Слесарев. Основы Химии живого

ным. Рассмотрим составление названия органических соедине­ ний по международной номенклатуре на следующих примерах:

Многообразие органических соединений обусловлено в зна­ чительной мере явлением изомерии.

Изомерами называются соединения с одинаковым каче­ ственным и количественным составом, но отличающие­ ся последовательностью связывания атомов или распо­ ложением их в пространстве.

Даже минимальные структурные различия между изомера­ ми биомолекул приводят к заметным различиям в их физиче­ ских и химических свойствах и очень сильно влияют на их био­ логическую активность. Возможны следующие типы изомерии:

структурная и пространственная (стереоизомерия).

С т р у к т у р н а я и з о м е р и я . Этот тип изомерии обуслов­ лен различным взаимным расположением атомов в молекулах.

* Название сложных заместителей обычно заключается в скобках. Цифры в скобках относятся к нумерации боковой цепи, причем нуме­ рация начинается с того атома углерода, который непосредственно связан с главной цепью.

381

При этом различают изомерию углеродного скелета и изомерию положения.

И з о м е р и я у г л е р о д н о г о с к е л е т а обусловлена спо­ собностью атомов углерода образовывать как прямые ( нормаль­ ные) углеродные цепи, так и разветвленные цепи с различной

степенью разветвления. Например, у пентана имеются три изо­ мера:

нием заместителей, функциональных групп или кратных связей в молекулах органических соединений одинакового состава. На­ пример:

сн 3—сн 2— сн—сн 2—сн 3

- перемещение кратной связи по цепи:

- взаимное расположение заместителей в соединениях аро­ матического ряда:

Для рассмотренных видов структурной изомерии взаимное превращение изомеров друг в друга при обычных условиях от­ сутствует. Особым случаем структурной изомерии является тау­ томерия.

382

Таутомерия - явление равновесной динамической изо­ мерии, при которой происходит быстрое обратимое са­ мопроизвольное превращение структурных изомеров, со­ провождаемое миграцией подвижной группы между дву­ мя или несколькими центрами в молекуле.

Таутомерия свойственна соединениям, в молекулах которых име­ ются разные реакционноспособные группировки. Например, в мо­ лекулах природных аминокислот имеются две группы с противо­ положными свойствами: аминогруппа - основные свойства - и карбоксильная группа - кислотные свойства (разд. 8.2). Между этими группами осуществляется перенос протона, и поэтому такой вид изомерии называется прототропной таутомерией.

Для обозначения таутомерного равновесия в учебнике исполь­ зованы пунктирные стрелки.

H2N—CHR—СООН ~ * * H3N—CHR—СОО"

Для всех природных аминокислот в кристаллическом состоя­ нии и в водных растворах наиболее устойчив таутомер, имеющий структуру биполярного иона. Его содержание превышает 99,9%. Поэтому в учебнике все природные а-аминокислоты всегда изо­ бражены в виде таутомера с биполярно-ионной структурой.

Прототропная таутомерия бывает разных видов: кето-еноль- ная (разд. 18.2.3), лактим-лактамная (разд. 23.2) и др. Кроме прототропной таутомерии в природных соединениях наблюдает­ ся кольчато-цепная таутомерия, которая особенно характерна для углеводов (разд. 2 2 .1).

П ространственная изомерия (ст е ре ои зо ме ри я) . Пространственная изомерия в молекуле обусловлена различным пространственным расположением атомов при одинаковом по­ рядке их связывания.

Стереоизомеры - изомеры, имеющие одинаковую после­ довательность химических связей атомов, но различное расположение этих атомов относительно друг друга в пространстве.

Стереоизомеры могут различаться конформацией и конфигу­ рацией.

Конформациями молекулы называются различные ее

«пространственные формы, возникающие в результате вращения атомов или групп вокруг ординарных связей.

Стереоизомеры, различие между которыми обусловлено поворо­ том отдельных участков молекулы вокруг ординарных связей, называются конформерами. Наиболее стабильными и энергети­

чески выгодными конформерами являются те, в которых между несвязанными атомами или их группами межатомное отталкива­ ние наименьшее; их называют заторможенными конформерами.

Конформеры, где атомы или их группы расположены близко друг

383

к другу, являются нестабильными и называются заслоненными.

Фактически различные конформеры находятся в динамическом равновесии, и возможность перехода одного конформера в дру­ гой определяется энергетическим барьером вращения, который

составляет 10-50 кДж/моль. Поскольку энергетический барьер вращения невелик, то переход из одной конформации в другую осуществляется легко, и поэтому выделить конформеры в каче­ стве устойчивых изомеров нельзя. Внутреннее вращение вокруг простых связей ограничивается или даже затормаживается в случае высокого энергетического барьера вращения.

Для изображения результатов вращения по связи С—С удоб­ но пользоваться проекционными формулами Ньюмена (1955). Эти проекции получают, рассматривая молекулу вдоль С—С связи, вокруг которой происходит вращение. Ближайший к наблюда­ телю атом углерода обозначается точкой пересечения его связей

, а удаленный от наблюдателя атом углерода и его связи -

ций Ньюмена и стереохимических формул изображено враще­ ние метильных групп вокруг связи С—С в молекуле этана.

Вдлинных углеродных цепях вращение возможно вокруг нескольких С—С связей. Поэтому вся цепь может принимать разнообразные геометрические формы, среди которых зигзаго­ образная конформация наиболее устойчива. Именно эта кон­ формация характерна для гидрофобных фрагментов природных жирных кислот и их производных.

Вциклических соединениях вращение вокруг ординарных связей ограничено, что приводит к возникновению определенных

Проекции

Ньюмена

н

Стереохимические

формулы

Рис. 15.1. Проекции Ньюмена и стереохимические формулы засло­ ненного и заторможенного конформеров молекулы этана

384

н

н

Рис. 15.2. Циклогексан в конформациях ванны и кресла

конформаций. В природных соединениях особенно часто встреча­ ется фрагмент, содержащий циклогексановый цикл. Атомы уг­ лерода в этом цикле находятся в состоянии #]73-гибридизации,

и, следовательно, их химические связи не лежат в одной плос­ кости. У циклогексана возникают два конформера типа кресла и ванны (рис. 15.2). В конформации «кресло», в отличие от кон­

формации «ванна», не имеется заслоненных положений атомов водорода, поэтому она термодинамически более устойчива. При комнатной температуре молекулы циклогексана существуют практически только в конформации кресла.

Производные циклогексана, содержащие два и более объем­ ных заместителя, имеют такую конформацию, в которой эти за­ местители располагаются наиболее удаленно друг от друга, на­ пример по разные стороны от плоскости цикла.

Биологическое действие многих лекарственных веществ и био­ регуляторов (гормоны, витамины, антибиотики и др.) тесно свя­ зано с пространственным строением их молекул. Для йаиболее полного связывания этих веществ рецепторами клетки они долж­ ны иметь определенную конформацию. Изменение конформа­ ции, как правило, снижает степень связывания и ослабляет биологическое действие. О конформации белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот речь пойдет в разд. 21.4, 22.3 и 23.3.

Стереоизомеры могут отличаться не только конформацией, но и конфигурацией.

Конфигурациями молекул называются разные про­ странственные расположения атомов или групп, кото­ рые не могут быть переведены друг в друга простым вращением вокруг связей.

В отличие от конформационных изомеров, которые легко пре­ вращаются друг в друга, конфигурационные изомеры устойчи­ вы. Различают два вида конфигурационной изомерии: геометрическуЮу или цис-транс-изомерию, и оптическую изомерию.

Г е о м е т р и ч е с к а я и з о м е р и я . Стереоизомеры, отли­ чающиеся друг от друга расположением заместителей по отноше­ нию к плоскости двойной связи или цикла, называются геомет­ рическими изомерами. Изомер, содержащий одинаковые замес­ тители по одну сторону от плоскости связи (цикла), называется

цис-изомером, а если они расположены с противоположных сто­ рон - транс-изомером:

цис-транс-Изомеры отличаются друг от друга не только фи­

зическими и химическими свойствами, но и биологической ак­ тивностью, на что уже было указано в разд. 1 0 .2 .

Геометрическая изомерия часто встречается среди природных соединений, в частности сопряженных полиенов. Так, ретинальактивная форма витамина А представлена в организме в виде тра«с-изомера, который под действием фермента ретинальизомеразы превращается в цис-ретиналь. При поглощении света проте­ кает фотоизомеризация цас-ретиналя обратно в транс-изомер. Эта

реакция лежит в основе возбуждения палочек сетчатки глаза.

Н2

О п т и ч е с к а я и з о м е р и я . Она характерна для несиммет­ ричных соединений, у которых в молекуле имеется атом угле­ рода в состоянии $р3-гибридизации, связанный с четырьмя раз­

личными атомами или группами. Такой атом углерода называет­ ся асимметрическим и обозначается С*. Оптические изомеры

отличаются друг от друга как несимметричный предмет от сво­ его изображения в зеркале, и их нельзя перевести друг в друга путем внутреннего вращения (рис. 15.3). Другими словами, изомеры L и D относятся друг к другу как левая рука к правой и они несовместимы. Это свойство называется хиральностью (от греч. xeipo£ - рука), а асимметрический атом - лтральным центром. В большинстве случаев наличие хирального атома в

молекуле уже служит указанием на ее хиральность.

У оптических изомеров физические и химические свойства идентичны, но по отношению к плоскополяризованному свету они ведут себя по-разному. Один из изомеров называется левовращаю-

386

Б-(-)-энантиомер Ь-(+)-энантиомер молочной кислоты

Рис. 15.3. Хиральные объекты

щим, так как он поворачивает плоскость поляризации света на определенный угол влево (т. е. против часовой стрелки) и обозна­ чается (-), а другой изомер - вправо на такой же угол и называет­ ся правовращающим (+). Оптические изомеры называют также

оптическими антиподами или энантиомерами. Эквимолярная смесь энантиомеров называется рацематом. Рацематы оптически

неактивны. Таким образом, эыантиомеры одного и того же вещест­ ва не могут непосредственно перейти друг в друга, и поэтому оп­ тическая изомерия не может иметь равновесный характер.

Хиральность характерна для всех природных аминокислот, кроме глицина, поскольку их молекулы содержат асимметричный

атом углерода, вокруг которого располагаются четыре различных

+

заместителя (—R, —Н, —С0 0 “, — N H 3) :

R R

L-(- )-энантиомер 0 -(+)-энантиомер

а-аминокислоты

Оптические изомеры а-аминокислот в соответствии с их ис­ тинной конфигурацией обозначаются буквами L и D, а по новой системе - S и R соответственно. Природные а-аминокислоты в подавляющем большинстве относятся к Ц 8 )-энантиомерам ле­

вовращающим (-). Использование для построения белков в ор­ ганизме человека только L-энантиомеров имеет важнейшее зна­ чение для формирования пространственной структуры белков. С этим непосредственно связана стереоспецифичность действия ферментов. Молекулы ферментов хиральны и вступают во взаи­ модействие только с теми субстратами, которые также имеют определенную конфигурацию. Поэтому биологической активно­ стью обычно обладает лишь один стереоизомер, а другие значи­ тельно менее активны или вообще неактивны.

1 5 .3 . ПОНЯТИЕ О ВЗАИМНОМ ВЛИЯНИИ АТОМ ОВ В МОЛЕКУЛЕ И ЭЛЕКТРОННЫ Е ЭФ Ф ЕК ТЫ

Согласно теории А. М. Бутлерова свойства и реакционная способность молекулы во многом зависят от взаимного влияния атомов или групп атомов друг на друга.

Врезультате взаимного влияния атомов и электронов связей

вмолекулах происходит перераспределение электронной плотно­ сти, что вызывает изменение реакционной способности отдельных связей и молекулы в целом. Замена в соединении атома одного элемента атомом другого элемента или группой атомов приводит не только к изменению распределения электронной плотности в новой связи, но и вызывает соответствующие изменения электрон­ ных плотностей нескольких соседних связей. Различают электро­

местители. При рассмотрении электронных смещений необходи­ мо четко различать электронные эффекты в насыщенных систе­ мах связей и в сопряженных системах (разд. 2.1.3).

Электронные эффекты в насыщенных системах. Замести­ тель, вызвавший появление в молекуле полярной связи, спо­ собствует поляризации ближайших двух-трех а-молекулярных орбиталей (a-связей) и приводит к возникновению частичных зарядов (8) на соседних атомах. Такой электронный эффект за­ местителя называется индуктивным (/-эффект).

Индуктивный эффект - влияние заместителя на элек­ тронную плотность молекулы путем смещения элек­ тронов а-связей.

«

Направление индуктивного эффекта заместителя принято ка­ чественно оценивать путем сравнения с атомом водорода, индук­ тивный эффект которого условно принят за 0. Электроноакцеп­ торные заместители (X), уменьшающие электронную плотность соседних a-связей, проявляют отрицательный индуктивный эф­ фект (-/). Электронодонорные заместители (Y), увеличивающие электронную плотность соседних a-связей, проявляют положи­

тельный индуктивный эффект (+J).

Э л е к т р о н о а к ц е п т о р н ы м и з а м ес т ит е ля ми ( -/) яв­ ляются: —F, —Cl, —Br, —I, —ОН, —OR, —NH2, —NR2, —N+R3,

^ С = 0 , —СООН, —NO2, —SO3H; они оттягивают на себя общую

электронную пару a-связи, вызывая появление частичных по­ ложительных зарядов (8+) на соседних атомах.

+\

388

Э л е к т р о н о д о норными з а м е с т и т е л я м и (+/) являются алкильные гр шпы (—СНз, —С2Н5, —С(СНз)з), анионные группы —0 ~, —S томы металлов. Они способствуют повыше-

нию электронной ш отности в цепи и появлению частичных отрицательных заряде в (8-) на соседних атомах,

Графически дейс вие индуктивного эффекта изображают стрелкой, совпадающей с положением черточки связи и направленной острием в сторону |>олее электроотрицательного атома. Индуктивный эффект из- *а слабой поляризуемости ст-связей быстро затухает по углерод [ой цепи: 8' > 8" > 8'".

Электронные эф }>екты в сопряженных системах. В отличие от насыщенных сис ем, в которых электронное влияние заместителя (индуктивнь й эффект) передается по a-связям, в сопряженных системах в передаче электронного влияния участвуют электроны я-молеку лярных орбиталей (я-электроны) делокализованных связей, П уи этом заместитель сам является участни-

ком сопряженной системы. Такой вид передачи электронного эффекта называете* мезомерным (М-эффект) или эффектом сопряжения.

Мезомерный эффект - влияние заместителя на электронную пло пностъ молекулы путем смещения п-элек- тронов крат/ ых связей или неподеленных электронных пар гетероат шов.

Смещение подви жных электронов в результате мезомерного эффекта графическ] обозначается изогнутыми стрелками, начало которых показ ывает, какие я- или р-электроны смещаются, а их конец указ ывает связь или атом, к которым они смещаются. В отличие от индуктивного, мезомерный эффект не затухает в пределах всей сопряженной системы, так как я- и р-

электроны более шц вижны, чем а-электроны.

Заместители, сп >собные к отдаче своей пары электронов в общую сопряженну b систему, являются электронодонорными и проявляют полож ^тельный мезомерный эффект. +М-Эффект характерен для залеестителей, содержащих гетероатомы с неподеленной парой : лектронов или целым отрицательным зарядом:

/ Г ?

X’

X = —(>Н, —OR, —O', —NH2, —NR2, —F, — Cl, —Br, — I

Заместители, явл яющиеся участниками сопряженной системы и содержащие кратхг по связь с электроотрицательным атомом, от-

тягивающим на себ) делокализованную электронную плотность системы, проявляют Отрицательный мезомерный эффект (-М ):

389