К.И. Грандберг - Органическая химия (1125789), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Весьма существенным в этой связи представляется результат, пока- ывающий, что из пяти оснований нуклеиновых кислот аденин, имеющий наибольшее значение энергии делокализации, легче всего синтези- ется электронным облучением смеси метана, аммиака и воды. Кроме г".. того, было обнаружено, что между резистентностью (сопротивляемостью) этих оснований действию ионизирующих излучений и соответствующими энергиями делокализации существует глубокая связь. Совершенно ясно, что энергия делокализации приобретает важное значение как фактор стабильности, или эвыживаемостию биомолекул.
Тот факт, что биомолекулы содержат большое число сопряженных связей, является весьма благоприятным обстоятельством, так как в этом случае даже такой грубый метод, как ЛКАО МО в приближении Хюккеля, может значительно облегчить задачу установления влектронной структуры и в связи с этим определение центров биохимических процессов. В ряде случаев подобные расчеты даже позволяют решать чрезвычайно сложные биохимические проблемы, такие, как природа мутаций, проблема канцерогенностн, изучение противоопухолевой активности пурнновых антиметаболитов в химиотерапии рака и пр.
Рассмотрим с позиций квантовой химии проблему канцерогенности конденсированных ароматических углеводородов. Огромная трудность, препятствующая всякой попытке установить связь между структурой и канцерогенной активностью ароматических соединений, заключается в чрезвычайной чувствительности этого явления к изменениям структуры. Так, из более чем 50 исследованных в настоящее время конденсированных циклов только 9 оказались канцерогенными. В частности, из шести приведенных ниже углеводородов лишь 3,4-бензфенантреи обладает свойством вызывать злокачественные новообразования: хрвэев вафтацез 1,2-бевззвтрзцев трвфеввлев З,з-бевзфевзвтрев варев 61 К.область Ь-область 1.
Движущие силы 63 62 Изучение структуры большого числа конденсированных ароматических ядер позволило сделать вывод, что в проявлении канцерогенных свойств существенную роль играет соотношение реакционной способности областей в молекуле мезофенантренового (К-область) и мезоантраценового (Б-область) типов: Сравнение реакционных индексов пара-локализации (Ь.область) и орте-локализации» (К-область) приводит к двум важным заключениям, касающимся канцерогенной активности ароматических углеводородов: 1) для того чтобы полициклический углеводород был кзнцерогеном, он должен обладать «актнвной» К-областью, соответствующий параметр орто-локализации не должен превышать значения 3,316 (б — величина резонансного интеграла; б 75 кДж/моль); 2) если молекула содержит также и Г;область, то необходимо, чтобы она была, наоборот, мзлоактивна; соответствующий индекс пара-локализации должен быть больше или равен 5,666.
Эти правила имеют лишь небольшое число исключений и в большинстве случаев могут быть успешно применены для решения вопроса— проявляет ли данный конденсированный углеводород канцерогенные свойства или нет. Таким образом, уже на основании приведенных примеров становится ясно, в какой степени расчеты могут помочь исследованию не только при интерпретации и предсказаниях чисто химической реакционной способности молекул, но и при решении биохимических проблем. Однако не следует представлять себе дело таким образом, что метод молекулярных орбитзлей непогрешим и всегда приводит к верным результатам.
Это связано в основном с тем обстоятельством, что в полузмпирических методах существует определенный произвол в выборе используемых в расчете кулоновских и обменных интегралов, определяющих типы связей в молекуле. Поэтому результаты расчетов могут существенно отличаться илк даже противоречить друг другу. В целом выбор интегралов часто определяется тем, в какой степени полученный результат отвечает действительной картине, наблюдаемой в эксперименте.
В последнее время, особенно в связи с совершенствованием компьютерных технологий, с созданием новых расчетных программ, простой метод Хюккеля практически вытеснен более совершенными полузмпирическими вариантами приближения, в которых непосредственно учитывается межзлектронное взаимодействие, что значительно повышает надежность получаемых результатов. ' Эти реакционные индексы характеризуют, подобно граничной алек- тронной плотности, способности атомов данной области к взаимодействию с химическими реагентами. ГЛАВА Основные приниипы реащионной способности органических реакций Химические свойства атомов и молекул, выражающиеся в их способности вступать во взаимодействие друг с другом, обусловлены состоянием имеющихся в них электронов.
В более простых случаях главную роль в химическом взаимодействии играют валентные электроны внешних оболочек реагиРующих атомов. Если при взаимодействии атомных орбиталей двух сближающихся атомов возникает связывающая молекулярная орбиталь, то это эквивалентно образованию химической связи и образованию устойчивой молекулы с минимумом внутренней энергии (см.
гл. 1). Химические реакции в первом приближении можно охарактеризовать как процессы, при которых происходит перераспределение электронов внешних оболочек. Направление реакции существенно зависит от распределения электронов в реагирующих молекулах. Совокупность факторов, управляющих распределением электронной плотности и возможностью образования новой, более стабильной системы, обладающей минимальной потенциальной энергией, в конечном счете обусловливает протекание химической реакции, является ее движущей силой'. 1 Более подробно с этим вопросом можно ознакомиться в кн.: Матье Ж., Паника Р. Курс теоретических основ органической химии.
М.„Мир, 1975; Беккер Г. Введение в электронную теорию органических реакций. М., Мир, 1977. 2. Классификация реакций в органической химии Органические реакции можно подразделить на четыре основных типа: 1) замещение; 2) присоединение; 3) отщлплгние (элиминирование); 4) перегруппировка. Иногда сложная суммарная реакция может включать несколько типовых реакций, однако отдельные стадии суммарной реакции всегда можно отнести к одному из перечисленных типов. Как правило, основное органическое вещество, участвую' щее в реакции, называют субстратом, тогда другой компонент реакции обычно условно рассматривают как реагент.
Распределение электронной плотности в реагирующей молекуле часто определяет тип реагента, с которым основное органическое вещество (субстрат) будет реагировать. Так, в бромистом этиле углеродный атом, связанный с атомом брома и имеющий низкую электронную плотность (см. равд. 3 этой главы), будет легко подвергаться атаке частицами, несущими отрицательный заряд (ХС, НО ), или молекулами, в которых имеются центры с высокой электронной плотностью (:ХНз,:ХВз): 5+ гСНэ — СНг — ь Вг + ОН вЂ” е СНз — СНз — ОН + Вг субстрат вуклео фвл В этом случае реагент называют нуклеофильным реагентом или нуклеофилом, а реакция называется нуклеофильной реакцией.
Нзпротиу, реагент с электронным дефицитом (чистый катион — Н+, Хог, СбН Хз или молекула, имеющая центр с низкой электронной плотностью — Яоз и Вуз) будет реагировать с субстратом, в котором имеются центры с высокой электронной плотностью (см. гл.
9): ОСН Н+ + Хог Ф электрофил Хо субстрат 64 Реагент такого типа называется электрофильным реагентом или электрофилом, а реакция называется злектрофильной реакцией (см. также с. 221). И электрофильные, и нуклеофильные реакции называются гетвролитическими реакциями. Наиболее часто используются нуклеофилы: ОН, ОК, КЯ, ВСОО, На1, СХ, Н, ХНг, -Ь№, ~~0:, ~Я:, КВ( (фактически В ), КМЕХ(К ), 1лл)Н (Н ); электрофилы: Нэ, Нзо+, СеНбХг, НХОз (фактически Хоз), НгЯ04(ЯОз), НХОг(ХО), ВзС, Вс=чэ, Вез, А1С1з, г пС1г. Существуют реакции, в которых реагент является радикальной частицей, несущей неспаренный электрон (см. разд. 5 этой главы).
Такие реакции назь|ваются радикальными или гомолитическими реакциями. Реакции этого типа из-за очень высокой реакционной способности радикалов мало чувствительны к распределению электронной плотности в субстрате: С1з — "-"-е 2С1. СН,+С1 — ~ Н,С.+НС1 НэС + С1г — ь НэСС1+ С1 Образование хлористого метила является результатом кс двух последовательных радикальных реакций (б) и (в). Радикал хлора образуется при УФ-облучении молекулы хлора. Существует не очень большой круг реакций, в результате которых изменяется порядок связей без участия радикальных нли заряженных частиц.
Такие реакции получили названые электроциклическик реакций (см. приложение). Они протекают при облучении нли нагревании: !! + !! ! ! СН, СН, СН,— СН, Надо сказать, что стремление жестко классифицировать реакции в какой-то мере консервативно. Во многих реакциях лишь условно один компонент может считаться субстратом, а второй реагентом. Довольно часто передача электронной пары от нуклеофила к злектрофилу идет ступенчато через первую стадию так называемого однозлектронного переноса Е++ Х вЂ” э(Š— — Х] — э ЕХ с последующей рекомбинацией радикальной пары, возникающей в переходном состоянии (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
