Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow Биоорганическая химия

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ АТОМОВ В МОЛЕКУЛАХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Теоретической основой биоорганической химии является теория строения органических соединений А.М. Бутлерова в ее современной трактовке, в которой используются квантовохимические представления о строении атомов и химических связей, пространственной структуре молекул с учетом их конфигурации и конформаций.

Согласно теории строения органических соединений под химическим строением вещества понимается определенный порядок соединения атомов в молекуле с учетом характера химической связи между ними. Использование положений квантовой химии для объяснения структуры и характера химической связи в органических соединениях позволило выйти на новый уровень понимания структуры органических соединений, механизмов образования различных типов ковалентной связи, зависимости химических свойств и биологических функций соединений от пространственной организации природных молекул.

Природа химических связей в органических молекулах

Учение о природе химической связи является центральной проблемой химии. Не зная характера и способа взаимодействия атомов химических элементов между собой, невозможно понять причины многообразия органических соединений, представить их состав, строение, механизм образования, реакционную способность. Успешное решение этих задач позволяет планировать эксперимент при получении новых веществ с заранее заданными свойствами, осмысливать роль и значение биологически активных органических соединений в процессах жизнедеятельности как на уровне клетки, так и всего организма в целом. Развитие теории строения атома позволило создать современную теорию химических связей, которая базируется па том, что химическая связь между атомами осуществляется за счет того или иного взаимодействия их электронных облаков. Основные химические свойства веществ определяются свойствами валентных электронов атомов и их распределением относительно ядра атома. Это же касается и молекул в целом.

Так как электрон в атоме обладает двойственной природой, т.е. ведет себя и как частица и как волна, то определить точные координаты конкретного электрона в данный промежуток времени невозможно. Можно говорить только о вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства относительно ядра. Поэтому понятие «орбита электрона» заменяется понятием «трехмерная атомная орбиталь», обозначающим ту часть пространства в атоме вокруг ядра, в пределах которой электрон находится с вероятностью 0,90-0,95.

Поведение электрона в атоме или молекуле можно описать волновой функцией |/, квадрат которой |/2 равен вероятности нахождения электрона в данной точке пространства; |/ может быть как положительной, так и отрицательной, но |/2 всегда положительный. Существуют точки, в которых любое свойство волновой функции обращается в ноль. Они называются узлами. Трехмерный эквивалент узла называется узловой поверхностью или плоскостью.

Атомная орбиталь (АО) — это одноэлектронная волновая функция атома, которая описывается тремя квантовыми числами — п, 1 (соответственно главное, азимутальное и магнитное).

Главное квантовое число п характеризует размеры атомных орбиталей и энергию расположенных на ней электронов. Форму АО определяет азимутальное квантовое число /, а их ориентацию в пространстве относительно ядра — магнитное квантовое число т.

Различают 5-, р-, d-, /- атомные орбитали, которым соответствуют волновые функции. Ядро представляет собой часть узловой поверхности для р-, d- и /-орбиталей, .s-орбитали узловой поверхности не имеют. Когда электрон рассматривают в свете теории вероятностей, имеет смысл, хотя это и не совсем точно, описывать его как «облако», распределенное по поверхности орбитали.

Орбитали отличаются энергией, формой и ориентацией в пространстве (рис. 2.1).

Для 5-орбитали характерна симметрия шара, р-орбитали — объемная восьмерка (гантель). Три р-орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях (рх, ру, р2), у каждой из них есть узловая плоскость, в которой волновая функция меняет свой знак.

Для органических соединений наиболее важными являются именно 5- и р-ор- битали, так как на них находятся валентные электроны атомов всех элементов- органогенов. В частности, в атоме углерода в основном (невозбужденном) состоянии электроны расположены следующим образом: 152 252 2р2.

Как известно, на Земле атомы химических элементов, за исключением благородных газов, при обычных условиях не существуют в несвязанном виде, а всегда входят в состав молекул простых или сложных веществ.

Любая физическая система с течением времени стремится к состоянию, в котором она обладает наименьшей энергией и которое является вследствие этого наиболее устойчивым из всех возможных. Для атомов элементов-органогенов такому состоянию соответствует наличие на внешнем электронном слое восьми (...т2пр6) или двух электронов (Is2 — для элементов первого периода). Только атомы элементов VIПА-группы изначально имеют такую электронную конфигурацию.

У атомов остальных элементов число электронов на внешнем энергетическом уровне меньше восьми, поэтому они стремятся его завершить, т.с. приобрести электронную конфигурацию атома ближайшего благородного газа. Сделать это можно несколькими путями:

П взять недостающие до завершения внешнего слоя электроны у другого атома;

П отдать все свои электроны с внешнего слоя другому атому и тогда внешним будет считаться второй снаружи электронный слой, который уже заполнен;

? обобществить электроны, в том числе и за счет создания общих электронных пар, одновременно принадлежащих обоим атомам.

Чтобы реализовать любой из этих вариантов, атомы и вступают друг с другом во взаимодействие, образуя между собой химические связи.

Исходя из этого можно дать следующее определение химической связи.

Химическая связь — это совокупность взаимодействий, которые связывают отдельные атомы в более устойчивые сложные системы — молекулы, ионы.

Природа такого взаимодействия, как правило, является электростатической, т.е. представляет собой силы, возникающие между разноименными зарядами: положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами или положительно и отрицательно заряженными ионами.

Основным условием образования химической связи является понижение энергии Е многоатомной системы по сравнению с суммарной энергией изолированных атомов, т.е. при образовании молекулы АВ из атомов А и В

Следовательно, образование любой химической связи всегда сопровождается выделением энергии. Причем выделившаяся энергия является мерой силы связи между атомами: чем больше выделилось энергии, тем прочнее образовавшаяся связь. Различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую (образуется только в кристаллах простых веществ- металлов, поэтому нс представляет интереса для биоорганичсской химии).

При образовании ионной связи электронная конфигурация, соответствующая конфигурации инертного газа формируется за счет присоединения электронов атома одного элемента атомом другого элемента. В результате образуются заряженные частицы — ионы.

Атом, отдавший электрон, превращается в положительно заряженный ион — катион, атом, присоединивший электрон, приобретает отрицательный заряд - анион. Противоположно заряженные ионы притягиваются за счет электростатического взаимодействия и между атомами образуется ионная (электровалентная, гетерополярная) связь. Например, образование ионной связи при взаимодействии натрия с хлором:

В результате катион натрия приобретает электронную конфигурацию неона, а ион хлора — конфигурацию аргона (8 электронов на внешней оболочке). Так как электрическое поле одинаково и симметрично во всех направлениях, то ионная связь не имеет определенного направления в пространстве. Притягивающиеся противоположно заряженные ионы не находятся в постоянном фиксированном положении относительно друг друга. Такого типа связь существует преимущественно в кристаллах, поэтому корректнее говорить не ионная связь, а ионное взаимодействие. Ионная связь обычно возникает между атомами элементов, сильно отличающихся по электроотрицательности, например между металлами и неметаллами, поэтому в молекулах природных органических соединений встречается сравнительно редко (например, в солях карбоновых кислот и органических оснований).

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>