Министерство образования российской федерации
Самарский государственный университет
Химический факультет
Кафедра органической химии
Специализация органическая химия
СИНТЕЗ 5`-Р-(ДИАМИНОАДАМАНТИЛ)- 2`,3`-О-ИЗОПРОПИЛИДЕНАДЕНОЗИН-МОНОФОСФАТА
Курсовая работа
Выполнила студентка
4 курса 441 группы
Зенина Наталья Ивановна
________________________
Научный руководитель д.х.н.
проф. Пурыгин П.П.
________________________
Работа защищена
²_____²____________2003 г.
Оценка__________________
Зав. каф. ОХ д.х.н.
проф. Пурыгин П.П.
________________________
Самара
2003
СОДЕРЖАНИЕ
| 1. Введение | 3 |
| 2. Обзор литературы | 4 |
| 2.1. Перспективы использования адамантана | 4 |
| 2.2.Фармакологические свойства адамантана | 5 |
| 2.3. Клиническое применение производных адамантана | 5 |
| 2.4. Противовирусная активность производных адамантана | 8 |
| 2.5. Противоспидовая активность производных адамантана | 9 |
| 2.6. Противоопухолевая активность производных адамантана | 13 |
| 2.7. Другие биологически активные производные адамантана | 14 |
| 2.8. Синтез адамантансодержащих соединений включающих пуриновые и пиримидиновые кольца | 16 |
| 3. Экспериментальная часть | 19 |
| 3.1. Реагенты и оборудование | 19 |
| 3.2. Синтез 2`,3`-о-изопропилиденаденозина | 19 |
| 3.3. Синтез 5`-р-(дихлор) -2`,3`-о-изопропилиденаденозинмонофосфата | 20 |
| 3.4. Синтез аминоадамантана | 20 |
| 3.5 Синтез 5`-р-(диаминоадамантил)- 2`,3`-о-изопропилиденаденозин-монофосфата | 21 |
| 4. Обсуждение результатов | 22 |
| 5. Вывод | 26 |
| 6. Список использованных источников | 27 |
1.ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы: В современной химии одной из актуальных проблем является синтез биологически активных производных адамантана, которые в дальнейшем могут быть использованы как лекарственные препараты при лечении онкологических больных в том числе и ВИЧ-инфицированных.
Целью данной работы является синтез модифицированного нуклеозида по углеводной части молекулы, к которым в последние десятилетия сильно возрос интерес, как к потенциальным противоопухолевым и противовирусным препаратам.
Практическая ценность работы состоит в получении нового производного адамантана, биологическая активность которого обусловлена особенностями структуры адамантана, его симметрией, большим объемом и значительной липофильностью молекулы. Так уже в 70-е гг. XX в. в медицине широко использовали аминопроизводные адамантана, обладающие противовирусной активностью в отношении штаммов вирусов гриппа А и В [1].
Научная новизна: Показана принципиальная возможность получения 5`-р-(диаминоадамантил)-о-изопропилиденаденозинмонофосфата.
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
2.1. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АДАМАНТАНА
Химия адамантана и его производных является сравнительно молодым разделом органической химии (со времени обнаружения адамантана в нефтях прошло примерно 70 лет). В то же время, наблюдается постоянный рост числа исследований в этой области, особенно начиная с 70-х годов ХХ столетия. Одной из причин этого является перспективность практического использования его производных.
На основе адамантана получают алмазоподобные пленки (свое название адамантан получил от греческого “непобедимый” – греческое название алмаза), по своей твердости лишь в 3 раза уступающие алмазу. Они были получены из паров адамантана при наложении двух видов электрического разряда – тлеющего и высокочастотного.
Алкиладамантаны используют как углеводородное реактивное топливо. Масла, полученные на основе алкиладамантанов обладают термостойкостью, низким индексом вязкости, поэтому их рекомендуют использовать в качестве кабельного масла. Также алкиладамантаны обладают бактерицидным действием, вследствие чего рекомендовано использовать их в качестве антимикробных присадок к смазочным материалам.
Известно, что Управление вооружений армий США намеревалось провести испытания нового взрывчатого вещества – 1,3,5,7-тетранитроадамантана, обладающего высокой стойкостью к ударным нагрузкам и в то же время по эффективности превосходящего “классический” тол.[2]
Перфторированный адамантан применяется в качестве компонента искусственной крови. [3]
2.2. ФАРМОКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АДАМАНТАНА
Высокая липофильность и объемная структура адамантильного радикала при его введении в молекулы различных биологически активных соединений в значительной мере модифицирует их фармакологическое действие. Таким образом была модифицирована структура ряда антимикробных, противоопухолевых, иммунодепрессивных, гормональных, аналгетических, противовоспалительных, нейротропных средств. [133] Так введение адамантила в 1-β-D-арабинофуранозил, цитозин привело к пролонгированию эффекта полученного соединения. При этом молекулярный механизм действия этого вещества не изменяется, так как для проявления им цитостатической активности требуется гидролиз и освобождение от адамантана. Присоединение адамантильного радикала к пуриновому антиметаболиту 6- тиоинозину также усилило иммуносупрессивную активность производного по сравнению с исходным соединением. [4]
Предполагают, что модификация биологической активности связана с изменением пространственного строения, гидрофобности и липофильности соединений, более благоприятными условиями их транспорта через биологические мембраны. [3]
На данный момент синтезировано более 1000 новых производных адамантана, в том числе и по мостиковому положению. Фармакологическое изучение показало наличие среди них веществ, обладающих выраженной психотропной, курареподобной, иммунотропной, противовирусной, антикаталептической, противоаллергической активностями, а также соединений, влияющих на ферментативную систему печени. [5]
2.3. КЛИНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ АДАМАНТАНА
Введение в адамантан в положение 1 или 3 различных заместителей приводит к тому, что его можно использовать во многих областях медицины. Еще в 1966 г. в медицинскую практику был введен гидрохлорид 1-аминоадамантана в качестве антивирусного средства. В медецине это соелинение часто называют мидантаном или амантадином, но фирменное название симметрел: [2]
Изначально его применяли только как антигриппозный препарат. В настоящее же время мидантан наиболее часто используется в неврологической клинике для лечения болезни Паркинсона и паркинсонического синдрома (паркинсонизм является одним из наиболее распространенных заболеваний центральной нервной системы и встречается у 1-2,5% людей, причем риск заболевания с возрастом увеличивается). [4]
Механизм действия симметрела состоит в том, что он не убивает вирусы, а лишь блокирует их проникновение в клетку, вследствие чего он особенно эффективен для профилактики и на ранних этапах заболевания. Имеется, однако, другая точка зрения на механизм действия препарата, согласно которой аминоадамантан и его производные “вмешиваются” в ранние этапы репродукции вирусов, а их ингибирующее действие связано с латентным периодом – началом репликации и синтеза вирусспецифических РНК. [2]
В качестве других средств против заболеваний центральной нервной системы в клинике прошли испытания бемантан (I) (2-(N-бензоиламино)адамантан), димантан (II) (2,2`-ди(адамантил)амин гидрохлорид), кемантан (III) (1-гидроксиадамантан-4-он), адапромин (IV) (2-этил-1-адамантанметиламина гидрохлорид) и мемантин (V) (1,3-диметил-5-аминоадамантана). [4]
В медицине широко используется ремантадин (VI) (2-метил-1-адамантанметиламина гидрохлорид) как антигриппозное лекарственное вещество. [2] Помимо этого ремантадин ингибирует репродукцию вируса Синдбис из-за того, что он как липофильное слабое основание способен повышать рН эндосомального содержимого и препятствует депротенизации вируса. [6]
2.4. ПРОТИВОВИРУСНАЯ АКТИВНОСТЬ АДАМАНТАНА
Среди вирусных инфекций грипп и другие острые заболевания дыхательных путей, вызываемые РНК-содержащими вирусами, занимают ведущее место. Поскольку стадии размножения вируса в зараженной клетке еще до конца не изучены, то трудно сказать с каким именно процессом связано противовирусное действие активных производных адамантана. Однако установлено, что производные адамантана не влияют на адсорбцию вирусных частиц на поверхности чувствительных клеток и проникновение вируса в клетку [7].
Как уже упоминалось, антивирусной активностью обладают аминопроизводные адамантана (ремантадин и симметрел). Механизм их действия связан с блокированием функции ионных каналов клетки или белка вируса группы А. В институте нефтехимического синтеза были разработаны новые лекарственные вещества, которые ингибировали репродукцию вирусов гриппа А и В, а также вирусов простого герпеса. Эти лекарственные вещества представляют собой комплексные препараты адамантанов и полимерных матриц (поликарбоксилаты анионного типа на основе малеинового ангидрида и дивинилового спирта). Данные соединения обладают токсичностью в 5-10 раз ниже, чем у ремантадина [8].
Также осуществлена трехкомпонентная конденсация инозиндиальдегида, пропандиенфосфонистой кислоты и 1-аминометиладамантана, приведшая к образованию 9-[(1`,4`-морфолил)-3`-окси-N`-(1-адамантилалкил)-5`-пропандиенфосфинат-6`-оксиметил-2`]-гипоксантинов, обладающих противовирусной активностью в отношении РНК и ДНК-содержащих инфекционных и онкогенных вирусов [3].
Из литературных данных известно, что одним из лекарственных средств против вируса гриппа А и В является 2-(адамант-2-ил) пиперидин [9]:
2.5. ПРОТИВОСПИДОВАЯ АКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДНЫХ
АДАМАНТАНА
Число людей заразившихся и умерших от СПИДа постоянно возрастает, лекарственные вещества не всегда эффективны. По этим причинам актуально использовать в качестве иммунорегуляторов, в частности, для борьбы с вирусом СПИДа, аминоадамантановые производные следующей формулы:
где R-R3 =H, арил, гетерофил, замещенный или незамещенный Nh3, алкил, алкенил, алкинил [10].
Анти-ВИЧ-активностью обладает также кемантан (III). Это было показано в экспериментах с использованием ВИЧ-инфицированных человеческих МТ-4 лимфобластодных клеток. Кемантан при добавлении в культуру указанных клеток после их заражения вирусом, обладал анти-ВИЧ-активностью в широком диапазоне концентраций. При концентрации 500 мкг /мл он ингибировал экспрессию вирусных протеинов на поверхности инфицированных клеток на 50%. При этом наблюдалось уменьшение (на 30% по сравнению с контролем) выхода растворимых ВИЧ-антигенов в культурную среду [11].
Японские исследователи разработали метод синтеза производных 3`-азидо-3`-дезокситимидина содержащих фрагмент адамантана в положении 5`-нуклеозида. Изучение биологического действия сложного эфира (VIII), полученного из азидотимидина (VII) и (1-адамантил)-уксусной кислоты, показало, что его концентрация в паренхиматозной ткани головного мозга в 18 раз превышает величину, полученную в сравнительном эксперименте с 3`-азидо-3`-дезокситимидином. Следовательно, введение фрагмента адамантана в 3`-азидо-3`-дезокситимидин облегчает транспорт этого лекарственного средства в ткани головного мозга, куда проникает вирус СПИДа и поражает центральную нервную систему.
Схема 1.
С целью поиска новых антиспидовых препаратов осуществлен синтез 3`-(1-адамантил) тиоуреидопроизводного тимидина (Х) взаимодействием 3`-аминотимидина (IX) с (1-адамантилфосфонил) фосфата (XI) с монофосфатом азидотимидина (XII) [3].
Схема 2.
Схема 3.
Патентуют использовать в качестве противовирусноактивных соединений, в том числе в отношении ВИЧ, полимерные аналоги адамантана.
где n=30-50
x=0,1-0,25
M=H, Nh3, щелочные металлы
Z=группа ab
a= NH, O
b=C1 -C8 алкилен [12].
2.6. ПРОТИВООПУХОЛЕВАЯ АКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДНЫХ
АДАМАНТАНА
Патентуют способ лечения рака путем вызывания апоптоза раковых клеток с помощью соединений формулы:
где W=Ch3, O, S, SO, SO2
R1 =H, галоген, алкил
R2 =ОН, замещенный алкил, незамещенный алкил
R3 =Н, ОН, алкил, алкокси
R4 =Н, алкил, галоген, алкоксил
R5 =галоген, замещенный алкил, незамещенный алкил
R6 =Н, ОН, галоген, алкокси
R7 =Н, галоген
R8 =Н, галоген, алкил
R9 =Н, ОН, галоген
Y=алкил, алкилен, О, С=N
|
Nh3
Z=N, CH
X=Q, Q1, Q2. [13]
Противоопухолевая активность среди адамантанзамещенных фософорилированных нуклеозидов найдена у 5`-o-(1-адамантилалкил)фосфорилпроизводных 1-β-D-арабинофуранозилцитозина [3].
Сложные эфиры адамантанкарбоновой кислоты и некоторые нуклеотиды общего строения
(где R=6-азаурацил, 6-меркаптопурил, аденин, гипоксантин) проявляют антиопухолевую активность.[14]
2.7. ДРУГИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
АДАМАНТАНА
Замещенные амиды адамантанкарбоновой кислоты могут служить снотворными средствами. Введение адамантильного остатка в 2-оксинафтохинон приводит к получению антималярийных препаратов. [14]
Адамантиламиноспирты и их соли обладают выраженным психостимулирующим действием и при этом мало токсичны. [15]
Некоторые N-(адамант-2-ил)анилины проявляют нейротропную активность [16], а биологическая активность N-(адамант-2-ил)гексаметиленимина проявляется по отношению к паркинсоническому синдрому [17].
В качестве иммунодепрессантов и как противовоспалительные средства предлагается включать в состав лекарственных препаратов соединения следующего строения:
где R=H, Ph
R1 =H, алкил
А=адамантил
Х=О
Y=ОН
Извилистая линия обозначает С1 -С5
В=фениленовое или циклогексиленовое кольцо. [18]
Предложен способ лечения лейкемии и других заболеваний, связанных с недостаточностью функций ионотропных ацетилхолиновых рецепторов. Способ основан на использовании лекарственных форм, содержащих производные адамантана следующей структуры:
где R1 и R2 =H, алкил, или вместе с атомом азота образуют гетероциклическое кольцо.
R3 и R4 =Н, алкил, циклоалкил или фенил
R5 =Н или фенил [19].
Из литературных данных известно, что данные вещества могут быть использованы как лекарственные средства для борьбы с нейродегенеративными заболеваниями мозга человека и животных, в частности, вызываемых белками – прионами (заболевание скрапия). Данные белки вызывают гибель нейронов. Производные адамантана типа (XIV) ингибируют действие этих белков [20].
Кроме того алкильные производные аминоадамантана схожие по строению с соединениями типа (XIV) могут применяться для лечения заболеваний внутреннего уха и шума в ушах [21].
2.8. СИНТЕЗ АДАМАНТАНСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ
ВКЛЮЧАЮЩИХ ПУРИНОВЫЕ И ПИРИМИДИНОВЫЕ КОЛЬЦА
Высокая биологическая активность и малая изученность производных адамантана приводит к высокому интересу по синтезам новых производных адамантана. Так реакцией присоединения 1,3-дегидроадамантана к 2-метилпиридину (2-пиколину) был получен 2-(адаман-1-илметил)пиридин [22]. Патентуется способ получения 5-[3(4)-R-1-адамантил]-пиримидинов общей формулы:
где R, R1 =Н, Рh, низший алкил.
R1, R2, R3, R4 =Н, ОН, NН2, галоген.
Данные соединения были получены взаимодействием адамантанола-1 с соответствующим пиримидиновым основанием в среде трифторуксусной кислоты при молярном соотношении адамантанол: пиримидиновое основание: трифторуксусная кислота 1: 1: 6 [23].
Преображенской и сотрудниками было осуществлено взаимодействие уридина с дихлорангидрином 1-адамантилфосфоновой кислоты в пиримидине. В результате получили неразделимую смесь двух веществ [4]. Дальнейшие исследования показали, по данным ЯМР, масс-спектроскопии и отсутствию подвижности при электрофорезе на бумаге в фосфатно-щелочном (рН 7,7) и боратном (рН 9,2) буферах, полученные соединения являются изомерными цикло-(1-адамантил)фосфонатами уридина (IIa) и (IIIa):
где X=OH – a
X=OAc – б
Х=F – в
Аналогичные соединения образовывались при взаимодействии 5`-о-ацетилуридина и 5`-фтор-5`-дезоксиуридина с дихлорангидридом 1-адамантилфосфоновой кислоты. Однако реакция с 2`,3`-о-изопропилиденуридином в этих же условиях не пошла [25]. Смесь диастереомерных по фосфору соединений получается также при взаимодействии 5-бром-, 5-фтор-, 6-азауридина или их 5`-о-производных с дихлорангидридом 1-адамантилфосфоновой кислоты [26].
При взаимодействии дихлорангидрида 1-адамантилфосфоновой кислоты с пуриновыми основаниями получается многокомпонентная смесь с большим содержанием исходного нуклеозида. Однако реакция идет по той же схеме с образованием диастереомерных соединений:
 |  |  |
| (I а-г) | (II а-г) R-изомер | (III а-г) S-изомер |
где а: R=Н, R`=NН2 ;
б: R=Ac, R`=Nh3 ;
в: R=H, R`=SCh4 ;
г: R=Tr, R`= SCh4 .
Количество R-изомера в 2,5-3 раза больше количества S-изомера [27].
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3.1. РЕАГЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Перемешивание аденозина с ацетоном, концентрированной серной кислотой и безводным сульфатом меди проводили на магнитной мешалке.
Упаривание всех растворов поводили на роторном испарителе «Rotodest» под вакуумом 15-20 мм. рт. ст.
Инфракрасный спектр синтезированного соединения регистрировали на спектрометре «ИКС-29», в таблетках из KBr.
В качестве реагентов были использованы
1) высушенный аденозин;
2) абсолютированный ацетон;
3) прокаленный сульфат меди;
4) концентрированная серная кислота;
5) триэтилфосфат;
6) треххлористая окись фосфора;
7) сухой гидроксид кальция;
8) водный раствор гидроксида аммония;
9) вода;
10) бензол;
11) эфир;
12) абсолютированный хлороформ;
13) сухой гидроксид натрия;
14) гидрохлорид аминоадамантана.
3.2. СИНТЕЗ 2`,3`-О-ИЗОПРОПИЛИДЕНАДЕНОЗИНА
0,4 г (1,5∙103 моль) аденазина высушивали в пистолете Фишера в течение 10-12 ч при 100 0С (в парах толуола над пятиокисью фосфора) и готовили суспензию с 40 мл ацетона, добавляли 2 г (1,25∙10-2 моль) безводного сульфата меди и 0,01 мл концентрированной серной кислоты. Суспензию перемешивали 48 ч при 38 0С. Осадок отделяли, промывали 2-3 раза небольшим количеством ацетона и объединенный фильтрат встряхивали в течение 1 ч с 0,4 г сухого гидроксида кальция. Осадок отфильтровывали и промывали ацетоном 2 раза по 10 мл. Фильтрат упаривали досуха. Выход продукта составил 0,21 г (52% от теоретического), белые кристаллы, t.пл. 218-220 0С (лит 220-222 0С) [26].
3.3. ПОЛУЧЕНИЕ 5`-Р-(ДИХЛОР)-2`,3`-О-ИЗОПРОПИЛИДЕНАДЕНОЗИНМОНОФОСФАТА
Охлаждали до 0 0С раствор треххлористой окиси фосфора (0,15 мл) в триэтилфосфате (8 мл) добавляли 2`,3`-о-изопропилиденаденозина (0,75∙10-3 моль). Смесь выдерживали 24 ч при 4 0С и затем нейтрализовали 25% водным раствором гидроксида аммония и оставляли на 1 ч при 4 0С. Затем добавляли воду (20 мл), смесь экстрагировали бензолом (10 мл), а затем эфиром (2 х 10 мл). Водный слой отделяли, упаривали досуха и растворяли в воде (80 мл). Нуклеотид выделяем ионнообменной хроматографией на колонке (2,5 х 10 см), неподвижная фаза – Дауэкс-50 (Н+ ), роль подвижной фазы выполняет вода. Собирали частицы, поглощающие в УФ-области. Объединяли, упариваем досуха, соупаривали с 10% водным раствором гидроксида аммония (6 мл) растворяли в воде (10 мл) и подвергали сухой заморозке. Выход составил 0,126 г (60% от теоретического) [29].
3.4. СИНТЕЗ АМИНОАДАМАНТАНА
К водному раствору 1,87 г (1 моль) гидрохлорида аминоадамантана добавляли 0,40 г (1 моль) NaOH. Смесь экстрагировали эфиром (2 х 15 мл). Органический слой отделяли и выпаривали досуха. Выход аминоадамантана 1,83 г (98%), t.пл.=210 0С.
3.5. СИНТЕЗ 5`-Р-(ДИАМИНОАДАМАНТИЛ)-2`,3`-О-ИЗОПРОПИЛИДЕНАДЕНОЗИНМОНО-ФОСФАТА
К полученному 5`-р-(дихлор)аденозинмонофосфату добавили 0,585 г раствора аминоадамантана в 2 мл абсолютного хлороформа. Осадок отфильтровывали. Фильтрат упаривали. Выход продукта составил 0,065 г (52% от теоретического).
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Синтез 2`,3`-о-изопропилиденаденозина осуществлялся взаимодействием аденозина с ацетоном в среде абсолютного ацетона при постоянном перемешивании. Схема этой реакции такова:
Предполагаемый механизм этой реакции следующий [29]:
Синтез 5`-р-(дихлор)-2`,3`-о-изопропилиденаденозинмонофосфата осуществлялся взаимодействием 2`,3`-о-изопропилиденаденозина с треххлорокисью фосфора в присутствии водного раствора гидроксида аммония по следующей схеме:
Предполагаемый механизм этой реакции следующий:
Синтез аминоадамантана осуществлен реакцией нейтрализации гидрохлорида аминоадамантана гидроксидом натрия по следующей схеме:
Синтез 5`-р-(диаминоадамантил)- 2`,3`-о-изопропилиденаденозинмоно-фосфата осуществлялся взаимодействием аминоадамантана с 5`-р-(дихлор)-2`,3`-о-изопропилиденаденозинмонофосфатом. Схема этой реакции такова:
Предполагаемый механизм этой реакции следующий [30]:
Чистота 5`-р-(диаминоадамантил)-2`,3`-о-изопропилиденаденозинмонофосфата была доказана методом ТСХ в системе бутанол: вода: уксусная кислота – 5:3:2 Rf =0,78 при УФ проявлении.
Наличие адамантильного остатка подтверждено ИК-спектроскопией. В ИК-спектре прослеживаются полосы, характерные для С-С (800 см-1, 970 см-1 ), Н-С-С (1155 см-1, 1350 см-1 ), Н-С-Н (1453 см-1, 2853 см-1 ), С-С-С (2907 см-1, 2933 см-1 ) адамантильного ядра и P-N (890 см-1 ).
5. ВЫВОДЫ
1. Показана принципиальная схема получения 5`-р-(диаминоадамантил)-2`,3`-о-изопропилиденаденозинмонофосфата взаимодействием аминоадамантана и 5`-р-(дихлор)-2`,3`-о-изопропилиденаденозинмонофосфата.
2. Чистота синтезированного соединения доказана методом ТСХ. Структура доказана методами ИК-спектроскопии.
6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Касьян Л.И., Касьян А.О., Голодаева Е.А. // журн. органич. химии. 2000. т.36. №12. с. 1776-1779.
2. Багрин Е.И. Адамантаны: получение, свойства, применение. М.: Наука, 1989. 264 с.
3. Литвинов В.П. //Химия гетероциклических соединений. 2002. №1. с. 12-39
4. Морозов И.С., Петров В.И., Сергеева С.А. Фармакология адамантанов. Волгоград: Волгоградская мед. академия, 2001. 320 с.
5. РЖ Химия. 2000. 10. 19029.
6. Андронова В.Л. // Антибиотики и химотерапия. 1996. т.41. №718. с. 26-30.
7. Механизмы антивирусного действия производных адамантана / Под ред. М.К. Индугена. Рига: Зинатне, 1981.
8. РЖ Химия 2001. 10. 19067К.
9. РЖ Химия 2002. 15. 19061.
10. Патент 6255348 США // РЖ Химия 2002. 15. 19042П.
11. Ковалев И.Е., Щипулина Н.В. // Доклады Российской академии наук. 2001. т. 378. №6. с. 819-822.
12. Заявка 99102174/14 Россия // РЖ Химия 2001. 11. 19053П.
14. Севастьянова В.В., Краюшкин М.М., Юрченко А.Г. // Успехи химии. 1970. т. 39. вып. 10. с. 1721-1753.
15. IX Международная научная конференция по химии и технологии каркасных соединений // Нефтехимия. 2001. т. 41. №6. с. 478-480.
16. РЖ Химия 1998. 22. Ж 195.
17. РЖ Химия 2000. 06. 190359.
18. Заявка 98122430/ Россия // РЖ Химия 2001. 11. 19047П.
19. Заявка 1201234 ЕАВ // РЖ Химия. 2002. 20. 190241П.
20. Заявка 4229805 ФРГ // РЖ Химия. 1996. 16. 0230П.
21. Заявка 19528388 Германия // РЖ Химия. 1999. 01. 0345П.
22. РЖ Химия. 2002. 17. 19Ж95.
23. Патент 2064930 Россия // РЖ Химия. 1997. 13Н. 87П
24. Преображенская М.Н., Мельник С.Я., Олейник Д.М., Шепелев Е.С., Турчин К.Ф., Санин П.И. // Биоорганическая химия. 1975. т.1. №2. с. 277-278.
25. Преображенская М.Н., Мельник С.Я., Олейник Д.М., Шепелев Е.С., Турчин К.Ф., Санин П.И. // Биоорганическая химия. 1975. т.2. №5. с. 627-631.
26. M.N. Preobrazhenskaya, S.Ya. Melnik, D.M. Oleinik, E.S. Shepelev, P.I. Sanin // Carb. Nucleosides, Nucleotides. 1975. т.2. №2. с. 413.
27. Недоаезова Т.П., Мельник С.Я., Ярцева И.В., Преображенская М.Н. // Биоорганическая химия. 1978. т.4. №8. с. 1058-1064.
28. Овчинников Ю.А. // Биоорганическая химия. 1978. т.12. №2. с. 205.
29. A.V. Azhayer, A.M. Ozols, A.S. Bushnev, N.B. Dyatkina, S.V. Kochetkova, L.S. Victorova, M.K. Kunhanova, A.A. KrayevskyandB.P. Ejottikh // NucleicAcidsResearch. 1979. т.6. №2. с. 625-643.
www.ronl.ru
МОУ Средняя общеобразовательная школа № 20
РЕФЕРАТ
ПО ХИМИИ
на тему: «Явления изомерии в органической и неорганической химии. Зависимость свойств веществ от их строения»
Исполнитель: Данилова Дарья 11 «А»
Руководитель: Г. А. Туманова
Директор МОУ СОШ № 20: Е.И.Ермолаева
г. Орехово-Зуево
2005 год
Содержание Содержание 2
Введение 3
1.Теория А. М. Бутлерова 4
2.Открытие явления изомерии 6
3.Типы изомерных отношений в органической и неорганической химии 15
4.Изомерия в органической химии 20
Заключение 22
Использованная литература 23Введение
Можно ли, не рискуя ошибиться, назвать такую область окружающего нас мира, в которой нельзя было бы обнаружить органические вещества? Сделать это очень трудно: органические вещества имеются всюду — в воде рек и морей, в песках безводной пустыни, в недрах земли, в воздухе и, вероятно, даже в бесконечном космосе, например, в виде простейших углеводородов. Но когда мы задумываемся над значением органических соединений, поражает не столько широта их распространения, сколько многообразие и те, поистине неисчерпаемые возможности, которыми располагает природа и человек для получения новых веществ.
Что же лежит в основе этого многообразия? Прежде всего, способность атомов углерода связываться друг с другом и с атомами других элементов, например кислорода, серы, азота, фосфора, в цепи различной длины, образующие «скелет» молекул — циклических и нециклических. Другая причина лежит в явлении изомерии. Изменение последовательности соединения атомов в молекулах, состоящих только из углерода и водорода, приводит к новым веществам, число которых очень быстро растет с увеличение числа атомов.
Конечно, человеку удалось обнаружить в природе или синтезировать в лаборатории лишь ничтожную долю подобных изомерных углеводородов. Оно и понятно. Уже число изомеров, соответствующих составу С25Н52, раз в десять больше числа изученных в настоящее время органических веществ. А ведь органическая химия как наука существует более 100 лет. Возможности для изомерии, как легко понять, возрастают с усложнением состава молекулы, например, при введении в молекулу углеводорода других элементов. Например, при замене в углеводородной молекуле на хлор лишь одного атома водорода возможность изомерии появляется уже в случае производного пропана:
Ch4—Ch3—Ch3Cl и Ch4—CHCl—Ch4. Для дихлоропроизводных углеводородов изомеры существуют, начиная уже с дихлорэтана: Ch3Cl—Ch3Cl и Ch4—CHCl2.
Исчерпывается ли возможностью существования изомеров, отличающихся порядком сцепления атомов, всё многообразие, весь мир органических веществ? Мы сможем ответить на этот вопрос, обратившись к истории возникновения пространственных представлений в рамках теории химического строения органических соединений.
^ 1.Теория А. М. Бутлерова
Первое публичное выступление А. М. Бутлерова по теоретическим вопросам органической химии относится к концу 50-х годов: это его доклад на заседании Парижского химического общества 17 февраля 1858 года. В нем говорится, что за радикалы следует считать не только органические группы, но и группировки типа ОН, Nh3, то есть характерные для различных классов органических веществ сочетания атомов, которые впоследствии получили название функциональных групп. В этом же докладе А. М. Бутлеров впервые употребил и сам термин «структура», относя к однородному типу молекулярной структуры метан, хлористый метил, хлористый метилен, хлороформ, четыреххлористый углерод, метиловый спирт.
В более развитой форме идея химического строения была изложена А. М. Бутлеровым три года спустя в докладе «О химическом строении веществ», с которым он выступил на съезде естествоиспытателей в Шпейере. В этом докладе, прежде всего, говорилось, что теоретическая сторона химии не отвечает фактическому развитию, отмечалась в частности, недостаточность теории типов. А. М. Бутлеров был при этом далек от огульного отрицания ее; он справедливо указывал на то, что теория типов имеет и важные заслуги: благодаря ей вошли в науку понятия об атоме, частице (молекуле), эквиваленте, эквивалентных и молекулярных весах; благодаря этой теории химики научились везде на первом месте ставить факты.
В этом докладе он дал и свое четкое определение химического строения: «Я называю химическим строением распределение действия этой силы (сродства), вследствие которой химические атомы, косвенно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу». Говоря о химическом строении, А. М. Бутлеров считал необходимым четко разъяснить, что он имеет в виду «химическое взаимодействие атомов», оставляя пока открытым вопрос, прилегаю ли друг к другу атомы, химически непосредственно действующие друг на друга. Последующие развитие науки показало, соответствие между химическим строением и пространственным расположением существует, но во времена А. М. Бутлерова наука ещё не давала материала для решения этого вопроса.
Пользуясь понятием химического строения, А. М. Бутлеров дал в докладе известную классическую формулировку: «Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением». Далее в докладе говорится о путях, которые могут применяться для изучения химического строения. О последнем можно судить прежде всего на основании способов синтеза вещества, причем наиболее надежные заключения могут быть сделаны при изучении синтезов, «которые совершаются при температуре мало возвышенной, и вообще при условиях, где можно следить за ходом постепенного усложнения химической частицы». Реакции разложения — преимущественно тоже протекающие в мягких условиях — также дают возможность сделать заключения о химическом строении, то есть полагать, что «остатки (радикалы) находились готовыми в разложившейся частице». Вместе с тем А. М. Бутлеров предвидел, что не все реакции пригодны для определения строения: существуют среди них и такие, при которых «изменяется химическая роль некоторых паев, а значит, и строение». В переводе на наш современный язык это реакции, сопровождающиеся изомеризацией скелета или переносом реакционного центра.
Построенная на базе химического строения рациональная формула, подчеркивал А. М, Бутлеров, будет однозначной: «Для каждого тела возможна будет, в этом смысле, лишь одна рациональная формула, и когда сделаются известными общие законы зависимости химических свойств тел от химического строения, то подобная формула будет выражением всех этих свойств. Типические формулы в их нынешнем значении должны бы тогда выйти из употребления… Дело в том, что эти формулы тесны для настоящего состояния науки!» ^ 2.Открытие явления изомерии
Эта теория, основные положения которой были сформулированы А. М. Бутлеровым в 1861 году, рассматривала строение органических соединений, прежде всего как последовательность связи атомов в молекуле. Вопрос о расположении атомов в пространстве в то время ещё не обсуждался. Это не было случайностью. Вплоть до начала ХХ столетия наука не располагала еще физическими методами доказательства реального существования атомов и тем более их пространственного расположения. Однако уже с 70-х годов ХІХ века в химии развивались представления о пространственном расположении атомов в молекулах, которые значительно позднее были блестяще подтверждены физическими исследованиями.
Появление пространственных представлений в органической химии было связано с тем, что теория строения в её первоначальном виде не могла объяснить некоторых случаев изометрии. Речь идет об оптических изомерах — соединениях, строение которых выражалось одной и той же формулой, причем все химические свойства таких соединений полностью совпадали. Они не различались по физическим свойствам, кроме одного — способности вращать плоскость поляризованного света в ту или другую сторону. Обыкновенный свет, как известно, можно представить себе в виде волн, колеблющихся в различных плоскостях, перпендикулярных к направлению луча. Некоторые минералы, например исландский шпат (прозрачная разновидность карбоната кальция CaCO3), обладают способностью пропускать световые колебания, находящиеся только в определённой плоскости. Свет, прошедший через такой кристалл или специально приготовленную призму (поляризатор), называется плоско поляризованным. Как было установлено в начале XIX в., многие кристаллы, например кварц, а также некоторые органические вещества в жидком состоянии или в растворах способны вращать плоскость поляризованного света. Это явление, которое часто называют оптической активностью или оптическим вращением. Легко обнаружить, помещая на пути света, прошедшего через поляризатор и раствор исследуемого вещества, вторую призму-анализатор, пропускающую так же, как поляризатор, колебания, лежащие в одной плоскости. В таком случае угол, на который нужно повернуть анализатор, чтобы получить такую же интенсивность света, как при прохождении через растворитель в отсутствии оптически активного вещества, равен углу оптического вращения. Наиболее ярким примером оптически активного органического соединения может служить винная кислота, изученная в середине прошлого столетия Л. Пастером. Природная винная кислота вращает плоскость поляризации вправо и обозначается как d-винная кислота (от латинского dextro — правый). При длительном нагревании d-винная кислота утрачивает свою оптическую активность, превращаясь в смесь право- и левовращающей кислот. Из этой смеси Л. Пастеру удалось выделить левовращающую l-винную кислоту (от латинского laevo — левый). Обе кислоты имеют одинаковую структурную формулу:
однако не могло быть сомнений, в том, что это два различных соединения.
Важно отметить, что живой организм по-разному реагирует на соединения, отличающиеся лишь своей вращательной способностью. В 1857 году Л. Пастер впервые установил, что плесневый грибок Penicillum glaucum потребляет d-винную кислоту, оставляя не тронутой левовращающую форму. Он высказал предположения о том, что физиологическая активность подобных изомеров зависит от расположения в пространстве атомов. Это открытие явилось началом целого ряда исследований, посвященных вопросу о связи между физиологической активностью и пространственной конфигурацией химических соединений. Можно привести ещё много примеров различного действия оптических изомеров на организм. Например, l-адреналин интенсивно повышает кровяное давление, а его d-изомер совершенно лишен такой способности. Природные l-аминокислоты безвкусные или горькие, а представители d-ряда сладкие. l-аскорбиновая кислота обладает антицинготными свойствами, тогда как её d-изомер неактивен. Неодинаковое отношение живого организма к оптическим антиподом несомненно связано с тем обстоятельством, что основные вещества, из которых построено всё живое, например белки, сами по себе являются ассиметричными.
А. М. Бутлеров писал: «Факты, необъясняемые существующими теориями, наиболее дороги для науки, от их разработки следует по преимуществу ожидать её развития в ближайшем будущем». Действительно, изучение случаев изомерии, казавшихся необъяснимыми, привело к возникновению стереохимии — учения о пространственном строении молекул, которое, в свою очередь, обогатило теорию строения новым содержанием. Основы стереохимической теории были заложены в 1874 г., когда два малоизвестных химика — голландец Вант-Гофф и француз Ле Бель — одновременно и независимо друг от друга опубликовали свои работы, в которых рассматривалось пространственное расположение атомов в молекулах органических соединений. Молодые ученые ( Вант-Гоффу было всего 22 года, а Ле Белю — 27) исходили из различных предпосылок, но пришли к одинаковым выводам. Эти выводы были настолько неожиданными, а фактов, на которые опирались авторы, было ещё так мало, что большинство химиков отнеслись к новой гипотезе с недоверием, считая её ни на чем не основанной фантазией. Так, Г. Кольбе встретил появление работы Вант-Гоффа следующим своеобразным «приветствием», поражающим своей резкостью и нетерпимостью: «Как видно, д-р Я. Г. Вант-Гофф, служащий Утрехтской ветеринарной школы, не находит никакого вкуса точному химическому исследованию. Он считает более удобным оседлать Пегаса (заимствованного очевидно в ветеринарной школе) и объявить в своей «Химии в пространстве» о том, как представляются ему, взобравшемуся благодаря смелому полету на химический Парнас, атомы расположенными во вселенной». Кольбе считал излишним подробно разбирать работу Вант-Гоффа, «так в ней игра фантазии совершенно лишена реальной основы и непонятна для трезвого исследователя». Однако прошло всего лишь 10 лет, и теория Вант-Гоффа и Ле Беля стала общепринятой, так как она блестяще подтверждалась фактами, которых с каждым годом накапливалось все больше и больше.
Как же можно себе представить расположение атомов в молекуле? Рассмотрим простейший насыщенный углеводород — метан. Все его свойства свидетельствуют о равноценности четырех С—Н связей. Естественно предположить, что и расположение в пространстве атомов водорода должно быть одинаковым. Каково же оно? Можно представить себе, что все атомы в молекуле метана лежат в одной плоскости и четыре равноценные связи С—Н образуют между собой прямые углы. Тогда атом углерода можно изобразить находящимся в центре квадрата, в четырех углах которого располагаются атомы водорода.
В таком предположении нет ничего противоестественного. Однако, как показывает опыт, у насыщенного атома углерода, плоское расположение заместителей невозможно. В самом деле, если бы атом углерода и четыре атома, связанные с ним, располагались в одной плоскости, то существовали бы два изомерных соединения состава Ch3Cl2.
Чтобы убедиться, что подобные две плоские молекулы неодинаковы, попробуйте их совместить, т. е. наложить так, чтобы они совпадали всеми своими точками (атомами). Эта попытка окажется безрезультатной. Поскольку в действительности существует лишь одно вещество состава Ch3Cl2, напрашивается вывод, что молекула этого соединения не является плоской. Напротив, вполне согласуется с опытом другое представление о молекулах метана и его производных, именно то, которое выдвинул Вант-Гофф. Он предположил, что заместители располагаются вокруг атома в пространстве и притом совершенно симметрично. Такую пространственную ориентацию легко себе представить, поместив четыре заместителя в вершины тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. При подобном расположении атомов изомерия возможна лишь тогда, когда все четыре заместителя разные. Для этого случая можно построить только две модели, соответствующие двум изомерам, которые относятся как предмет к его зеркальному отражению и никаким образом не могут быть совмещены. Именно такого рода особенность характерна для строения известных ко времени создания стереохимической гипотезы оптических изомеров — в молекулах этих соединений имеются асимметрические атомы углерода, т. е. атомы связанные с четырьмя разными заместителями. Например, в молекуле винной кислоты два таких атома, они отмечены звездочками:
^ HOOC— C*H—C*H—COOH
OH OH
Утверждение, что предмет не совпадает со своим зеркальным отражением, на первый взгляд может показаться странным. Ведь говорим же мы: «Точно как в зеркале!». Однако зеркало повторяет линии предмета своеобразно: то, что было правым, становится левым. Поэтому, если предмет не симметричен, если его правая сторона не совпадает с левой, а верхняя часть с нижней, он никогда не будет совпадать со своим изображением. Например, правая рука в зеркале кажется левой. Такие свойства характерны и для тетраэдрической модели четырехзамещенного метана с четырьмя различными заместителями. Если же принять, что в молекулах типа Cabcd, имеющих четыре различных заместителя при атоме углерода, все атомы лежат в одной плоскости, то должны были бы существовать три формы таких молекул и, следовательно, три изомерных соединения.
Однако, хорошо известно, что существуют лишь два изомера формулы Cabcd, или, как принято говорить, две конфигурации, условно называемые правой и левой. Этому факту удовлетворяет тетраэдрическое расположение атомов.
Тетраэдрическую модель атома углерода можно наглядно представить, изобразив заместители (атомы или радикалы) в виде шариков, соединенных проволочками с центральным шариком — атомом углерода. Углы между проволочками должны быть одинаковы и равны 109°28’. Подобные модели, называемые моделями Кекуле—Вант-Гоффа, давно уже используются при рассмотрении вопросов пространственного расположения атомов в молекулах органических соединений. В настоящее время широко применяются более компактные модели Дрейдинга, построенные из стержней и трубочек, длины которых пропорциональны длинам соответствующих связей 4 в этих моделях атомы не изображаются шариками, а предполагается, что центры их находятся в узлах (для многовалентных элементов, например углерода) или на концах трубочек (стержней для одновалентных, в частности водорода). Модели подобного типа нетрудно сделать самим из медной проволоки и пластиковых трубочек. Аналогичным образом могут быть построены модели разнообразных производных углеводородов, включающих гетероатомы.
Если построить модель какого-либо углеводорода с прямой цепью атомов углерода, то окажется, что эта цепь вовсе не прямая, а зигзагообразная, поскольку углы между углерод-углеродными связями равны не 180°, а 109°28’. При этом углеродная цепь может принимать самые разнообразные формы, например, вытянутую или свернутую. Поэтому понятию «прямая цепь» противопоставляется не «изогнутая», а «разветвленная цепь».
В случае циклических соединений имеются две возможности. Атомы углерода, входящие в цикл, могут либо лежать в одной плоскости, либо в разных. В трехчленном цикле атомы углерода заведомо лежат в одной плоскости, так как через три точки в любом случае можно провести плоскость. Почти плоскими являются молекулы с четырех - и пятичленными циклами, при этом имеется в виду, конечно, лишь атомы, составляющие скелет — цикл, заместители, естественно, лежат вне плоскости цикла. В шестичленных и высших циклах атомы расположены по-иному. Для циклогексана, например, возможны две формы — кресловиджная и ваннообразная. Сейчас точно известно, что циклогексан и многие его производные существуют преимущественно в форме кресла.
Более верное представление о форме молекул можно получить, рассматривая так называемые модели Стюарта, построенные с учетом углов между направлениями связей (валентных углов), межатомных расстояний и размеров атомов. Прежде чем перейти к описанию таких моделей, попытаемся уяснить себе, что понимается под размером атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Если сближать два атома, то на некотором расстоянии между ними начнет появляться взаимное отталкивание. Если все же преодолеть это отталкивание каким-либо внешним воздействием, например, увеличив кинетическую энергию атомов простым повышением температуры, то произойдет взаимное перекрывание электронных облаков. Размер атома может быть определен по минимальному расстоянию, на которое могут сблизиться два атома без образования связи между ними. Такому расстоянию соответствует равновесие сил отталкивания и притяжения, действующих между двумя атомами. Если для двух одинаковых атомов, например атомов хлора, такое равновесное расстояние между их атомами равно d, то такие атомы можно представить в виде шаров с радиусами rэфф. = d/2. Величину rэфф. называют эффективным радиусом или радиусом действия. Расстояние между двумя атомами, соединенными химической связью, как я уже говорила, будет меньше, чем между несвязными атомами, иными словами, сферы двух атомов взаимно перекрываются. Половина расстояния между двумя одинаковыми химически связанными атомами называется ковалентным радиусом (rков.). Ковалентные радиусы постоянные в разных соединениях, которые может образовывать данный химический элемент (имеется в виду, конечно, одинаковые валентные состояния элемента). Таким образом, зная величины rков. для различных атомов, можно путем их сложения получить значения межатомных расстояний для любой пары связанных атомов.
Г. Стюарт в 1934 году предложил изготовлять модели атомов из шаров, радиус которых пропорционален rэфф.. Чтобы отразить взаимное проникновение электронных оболочек образовании связи, с шаров срезают сегменты так, что расстояние от центра шара до среза пропорционально rков.. Если теперь соединить два шара по плоскостям среза, то расстояние между центрами шаров будет пропорционально межатомному расстоянию. Для многовалентных атомов делается не один, а два или более срезов под углами, равными валентным углам, характерным данного типа атомов. Эти углы измеряются между перпендикулярами, опущенными из центра шара на плоскости среза. Естественно, угол между плоскостями не валентному, а дополнительному углу (180˚ — φ, где φ — валентный угол). Размеры атомов чрезвычайно малы. Чтобы сделать модели удобными и наглядными, все линейные размеры в них увеличивают по сравнению с размерами атомов в 150 млн. раз (1 А соответствует на модели 1,5 см).
Модели по Стюарту не представляют собой, конечно, точных увеличенных копий реальных атомов и молекул, но достаточно верно отражают картину заполнения пространства в молекуле и различные формы, которые она может принимать. Например, молекула насыщенного углеводорода триаконтана (С30Н62) может принять вид длинной цепочки, но это далеко не единственно возможная форма, или конформация, молекулы триаконтана. При тепловом движении из-за беспорядочных столкновений сохранения вытянутой конформации маловероятно, и молекулы принимают свернутые конформации.
В рассмотренных случаях атомы имеют более или менее сложное расположение в пространстве, но бывает и молекулы с очень простым расположением атомов, например линейные молекулы ацетилена. В бензоле все углерод-углеродные связи одинаковы, и молекула его имеет форму правильного шестиугольника. Плоскими являются также молекулы этилена и его замещенных. Такое расположение в случае двузамещенных этиленов приводит к возможности существования двух изомеров особого типа, молекулы которых имеют одинаковую последовательность связей, но различную конфигурацию. Подобные изомеры действительно были обнаружены и получили названия геометрических изомеров. Это вполне устойчивые соединения, отличающиеся по физическим и химическим свойствам .
Классическим примером геометрических изомеров являются 1,2-этилендикарбоновые кислоты — фумаровая и малеиновая. В первой из них две карбоксильные группы, расположенные по разные стороны двойной связи С=С (транс-конфигурация), во второй по одну сторону (цис- конфигурация).
,
фумаровая кислота малеиновая кислота малеиновый ангидрид
Наиболее яркое различие в химических свойствах, позволяющее к тому же установить конфигурацию каждой из кислот, проявляется в способности к отщеплению воды. В отличие от фумаровой кислоты малеиновая легко дегидрируется, превращаясь в циклический малеиновый ангедрид.
Геометрическая изометрия возможна не только для этиленовых, но и для насыщенных циклических соединений. Действительно, если представить цикл в виде плоскости и принять во внимание, что атомы водорода или радикалы не лежат в той же плоскости, то можно предвидеть для двузамещенного циклического соединения возможность существования двух изомеров с расположением радикалов по одну сторону плоскости (цис-изомер) и по разные стороны (транс-изомер). В качестве примера геометрических изомеров можно привести молекулы цис- и транс-1,3-дихлорциклопентанов.
Мы познакомились с двумя типами пространственной изомерии: оптической (зеркальной) и геометрической. Ограничивается ли ими все многообразие способов пространственного расположения молекул? Не могут ли, например, существовать зеркальные изомеры без асимметрических атомов, то есть атомов соединённых четырьмя различными заместителями? Оказывается, что такие изомеры действительно существуют и сейчас известно немало примеров соединений без асимметрических атомов, не совпадающих со своим зеркальным отражением.
Может возникнуть и такой вопрос: не существуют ли геометрические изомеры и в случае насыщенных соединений жирного ряда, в которых атомы связаны простыми связями, например для 1,2-дихлорэтана? Иными словами, не может ли поворот вокруг простой связи каким-то образом фиксироваться так, чтобы получающиеся при этом различные конформации молекулы не превращались одна в другую? Я еще раньше косвенно ответила на этот вопрос отрицательно, подчеркивая, что вытянутые и свернутые формы углеводородной молекулы, а также формы «кресла» и «ванны» в случае циклогексана являются различными формами одной и той же молекулы. Действительно, изомеры рассматриваемого типа для насыщенных соединений никогда не были выделены. До недавнего времени это объясняли возможностью непрерывного свободного, то есть не требующего затраты энергии, вращения вокруг простой связи; для дихлорэтана это связь, соединяющая атомы углерода. Такое вращение должно происходить с огромной скоростью — 1 оборот за 10 -10 сек. Однако детальное исследование с применением современных физических методов показало, что вполне свободного вращения не существует даже в простейшей молекуле этана. При повороте одной метильной группы относительно другой вокруг простой С—С связи можно различить два крайних положения. В первом из них атомы водорода одной метильной группы находятся против атомов водорода другой метильной группы. Во втором — результат поворота одной метильной группы относительно другой на 60˚ атомы водорода становятся против промежутков между водородными атомами другой СН3-группы. Оказалось, что поворот из положения б в положение а требует затраты энергии (правда небольшой, порядка 3 калл/моль). Это объясняется тем, что форма а богаче энергией (или, как говорят, энергетически менее выгодна) по сравнению с конформацией б из-за более сильного взаимного отталкивания водородных атомов. Поворот из положения а в энергетически более выгодное положение б идет с выделением энергии. В связи с этим внутреннее вращение вокруг простой связи не может быть равномерным — энергетически не выгодная форма быстро превращается в более выгодную форму, обратное же превращение идет медленнее. Таким образом, среди бесчисленного множества форм молекулы этана чаще встречается повернутая конформация б, чем заслоненная а. Легко сообразить, что в случае дихлорэтана Ch3Cl—Ch3Cl конформация а будет еще менее выгодной, так как между объемистыми атомами хлора с большей электронной оболочкой силы отталкивания должны быть больше, чем между водородными атомами. Однако для дихлорэтана, как и для других простых производных этана, внутреннее вращение остается возможным, хотя оно как видно из сказанного, заторможено из-за взаимодействия противостоящих атомов.
В более сложных случаях, например в молекулах многих белков, повороты вокруг простых связей могут быть «закреплены» с помощью водородных связей. В результате молекулы таких белков или, по крайней мере, отдельные участки полипептидной цепи определенным, часто весьма причудливым образом расположены в пространстве относительно друг друга, что обеспечивается благодаря взаимодействию функциональных групп, входящих в аминокислотные остатки. Такая пространственная ориентация, или «третичная структура», известна в настоящее время для некоторых белков, например миоглобина. Это один из сравнительно «простых» белков: его молекула построена из 153 аминокислотных остатков (2500 атомов). Более сложные белки состоят из нескольких полипептидных цепей. Для таких белков рассматривают еще «четвертичную структуру», которая отражает взаимное расположение различных полипептидных цепей и определяет многие их важнейшие свойства. Если учесть еще, что в «первичную структуру» белка, то есть последовательность аминокислотных остатков, входят аминокислоты, имеющие определенную конфигурацию («природную конфигурацию»), станет ясно то решающее значение, которое имеет пространственное расположение атомов среди причин, обуславливающих совершенно исключительное разнообразие свойств белковых молекул. Пространственное расположение атомов существенным образом влияет на химические и биологические свойства углеродов, играющих как таковые или в виде фрагментов структуры нуклеиновых кислот важнейшую биологическую роль.
За последние годы стереохимия стала чисто теоретической дисциплиной. Её положения были применены для объяснения отличий в свойствах разнообразных соединений, оказались совершенно необходимы для осуществления промышленного синтеза ряда продуктов, в частности стереорегулярных полимеров. В этой связи напомню, что получение полиизопренового каучука, не отличающегося по свойствам от природного, стало возможным лишь благодаря стереоспецифическм методам полимеризации, приводящим к полимеру, в котором все фрагмента мономера
—СН2—С=СН—СН2-
СН3
имеют цис-конфигурацию (транс-конфигурация соответствует другому природному полимеру — гуттаперче). Не менее важны стереоспецифические методы полимеризации и для получения других стереорегулярных полимеров, например полипропилена.^ 3.Типы изомерных отношений в органической и неорганической химии
Первый широко распространенный тип изомерии — так называемая структурная изомерия. В этом случае изомеры отличаются друг от друга порядком соединения атомов в молекуле и расположением ординарных двойных и тройных связей между атомами. Легко представить себе изомеры органических производных углеводородов, содержащих кислород и другие гетероатомы. Пример такой изомерии — ацетальдегид и его енольная форма:
O
Ch4 — C Ch3 =CH — OH
енол
H
Ацетальдегид
Следует отметить, что структурная изомерия присуща не только органическим соединениям. Вот несколько примеров: синильная кислота HCN и её изоформа HNC, фульминат серебра (гремучекислое серебро) AgCNO и цианат серебра AgOCN. Особенно показательно осуществленное в 1828 году Велером превращение «неорганического» цианата аммония Nh5NCO в «органическую» его мочевину.1
Большое значение имеет структурная изомерия в координатной химии. Частный случай такой изомерии — гидратная изомерия, когда комплексные соединения отличаются числом молекул воды, входящих во внутреннюю сферу, т. е. непосредственно связанных атомами металла. При растворении в воде хлорида хрома (III) образуется несколько соединений. Установлено, что в молекуле фиолетового комплекса ион хрома координирован (связан) сразу с шестью молекулами воды, а в темно-зеленом к иону хрома присоединены одновременно четыре молекулы воды и два атома хлора, в то время как хлорид-ион и две молекулы воды располагаются на внешней сфере:
h3O Cl
h3O h3O h3O h3O
Cr Cl3 Cr Cl٠2h3O
h3O h3O h3O h3O
h3O Cl
Фиолетовый темно-зеленый
Второй тип изомерии — геометрическая изомерия. Она характерна для молекул, в которых каждый атом связан с одинаковыми для каждого изомера соседями. Но относительное расположение этих соседей в пространстве различно. Простейший пример геометрической изомерии — цис-, транс-изомерия органических соединений, содержащих двойную связь. В молекуле 1,2-дихлорэтена оба атома углерода, соединенные двойной связью, имеют одинаковых соседей: каждый из них связан с атомом водорода и атомом хлора. Но вот ориентация двух атомов хлора в пространстве для цис -, трансизомеров различна:
Cl Cl Cl H
C=C C=C
H H H Cl
цис-изомер транс-изомер
Геометрическая изомерия существует и в неорганической химии. Так, в комплексе двухвалентной платины с двумя атомами хлора и двумя молекулами аммиака молекулы аммиака могут располагаться в пространстве двумя различными способами, образуя цис- или транс-изомеры:
Nh4 Cl Nh4 Cl
Pt Pt
Nh4 Cl Cl Nh4
цис-изомер транс-изомер
(оранжевый) (желтый)
Обратим внимание: различить пространственные изомеры по свернутым (не структурным) формулам невозможно. Необходимо либо графически показывать геометрию комплекса (как это сделано выше), либо указывать тип изомера, например: транс-1,2-дихлорэтен.
Как структурные, так и геометрические изомеры обладают различными физическими и химическими свойствами. Среди физических свойств в этом плане, прежде всего следует отметить температуры плавления и кипения. Кроме того, изомеры могут иметь различную окраску. Наибольшие различия в химических свойствах проявляют, разумеется, изомеры с различными функциональными группами (так, химические свойства этанола резко отличаются от свойств изомерного ему диметилового эфира).
^ Третий тип изомерии — оптическая изомерия, которая выражается тем, что в двух изомерах каждый атом имеет одинаковых соседей, расположенных в одинаковой последовательности. Все различие заключается в том, что для одного изомера эта последовательность может быть получена при обходе заместителей какого-либо атома по часовой стрелке, а для другого — против. Так, если в молекуле метана заместить три атома водорода какими-либо другими различными группами, например метильной, карбоксильной и аминогруппой, можно получить оптичес
www.ronl.ru
РЕФЕРАТЫ
по органической химии (10 класс)
(для того, чтобы выбрать тему реферата, необходимо указать в «Гостевой книге» класс, фамилию, тему)
РАЗДЕЛ 1. Строение органических соединений.
Типы изомерии органических соединений.
Взаимное влияние атомов в молекулах органических веществ.
Нуклеофилы и электрофилы.
Кремнийорганические соединения.
РАЗДЕЛ 2. Органические соединения. Углеводороды.
Нефть.
Производство бензина.
Углеводородное топливо, его виды и назначение.
Природный газ как ценное химическое сырьё.
Бензол и его гомологи.
Ароматические углеводороды как ценное химическое сырьё
РАЗДЕЛ 3. Органические соединения. Спирты и фенолы.
Одноатомные спирты и вода. Сходство и отличия. Гидрофильность спиртов как результат особенностей строения молекулы.
Фенол – не спирт, а кислота.
Взаимное влияние функциональных групп на примере молекулы фенола.
Поливиниловый спирт.
Многоатомные спирты. Сходство и отличия химических и физических свойств.
Многоатомные спирты – заменители сахара.
РАЗДЕЛ 4. Органические соединения. Амины и их производные.
Анилиновые красители
Протеиногенные аминокислоты
РАЗДЕЛ 5. Органические соединения. Карбонильные производные.
Альдегиды как ароматические вещества.
Почему альдегиды отличаются от кетонов.
Что и почему растворяет ацетон.
Роль альдегидов в метаболических процессах.
РАЗДЕЛ 6. Органические соединения. Карбоновые кислоты.
Дифильность высших жирных кислот и их солей.
Муравьиная кислота – простейшее бифункциональное соединение.
«Фруктовые» кислоты.
Сложные эфиры как ароматические вещества.
Жиры – продукт питания и ценное химическое сырьё
Мыло и синтетические моющие средства – сравнительная оценка
РАЗДЕЛ 7. Органические соединения. Синтетические полимеры.
Синтетические волокна. Капрон.
Тефлон.
Изопреновый каучук.
Фенолформальдегидные смолы.
РАЗДЕЛ 8. Органические соединения. Биополимеры.
Глобулярные белки.
Фибриллярные белки.
Ферменты
Чем и почему отличаются целлюлоза и крахмал.
Нуклеиновые кислоты. Сравнительная стабильность ДНК и РНК.
РАЗДЕЛ 9. Органические соединения. Биологически активные вещества.
Алкалоиды.
Гликозиды.
Флавоноиды.
Водорастворимые витамины.
Жирорастворимые витамины.
Гормоны.
refdb.ru
