Органические молекулы конформации

Для любой органической молекулы, кроме простейших, возможно огромное число относительных расположений всех частей молекулы (атомов или группировок) с разными расстояниями между несвязанными атомами. Если такие расположения могут переходить друг в друга лишь за счет вращения вокруг каких-либо связей без их разрыва, хотя бы временного, то состояния, отвечающие каждому расположению, называют конформациями (конформациями молекул или групп). [c.16]

Каждая конформация характеризуется своим набором расстояний между несвязанными атомами, а следовательно, своей суммой несвязанных взаимодействий (отталкиваний несвязанных атомов). Таким образом, разные конформации любой органической молекулы обычно энергетически неравноценны, даже если длины всех ее связей и валентные углы не отклонены от нормы. [c.16]

В начале 50 х годов XX в. стало ясно, что физические и химические свойства органических веществ находятся в тесной связи с их конформацией. На основе конформационных представлений бурно развилась важнейшая ныне область — динамическая стереохимия — стереохимия реакций, получили объяснение многие прежде загадочные особенности органических молекул. [c.37]

Изучение конформаций органических молекул развилось в последние десятилетия в обширную и важную область стереохимии — конформационный анализ. Создание конформационных представлений явилось наиболее существенным шагом вперед в области стереохимии со времен Вант-Гоффа. С конформациями мы постоянно будем встречаться на протяжении всей данной книги, поэтому особенно важно уже во введении усвоить способы графического изображения конформаций и номенклатуру в этой области. [c.29]

Использование новых физических методов исследования позволило существенно углубить представления о пространственном строении молекул, позволило подметить новые, ранее неизвестные особенности. Важнейшим из них оказалось возникновение понятия о поворотной изомерии (конформации) органических молекул. Это представление легло в основу истолкования большинства наблюдений, сделанных как в области статической, так и в области динамической стереохимии. [c.85]

Геометрические формы молекул, превращающиеся друг в друга при повороте вокруг простых связей, называют конформациями (конформерами), а иногда — поворотными изомерами. Такие формы не способны к самостоятельному существованию — они слишком легко переходят друг в друга, и органические молекулы почти [c.238]

Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что трехмерные структуры белков характеризуются плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициенты упаковки белковых молекул в нативном состоянии имеют значения от 68 до 82%. Для сравнения напомним, что у правильных сферических тел этот коэффициент равен 74%, а у молекул воды и циклогексана - 58 и 44% соответственно. По плотности упаковки атомов белковые молекулы близки кристаллам малых органических молекул (70-78%). Нативные структуры белков имеют также незначительные коэффициенты сжимаемости, близкие, например, коэффициентам сжимаемости олова и каменной соли. Высокая компактность глобулярных белков подтверждается большой плотностью, малой вязкостью и малыми молекулярными объемами нативных белков в растворе. Так, наблюдаемые у них величины плотности (1,3-1,5 г/см ) выше, чем у сухих белков и близки величинам плотности кристаллов низкомолекулярных органических соединений. Это свойство пространственных структур белковых молекул безупречно с физической точки зрения и очень образно передает определение их как "апериодические кристаллы" - термин, использованный Э. Шре-дингером для характеристики состояния хромосом [52]. Таким образом, есть все основания заключить, что нативная конформация белка представляет собой плотно упакованную структуру с максимальным числом внутримолекулярных контактов между валентно-несвязанными атомами. [c.102]

Проблема ближних взаимодействий решена методом теоретического конформационного анализа, обычно используемого в исследованиях пространственного строения малых органических молекул. Для свободных монопептидов 20 стандартных аминокислот были найдены все возможные конформации и в каждом отдельном случае выявлена взаимообусловленность состояний основной и боковой цепей (см. гл. 5). Реальность полученных данных подтверждена результатами комплексного физикохимического исследования структур большого числа монопептидов в различных средах. Теоретические конформации монопептидов сопоставлены с геометрией основных и боковых цепей аминокислотных остатков в известных трехмерных структурах белков. Показано, что реализующиеся в белковых молекулах конформационные состояния остатков за редкими исключениями, которые, по-видимому, следует отнести к артефактам, отвечают наиболее выгодным конформациям свободных монопептидов. Средние и дальние взаимодействия ни в одном случае не вступают в противоречие с требованиями, диктуемыми ближними взаимодействиями Их роль заключается в выборе конформации остатка из числа низкоэнергетических состояний свободного монопептида. Этап исследования ближних взаимодействий завершился составлением для свободных монопептидов 20 стандартных аминокислот универсальных наборов низкоэнергетических конформаций, необходимых и достаточных для описания всех конформационных состояний остатков, встречающихся в белковых структурах (см. табл. 11.17). [c.220]

Современная органическая химия является химией конформационной, в которой определяющую роль имеют вращательные состояния молекулы (т. е. конформации). Она является также химией электронных и пространственных эффектов. Эти особенности органических молекул будут рассмотрены позднее. [c.17]

Координационные свойства природных соединений. Накопление функциональных групп в органических молекулах, которые могут выступать как лиганды, особенно в соединениях полимерного характера (полисахариды, полипептиды, белки, нуклеиновые кислоты и др.), сильно осложняет картину комплексообразования с ионами и солями металлов. Это происходит в результате того, что свойства функциональной группы будут зависеть от расположения в сложной молекуле, от конформации этой молекулы и от стерического экранирования реакционного центра окружающими фрагментами молекул. Эта ситуация создает много трудноразрешимых затруднений для физико-химического исследования такого комплексообразования и для его термодинамического описания. [c.179]

Скорость процессов. В ряде органических молекул ядра водорода прочно связаны с жестким скелетом углеродных атомов. Однако у многих молекул скелет не является жестким в том смысле, что существует состояние равновесия между различными возможными конформациями в некоторых системах ядро водорода вообще присоединено непрочно, так что в растворе наступает обратимый протонный обмен. Оба эффекта отражаются на протонном спектре. [c.75]

Представляется перспективным, на наш взгляд, использовать метод атом-атомных потенциалов при прогнозировании катализаторов в такой бурно развивающейся области катализа, как катализ на цеолитах. Действительно, с помощью этого метода, в принципе, можно рассчитывать конформации органических молекул в микро-порах цеолитов, диффузионные барьеры, оценивать свойства цеолитов как молекулярных сит. [c.61]

Большое внимание в ГЕОХИ АН СССР уделяется работам по развитию теории действия органических реагентов, что является предпосылкой для возможного осуществления направленных синтезов реагентов с заданными свойствами. Широкое применение современных физических методов исследования в сочетании с расчетными квантовохимическими позволило установить структуру реагентов и комплексов в их разных ионных формах и конформациях, представить молекулярные диаграммы соединений и развить теорию контрастности цветных реакций. Внесен серьезный вклад в теорию реакционной способности органических соединений. Установлено, что решающим фактором реакционной способности соединений, а следовательно, и избирательности является конфигурация и сила электрического поля в ближайшем (1—3 атомных размера) окружении органической молекулы. Это поле формируют в основном полярные заместители, входящие в состав молекулы [c.6]

Основные научные исследования, относятся к химической кинетике и изучению механизма химических реакций. Осуществил (1964) анализ и расчеты 0-электронных систем при исследовании конформаций и построении молекулярных орбиталей сложных органических молекул рассчитал энергии гипотетических промежуточных продуктов реакций, в частности карбкатионов, что позволило оценить энергии активации и сделать выводы о предпочтительной конфигурации активированного комплекса. Совместно с Р. Б. Вудвордом предложил [c.616]

Даже относительно простые молекулы — мы ограничимся органическими молекулами — представляют собой смесь конформеров, т. е, изомеров, не являющихся стереоизомерами (последние невозможно превратить один в другой без химической реакции), а отличающихся лишь конформациями. Наиболее часто встречающиеся и в то же время наиболее простые конформеры — это ротамеры, Для них характерно существование нескольких стабильных или метастабильных конформаций, разделенных сравнительно невысокими потенциальными барьерами последнее приводит к относительной легкости перехода из одной конформации в другую и невозможности их препаративного разделения. Однако, используя спектрбскопические методы, без особого труда удается оценить их относительные-концентрации в равновесной смеси (в том числе и полимерной). [c.30]

В книге изложены основные идеи теории строения, современные представления о природе химических связей в органических молекулах, о стереохимии и конформаци-онном анализе. На этой основе рассматриваются важнейшие типы и механизмы химических реакций электрофиль-ные, нуклеофильные и радикальные. Книга включает в себя материал о фотохимических превращениях, поведении биоорганических веществ в ней применены принципы кдрреляционного и информационного анализа органических соединений. [c.2]

Явление атропоизомерии показало ограниченность принципа свободного вращения атомов вокруг простых связей, выдвинутого Вислиценусом, и заставило искать предпочтительное пространственное расположение радикалов и групп внутри молекулы друг относительно друга. Различная скорость ацетонирования, комплесообразования с борной кислотой у диастереомеров 1,2-бутандиола привела Безекена к заключению о существовании поворотных изомеров у этого соединения. Физические исследования подтвердили гипотезу, согласно которой вращение вокруг простых связей никогда не бывает полностью свободным, в некоторых случаях оно заторможено, что обусловлено преодолением некоторых энергетических барьеров, вызвано наличием энергетически более выгодных относительных пространственных положений атомных групп. Так возникло представление о конформациях — динамц-ческих изомерах (конформерах) органических молекул, отличающихся друг от друга пространственным расположением атомов в одной и той же конфигурации. Взаимные переходы конформеров могут осуществляться только в итоге вращения связей, но не их разрыва. [c.125]

Ферменты — очень сложные органические молекулы, представляющие собой глобулярные белки. Их каталитические центры состоят их ряда атомных групп, природа и взаимное расположение которых в пространстве строго детерминировано, что, собственно, и определяет каталитическую активность фермента, Все структурные и пространственные особенности каталитического центра заданы как последовательностью аминокислотных остатков полипептидной цепи данного белка (первичной структурой), так и упаковкой этой цепи Б фиксированную конформацию белковой глобулы (ее вторичной и третичной структурами Поэтому для химиков нет смысла пытаться построить искусственный структурный аналог такой чудовищно сложной конструкции, добиваясь сходства со свойствами оригинала. Не говоря уже о практически непреодолимых трудностях подобной задачи, она и смысла большого не имеет (если только мы не хотим создать искусственную жизнь). Дело в том, что каждый фермент решает узко специализированную задачу, а эта специализация лишь изредка совпадает с задачами человеческой химии. Смысл всей Проблемы не в этом, а в том, чтобы обеспечить дизайн квазиферментов под реальные задачи (ну, например, расщеплять высшие парафины до низших, т.е. делать бензин из мазута), т. е. не копировать или моделировать живые ферменты, а научится делать ферменте-подобные катализаторы на заказ (не копировать природу, а учиться у нес, воспринять ее методологию, а не результаты )- Кроме того, ферменты как катализаторы для лабораторного или про- [c.477]

К вращению молекул блюки широю распространенные в органических соединениях конформации, при которых отдельные части молекулы вращаются относительно других ее частей без нарущения целостности молекулы, в связи с чем к ротационным кристаллам близки по своей природе химические соединения, в молекулах которых проявляются конформации [153]. [c.174]

Прежде всего эта роль определяется значением нековалентпых взаимодействий в формировании пространственной структуры белков и иуклеиновы,ч кислот. В полипептидной цепи каждый хиральный атом углерода связан простыми <т-связя-ми с группами С=0 и NH, что означает возможность заторможенного вращения с низким активационным барьером вокруг этих связей. Вращение вокруг собственно-пептидной связи затруднено, поскольку вследствие р, г-сопряжения эта связь не является строго одинарной. Таким образом, в полипептидной цепи длиной вминокислотных остатков возможно заторможенное вращение вокруг 2N связей. Если принять, естественно с некоторой степенью условности, что каждой из таких связей соответствуют три значения торсионных углов, соответствующих минимумам потенциальной энергии вращения (по аналогии с классической картинкой для вращения вокруг связи С—С в дихлорэтане), то число различных конформаций, которое может принимать полипептидная цепь, составит я Считая, опять-таки с большим элементом условности, что время отдельного поворота вокруг <г-связи имеет порядок 10 с и вращение вокруг всех связей может происходить независимо друг от друга, число поворотов в секунду можно оценить как 2УУ-101 , что для небольшого белка, состоящего всего из 100 аминокислотных остатков, составит 2-10 2. Если бы молекула белка представляла собой статистический клубок, непрерывно случайным образом изменяющий свою конформацию, то некоторую биологически значимую конформацию, необходимую для функционирования белковой молекулы, она принимала бы один раз за 10 с, что абсурдно велико не только по сравнению с временем, реально необходимым для выполнения той или иной функции, но и с временем существования Вселенной вообще. Аналогичная оценка, проведенная для такой достаточно сложной органической молекулы, как NAD, где основная цепочка атомов содержит 14 таких <т-связей, показывает, что время, необходимое для достижения некоторой определённой конформации, существенной для функционирования этой молекулы в химических превращениях и в биохимических системах, составит величину порядка 0,07 с, [c.68]

Мейбум [24] указывал, однако, что такая формулировка принципа неопределенности неприменима, если уширяющиеся пики начинают перекрываться, так как она предсказывает неограниченное уширение при возрастании скорости обмена, что, как мы увидим, не соответствует наблюдаемым фактам). Оптические спектры характеризуются высокими частотами наблюдения (10 —10 Гц) поэтому это уширение не будет заметно при разрешающей способности оптических спектрометров, за исключением случаев очень малых времен (б я 10- —10- з с и менее). Время жизни конформаций и ионизованных состояний органических молекул обычно намного больше. Однако в ЯМР-спектроскопии частоты наблюдения в 10 раз ниже, а ширина линий может составлять 1 Гц и менее, вследствие чего сигналы обменивающихся модификаций могут отстоять друг от друга всего на несколько герц. В этих условиях слияние сигналов индивидуальных модификаций может наступить даже при больших временах жизни порядка 10 —10 с. Если же времена жизни существенно короче, обе формы будут представлены одним узким сигналом и станут практически неразличимы. Для химии очень важно, что такие времена жизни (10 —10- с) соизмеримы со скоростями химических реакций и процессов изомеризации. Путем соответствующего видоизменения уравнений Блоха (см. разд. 1.7) можно получить аналитическое выражение для формы спектральных линий при уширении или слиянии пиков, с помощью которого были измерены скорости самых разнообразных химических процессов. Поскольку в практике ЯМР-исследований полимеров этот метод используется сравнительно редко, мы не станем останавливаться на нем подробно, тем более, что этот вопрос широко освещен в литературе. Нам важно лишь отметить, что ЯМР-спектры молекул, которые могут иметь различную конформацию (а именно к таким молекулам и относится большинство полимеров), усреднены по всем возможным конформациям. Спектры ЯМР позволяют получить важные данные о предпочтительности той или иной конформации, но в общем случае эти данные представлены в неявном виде. [c.48]

Теоретические расчеты конформаций пептидов проводятся в последние 5—6 лет с исключительной широтой и интенсивностью. Пожалуй, работ и идей в этой области опубликовано не меньше, чем по конформациям всех малых молекул, вместе взятых. Еще ждет решения целый ряд проблем, связанных с конформациями органических молекул (термохид1иче-ские свойства, частоты колебаний, переносимость атом — атом потенциалов и других постоянных потенциальных функций) и их упаковкой в кристаллах, еще далеко не все известно о потенциальных функциях, используемых для расчетов конформаций самих пептидов. Тем не менее интерес к конформациям пептидов настолько велик, что многие исследователи отложили пока разработку проблем, связанных с другими малыми молекулами. Этот интерес оправдывается тем, что расчеты конформаций пептидов дают важную информацию о пространственном строении небольших участков белка. Есть также надежды и на то, что полная пространственная структура белка будет предсказана на основании теоретического анализа, развитого для малых пептидных фрагментов и модельных полипептидов. Насколько оправданы эти надежды, трудно сказать с достаточной определенностью, и в этом вопросе мнения разных теоретиков расходятся. [c.93]

Наконец, потенциалы 6-ехр Дашевского были получены путем сравнения расчетных и экспериментальных данных по геометрии различных малых органических молекул и их термохимическим свойствам с помощью методики, описанной в работах [46, 51]. Они использовались в расчетах конформаций и энергий образования, гидрирования и т. д. ароматических соединений [52, 53], углеводородов [54], в том числе циклических [55], а также в расчетах конформаций молеКул, состоящих из двух пептидных единиц [56, 57]. Как мы указывали, конформации пептидов не очень чувствительны к потенциальным функциям, и потому вполне оправдана попыт- [c.103]

Тормозящий потенциал (потенциал торможения) для простых связей в полимерной цепи, по-видимому, имеет ту же форму, что и для аналогичных связей в низкомолекулярных органических молекулах [6]. Например, вращательные состояния (новоротные изомеры) молекулы этана описываются тормозящим потенциалом с тройной симметрией, тогда как потенциал центральной связи молекулы бутана уже отличается от него. Хотя в потенциальной функции этой связи еще сохраняются три минимума, энергии их уже не равны. Самый глубокий минимум соответствует плоской, или транс-конформации. Другие два минимума относятся к свернутым гош-формам, которые получаются из транс-форм поворотом на 120 . Энергии двух гош-форм одинаковы и превышают энергию гранс-формы примерно на 500—800 кал1молъ. [c.18]

Вероятно, границы применения этой теории лежат в области химии относительно больших молекул. Для неорганического катализа и катализа несложных органических веществ эта теория применима в том виде, в каком она сформулирована Уилером. Однако для органического катализа относительно высокомолекулярных веществ ее выводы и расчеты могут оказаться недостаточными. В этом случае нельзя не считаться с большими размерами молекул (лорядка десятков и сотен ангстрем) и с явлениями изменения конформации. Все это может привести не только к резкому снижению скорости диффузии, но и к полному прекращению ее ввиду несоразмерно малых капилляров по сравнению с большими органическими молекулами. [c.169]