спектре натрия (длина волны света 589,6 нм), а надстрочный индекс – температуру при которой проводилось измерение. Удельное вращение является константой оптически активного вещества и его значение для конкретных органических веществ можно найти в справочной литературе. Например, для (S) - молочной кислоты [ α] 20 /D = +2,26° (С1,24; вода). УДЕЛЬНОЕ ВРАЩЕНИЕ
МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА правовращаящая (+) левовращающая (-) оптически неактивная
ПРОЕКЦИОННЫЕ ФОРМУЛЫ ФИШЕРА Углеродную цепь располагают вертикально 2. Вверху располагают старшую функциональную группу 3. Хиральный атом углерода переносится на плоскость в точку пересечения горизонтальной и вертикальной линий 4. Расположенные по горизонтали заместители направлены к наблюдателю, а по вертикали – «уходят» от наблюдателя
ПРОЕКЦИОННЫЕ ФОРМУЛЫ Э.ФИШЕРА Заместители, обозначенные сплошными клиньями, направлены вперед от плоскости проекции, штрихованными – за плоскость проекции.
* *
Э.Фишер, М.А.Розанов (1906) КОНФИГУРАЦИОННЫЙ СТАНДАРТ ГЛИЦЕРИНОВЫЙ АЛЬДЕГИД
(+), D - глицериновый альдегид (-), L - глицериновый альдегид * * ПРОЕКЦИОННЫЕ ФОРМУЛЫ ФИШЕРА КОНФИГУРАЦИОННОГО СТАНДАРТА
ЭНАНТИОМЕРЫ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ Число стереоизомеров N = 2 n, где n -число хиральных центров (+), L - молочная кислота (-), D - молочная кислота
1. Формулы можно вращать в плоскости чертежа на 180 о, не меняя их стереохимического смысла: 2. Две (или любое четное число) перестановки заместителей у одного асимметрического атома не меняют стереохимического смысла формулы: . 3. Вместо перестановок проекционные формулы можно преобразовывать путем вращения любых трех заместителей по часовой стрелке или против нее; четвертый заместитель при этом положения не меняет (такая операция эквивалентна двум перестановкам): ОПЕРАЦИИ С ПРОЕКЦИОННЫМИ ФОРМУЛАМИ
Конфигурация - определенное пространственное расположение заместителей относительно хирального центра, плоскости цикла или двойной связи без учета различий в структуре за счет вращения групп по линии σ -связей.
ЭНАНТИОМЕРИЯ Энантиомеры – пары стереоизомеров, молекулы которых относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение в идеальном плоском зеркале и обладают в ахиральной среде одинаковыми физическими и химическими свойствами, кроме знака оптического вращения
РАЦЕМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ Смесь равных количеств энантиомеров называется рацемической ( рацематом ) Рацематы не обладают оптической активностью S N1 In vivo D -глюкоза L(+)-лактат гликолиз
СТЕРЕОИЗОМЕРЫ ЯБЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ Яблочная кислота (2- гидроксибутандиовая ) * *
Винная кислота (2,3- дигидроксибутандиовая ) N=2 2 - 4 стереоизомера (теоретически)
правило « оксикислотный ключ» (+)D-винная кислота (-)L-винная кислота мезовинная кислота энантиомеры У гидроксикислот, имеющих несколько хиральных центров, отношение к D- или L-ряду определяется по конфигурации верхнего хирального центра.
D- и L – винные кислоты - энантиомеры D-винная кислота и мезовинная к-та – диастереомеры L-винная кислота и мезовинная к-та – диастереомеры Диастереомеры — стереоизомеры, не являющиеся зеркальным отражением друг друга и обладающие различными физическими и химическими свойствами Смесь D- и L - винных кислот называют виноградной кислотой ( рацемическая смесь ) ЭНАНТИОМЕРЫ и ДИАСТЕРЕОМЕРЫ ВИННОЙ КИСЛОТЫ
СПОСОБЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ РАЦЕМАТОВ Механический 1848 г. Л.Пастер вручную разделил энантиоморфные кристаллы Na-NH 4 тартрата
СПОСОБЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ РАЦЕМАТОВ Микробиологический, (биохимический) - основан на использовании микроорганизмов, способных потреблять одну из энантиомерных форм Penicillium glaucum (+, - ) рацемат винной кислоты - винная кислота + винной кислоты Используют микроорганизмы
СПОСОБЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ РАЦЕМАТОВ Химический - энантиомеры переводят в диастереомеры с последующим их разделением смесь диастереомеров Химический
АФФИННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ разделение рацемической смеси с помощью оптически активных хиральных сорбентов Аффинная хроматография основана на способности хирального сорбента связывать более эффективно один из энантиомеров смеси Так, в биохимической практике при пропускании через хроматографическую колонку с хиральным сорбентом биоэкстрактов выделяют: белки - ферменты, моноклональные антитела, рецепторные белки и др.
В 1951 году голландский ученый Бийвоет с использованием особого метода рентгеноструктурного анализа определил абсолютную конфигурацию Cs,Rb- соли D- винной кислоты и некоторых солей аминокислот и таким образом подтвердил что правовращающий глицериновый альдегид имеет D -конфигурацию.
Убывание по часовой стрелке - R (от лат. rectu s правый) Убывание против часовой стрелки - S (от лат. sinister левый). R,S- номенклатура принадлежность к ряду R- или S - определяется порядком убывания старшинства заместителей у хирального центра Кан, Прелог, Ингольд Старшинство заместителей – по порядковому номеру в табл. Менделеева ( КИП )
R,S- НОМЕНКЛАТУРА взгляд S- изомер
R,S- номенклатура порядок старшинства: ОН > C 2 H 5 > CH 3 > H *
R,S- номенклатура * R -изомер S- изомер
СТЕРЕОИЗОМЕРЫ 2-ГИДРОКСИ 3-ХЛОРБУТАНДИОВОЙ КИСЛОТЫ Пары I,II и III,IV - энантиомеры; пары I,III и II,IV - диастереомеры
ДИАСТЕРЕОМЕРИЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В циклоалканах с двумя и более заместителями пары заместителей могут располагаться как по одну, так и по разные стороны условно плоских циклов: Транс-циклопентадиол-1,2 Цис-циклопентадиол-1,2 являются диастереомерами
СТЕРЕОИЗОМЕРЫ ЦИКЛОПРОПАН -1,2-ДИКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ Молекулы замещенных циклоалканов могут быть ахиральными и хиральными: зеркало Цис-циклопропан-1,2-дикарбоновая к-та ( R,R)- (S,S)- Транс-циклопропан-1,2-дикарбоновая к-та Мезо-форма
Цис-1,2-этилендикарбоновая к-та, малеиновая кислота Транс-1,2-этилендикарбоновая к-та, фумаровая кислота ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ, π -ДИАСТЕРЕОМЕРИЯ ( Z)- бутендиовая кислота (E)- бутендиовая кислота Zusammen- вместе Entgegen- напротив E,Z- номенклатура
С 17 Н 33 СООН Z- изомер E- изомер
В организме реакции протекают с участием биокатализаторов – ферментов. Ферменты построены из хиральных молекул α - L- аминокислот, поэтому они чувствительны к хиральности взаимодействующих с ними субстратов. Хиральными молекулами являются также углеводы, фосфолипиды, витамины, гормоны, нуклеиновые кислоты.
Комплементарность - пространствненная взаимодополняемость ( стерическое соответствие) поверхностей взаимодействующих молекул или их частей, приводящая, как правило, к образованию вторичных (ван-дер-ваальсовых, водородных,ионных ) связей между ними. Уникальность и прочность комплементарных структур определяется высокой избирательностью и значительной площадью гидрофобного взаимодействия на уровне атомных группировок или зарядов по принципу « ключ-замок » или « рука-перчатка ».
Комплементарное связывание L- аспарагина Некомплементарное связывание D- аспарагина Неэффективное связывание по двум точкам КОМПЛЕМЕНТРНОСТЬ СВЯЗЫВАНИЯ СУБСТРАТА АКТИВНЫМ ЦЕНТРОМ ФЕРМЕНТА
ТЕОРИЯ ФИШЕРА
Теория индуцированного соответствия Кошленда А)модель Фишера «ключа и замка» Б)модель «руки и перчатки» Кошленда
Олеиновая кислота t пл. 16 ° 9-октадеценовая кислота
(-) R - адреналин; 1(3,4-дигидроксифенил)- 2-метиламиноэтанол
схема взаимодействия энантиомеров адреналина с рецептором Наибольшую гормональную активность проявляет левовращающий адреналин («-», R- адреналин)
*
К теории топохимического соответствия
R,S- НОМЕНКЛАТУРА S- изомер R- изомер
бутанол-2
«Слово о пользе химии» « …медик без довольного знания химии совершенен быть не может…»
Высоковольтный электрофорез Для выделения соединения из биологического материала Хроматография: Тонкослойная Ионообменная Газовая Жидкостная Изоэлектрическое фокусирование Ультрацентрифугирование Для изучения состава сложных молекул Кислотный и щелочной гидролиз Избирательное расщепление определенных связей
Для определения структуры соединений Рентгеноструктурный анализ Электронография Электронный парамагнитнгый резонанс - ЭПР Ядерный магнитный резонанс - ЯМР Спектроскопия
«Химики и врачи – это те, кто на самом деле понимают мир» Л.Полинг
Биоорганическая химия — химическая дисциплина, изучающая пространственную структуру, свойства и механизмы превращений углеродистых соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности и влияющих на них, в непосредственной связи с их биологическими функциями БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Органическая химия природных соединений Молекулярная биология Биологическая химия
формирование системных знаний о взаимосвязи между пространственным строением, термодинамической устойчивостью, свойствами и функциями природных органических соединений, являющихся метаболитами и структурными компонентами биологических макромолекул (полисахаридов, пептидов, белков и нуклеиновых кислот)
Началом становления БОХ следует считать 1953г., когда ДюВиньо впервые получил химическим синтезом полипептидный гормон вазопрессин. Но без истории развития органической химии и химии природных соединений этот синтез был бы невозможным.
1. Эмпирический (с середины 18 в.до конца 19 в.).От первоначального знакомства человека с органическими веществами до возникновения органической химии как науки. Термин органическая химия был введен шведск.уч.И.Берцеллиусом для определения химии растительных и животных веществ.
2. Аналитический (конец 18-середина 19в.).Появились методы установления состава органических веществ. Было показано что все органические вещества содержат углерод, а также в их состав могут входить такие элементы как водород,азот, сера, кислород,фосфор. Период господства витализма – особой жизненной силы.
3. Синтетический. В 1828 г.Ф.Велер синтезировал орган. в-во мочевину из неорган.-цианата аммония и тем самым положил начало этому этапу развития органической химии. 4. Структурный (вт.половина19-начало 20в.).Рождение научной теории строения органических соединений-А.М.Бутлеров,Кекуле, Майер. 5. Современный и выделение БОХ (вторая пол.20в.).
Молекулярный Надмолекулярный Биоорганическая химия Бионеорганическая химия Биофизика Клеточный Тканевой, органный Гистология Патанатомия Организменный Микробиология Биохимия Клинические дисциплины Популяционный Биогеоценозный Биология Эпидемиология Генетика Биосферный Экология
– это особая форма существования биополимерных тел (систем), характеризующихся хиральной чистотой и способностью к самоорганизации и саморепликации в условиях постоянного обмена с окружающей средой веществом, энергией и информацией 1986 г. Жизнь
использование молекулярных моделей,т.е.синтетических пептидов,нуклеотидов,других биологически значимых молекул и биоорегуляторов; их модифицированных аналогов; проведение исследований как in vitro, так и in vivo ; стремление понять и объяснить почему клетка,ее структуры, макромолекулы, биорегуляторы устроены так, а не иначе на основе современных химических представлений.
Компонент Доля массы клетки, % Число молекул на клетку Число видов молекул НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 74,0 830 Вода 70 4,0 10 10 1 Неорганические ионы 1,0 2,5 10 8 20 Моносахариды и производные 1,0 2,0 10 8 250 Аминокислоты и производные 0,4 3,0 10 7 100 Нуклеотиды и производные 0,4 1,2 10 7 100 Липиды 1,0 2,5 10 7 50 Другие низкомолекулярные соединения 0,2 1,5 10 7 300 МАКРОМОЛЕКУЛЫ 26 4600 Белки 15 1,0 10 6 3000 РНК 6 3,0 10 4 1000 ДНК 1 4,0 10 6 1 Полисахариды 2 3,9 10 4 50 Фосфолипиды мембран 2 - 40 Всего: 100 - 5000
1.Низкомолекулярные метаболиты и биорегуляторы Оксикислоты Кетокислоты Аминокислоты Моносахариды Высшие жирные кислоты Витамины Гормоны Нуклеотиды и др. 2.Биомакромолекулы Полисахариды Белки Нуклеиновые кислоты Фосфолипиды Синтетические полимерные материалы, применяемые в медицине
Формулы Ньюмена
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ. СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ
Энергетическая характеристика конформаций этана
Благодарю за внимание
