ф.л.конфигур.


Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации:

Тема лекции 3: Основы современной теориипространственного строения органических соединений. Конфигурация и конформации Кафедра органической и биоорганической химии БГМУ Теоретическая основа ОХ 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. 1s22s22px12py12pz0 1s22s12px12py12pz1 I валентное состояние - sp3 - гибридизацияII валентное состояние – sp2 - гибридизация III валентное состояние – sp - гибридизация Химическое строение и структура 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 - sp3 - гибридизация 1s22s12px12py12pz1 Атом углерода- тетрагональный или тетраэдрический sp3 МОДЕЛИ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ Шаростержневые (Кекуле), скелетные (Дрейдинга), полусферические (Стюарта-Бриглеба). Тетраэдрический угол109,5 ° «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- С Н l – 0,109 нмЕ – 414 кДж/моль l – 0,154 нмЕ – 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 Определение конформаций 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 Сn 2 рода - плоскости симметрии σ- центры симметрии i- оси зеркального отражения Sn 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 4 оси 3-го порядка3 оси 2-го порядка6 плоскостей 1 ось 3-го порядка3 плоскости метанол этанол 1 ось 2-го порядка1 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, сheir – 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 sp2-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 ХИРАЛЬНОСТЬ ГЕКСАГЕЛИЦЕНА 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]20D +32° и -32° РАЗНООБРАЗИЕ ПРИЧИН ХИРАЛЬНОСТИ МОЛЕКУЛ В алифатических аминах N находится в sp3-гибридизации и имеет пирамидальную конфигурацию, углы между связями 108°.Электронная конфигурация N подвержена инверсии с частотой 2,5х1011 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 Поляризованный свет состоит из двух право- и лево- циркулярно поляризованных лучей ПОЛЯРИМЕТРИЯ общая схема поляриметра 1 – источник света2 – поляризатор3 – поляриметрическая трубка4 – 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. ПРОЕКЦИОННЫЕ ФОРМУЛЫ ФИШЕРА * * Относительная D-, L- номенклатура 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 = 2n, где n-число хиральных центров (+), L-молочная кислота (-),D-молочная кислота 1. Формулы можно вращать в плоскости чертежа на 180о, 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 Определение конфигурации 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 обладаютв 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 SN1 In vivoD-глюкоза L(+)-лактат гликолиз СТЕРЕОИЗОМЕРЫ ЯБЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ Яблочная кислота (2-гидроксибутандиовая) * * Стереоизомеры винной кислоты Винная кислота (2,3- дигидроксибутандиовая) N=22 - 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 - энантиомерыD-винная кислота и мезовинная к-та – диастереомерыL-винная кислота и мезовинная к-та – диастереомерыДиастереомеры — стереоизомеры, не являющиеся зеркальным отражением друг друга и обладающие различными физическими и химическими свойствамиСмесь D- и L - винных кислот называют виноградной кислотой (рацемическая смесь) ЭНАНТИОМЕРЫ и ДИАСТЕРЕОМЕРЫ ВИННОЙ КИСЛОТЫ СПОСОБЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ РАЦЕМАТОВ Механический1848 г. Л.Пастер вручную разделил энантиоморфные кристаллы Na-NH4 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. Абсолютная конфигурация стереоизомеров 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. rectus  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 >  C2H5 >  CH3 > 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 π-ДИАСТЕРЕОМЕРЫ ОЛЕИНОВОЙ К-ТЫ С17Н33СООН Z-изомер E-изомер СВЯЗЬ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СТРОЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ С ИХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ 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. Определение комплементарности 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 tпл. 16° 9-октадеценовая кислота Связь пространственного строения соединений с их биологической активностью ПРИРОДНЫЙ СТЕРЕОИЗОМЕР АДРЕНАЛИНА (-) R- адреналин; 1(3,4-дигидроксифенил)- 2-метиламиноэтанол схема взаимодействия энантиомеров адреналина с рецептором Наибольшую гормональную активность проявляет левовращающий адреналин («-»,R-адреналин) талидомид * ПАМЯТНИК ЖЕРТВАМ ТАЛИДОМИДА БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ! К теории топохимического соответствия R,S-НОМЕНКЛАТУРА S-изомер R-изомер бутанол-2 М. Ломоносов 1751 «Слово о пользе химии»« …медик без довольного знания химии совершенен быть не может…» Высоковольтный электрофорез Для выделения соединения из биологического материала Хроматография: ТонкослойнаяИонообменнаяГазоваяЖидкостная Изоэлектрическое фокусирование Ультрацентрифугирование Для изучения состава сложных молекул Кислотный и щелочной гидролиз Избирательное расщепление определенных связей Методы биоорганической химии Для определения структуры соединений Рентгеноструктурный анализ Электронография Электронный парамагнитнгый резонанс - ЭПР Ядерный магнитный резонанс - ЯМР Спектроскопия Эпиграф к курсу лекций по БОХ «Химики и врачи – это те, кто на самомделе понимают мир» Л.Полинг БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 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 Цель изучения биоорганической химии - 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) История становления биоорганической химии 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. Этапы развития химии природных соединений 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. Этапы развития органической химии 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. Этапы развития органической химии. 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.). Уровни исследования живых организмов МолекулярныйНадмолекулярный Биоорганическая химияБионеорганическая химияБиофизика КлеточныйТканевой, органный ГистологияПатанатомия Организменный МикробиологияБиохимияКлинические дисциплины ПопуляционныйБиогеоценозный БиологияЭпидемиологияГенетика Биосферный Экология акад. Виталий Гольданский – 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 информацией1986 г. Жизнь Специфика биоорганического подходак изучению жизнедеятельности 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. Объекты, изучаемые биоорганической химией Компонент Доля массы клетки, % Число молекул на клетку Число видов молекул НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 74,0  830 Вода 70 4,01010 1 Неорганические ионы 1,0 2,5108 20 Моносахариды и производные 1,0 2,0108 250 Аминокислоты и производные 0,4 3,0 107 100 Нуклеотиды и производные 0,4 1,2107 100 Липиды 1,0 2,5 107 50 Другие низкомолекулярные соединения 0,2 1,5107  300 МАКРОМОЛЕКУЛЫ 26  4600 Белки 15 1,0 106  3000 РНК 6 3,0 104 1000 ДНК 1 4,0 106 1 Полисахариды 2 3,9 104 50 Фосфолипиды мембран 2 - 40 Всего: 100 - 5000 Объекты, изучаемые биоорганической химией 1.Низкомолекулярные метаболиты и биорегуляторы ОксикислотыКетокислотыАминокислотыМоносахаридыВысшие жирные кислотыВитаминыГормоныНуклеотиды и др. 2.Биомакромолекулы ПолисахаридыБелкиНуклеиновые кислотыФосфолипидыСинтетические полимерные материалы, применяемые в медицине Конформационные стереоизомеры Формулы Ньюмена ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ. СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ Энергетическая характеристика конформаций этана В завершение лекции

Приложенные файлы

  • ppt 23600412
    Размер файла: 7 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий