Конформации молекул и свойства веществ

Выше мы уже не раз сталкивались с вопросом о зависимости свойств веществ от пространственного строения, конформационной изомерии и явления внутреннего вращения молекул. Следует, однако, специально остановиться на этом вопросе, так как в конечном счете он является одним из самых важных. Отдельно можно рассматривать, с одной стороны, газообразные и жидкие вещества, в которых бывает возможно заторможенное внутреннее вращение и динамическая конформационная изомерия молекул, и, с другой стороны, твердые вещества, в которых обычно внутреннего вращения молекул и равновесия между различными конформациями нет, если не считать исключительного случая пластических кристаллов. Вещества, являющиеся при обычных внешних условиях (температура, давление) газообразными и жидкими, образованы сравнительно небольшими, легкими молекулами, тогда как твердые органические вещества построены из тяжелых, больших молекул.

Даже в том случае, когда у какого-то вещества имеет место заторможенное внутреннее вращение молекул, но при этом собственно конформационной изомерии не возникает (все устойчивые равновесные ядерные конфигурации молекул идентичны), например у этана и подобных соединений, степень свободы внутреннего вращения вносит, как мы видели, определенный вклад в свойства вещества и его реакционную способность. Если заторможенное внутреннее вращение молекул дает эффект поворотной изомерии, то еще больше свойства жидкостей и газов, представляющих равновесные смеси различных конформации молекул, зависят от равновесных концентраций этих конформации. Свойства таких веществ могут меняться при изменении внешних условий (температуры, давления, среды и т. д.) в результате того, что конформационное равновесие может быть при этом смещено в ту или другую сторону. Так, например, как в рассмотренном ранее случае 1, 2-дихлорэтана, если два поворотных изомера молекул какого-то вещества резко отличаются дипольными моментами и энергиями, то полярность вещества будет зависеть от температуры. Когда менее устойчивый поворотный изомер обладает большим дипольным моментом, полярность вещества с повышением температуры растет, и наоборот. Вообще с ростом температуры увеличивается скорость заторможенного внутреннего вращения молекул или происходит большее за-селение высоких энергетических уровней крутильного колебания, и энергии различных поворотных изомеров имеют тенденцию к уравниванию. Конформационное равновесие может быть смещено также при изменении давления в парах или в растворах подбором соответствующих растворителей. В полярных растворителях (хлороформ, спирт, ацетон и т. д.) равновесие смещается в сторону увеличения концентрации поворотного изомера, имеющего больший дипольный момент, а в неполярных растворителях (циклогексан, четыреххлористый углерод, сероуглерод и т. д.), наоборот, увеличивается концентрация менее полярной конформации. Аналогично этому резкое смещение конформационного равновесия происходит при сжижении газообразного вещества, если его поворотные изомеры сильно отличаются дипольными моментами. Эти процессы в растворах и жидкой фазе вещества связаны, как мы уже говорили выше, с межмолекулярным диполь-дипольным взаимодействием, понижающим энергию полярных конформаций. Роль неполярного растворителя, например, сводится при разбавлении к удалению полярных молекул друг от друга и приближению их энергий к величине, характерной для газовой фазы.

Наиболее "драматично" конформационный состав может изменяться, как мы видели в предыдущей главе, при замораживании, т. е. при переходе к твердому состоянию вещества, особенно у соединений группы А, когда одна из возможных конформации молекул имеет предпочтительную форму для образования кристаллической решетки. Не будем повторять здесь того, что уже было сказано выше о связи свойств твердых веществ с их конформационным составом. Заметим, что также в связи с различиями пространственной формы поворотных изомеров избирательно может повышаться устойчивость каких-либо конформации при явлениях адсорбции на различных поверхностях твердых тел. Это явление играет в настоящее время большую роль, например при разделении некоторых веществ на так называемых молекулярных ситах (твердые вещества специальной структуры - цеолиты и др.), когда полости этих сит, имеющие определенные размеры и форму, заполняются наиболее предпочтительными по форме конформациями молекул какого-то из веществ, Которое и требуется выделить. Не меньшее значение это имеет при некоторых каталитических направленных реакциях, когда для специфического взаимодействия с активными центрами поверхности катализатора, расположенными на ней определенным образом, одна из возможных конформации молекул данного вещества является предпочтительной по сравнению с другими, и т. д.

Если говорить о реакционной способности веществ, представляющих равновесные смеси нескольких конформации, то, во-первых, константу скорости определенной реакции такого вещества можно выразить следующим соотношением: k=∑k_iN_i, где N_i - мольная доля конформации, помеченной индексом i, k_i - константа скорости реакций для i-той конформации, ∑ - сумма по всем конформациям. Это соотношение предполагает, что в данную реакцию могут вступать все конформации молекул данного вещества, но с разными скоростями. Если какая-то конформация является более выгодной, т. е. в таком случае скорость реакции является наибольшей, тогда как скорости реакций для других конформации малы или близки к нулю, то смещение конформационного равновесия в сторону повышения концентрации более реакционно-способной формы увеличивает общую скорость протекания реакции с данным веществом.

Во-вторых, важным является соотношение энергии активации для данной реакции и потенциального барьера заторможенного внутреннего вращения молекул реагирующего вещества. Если потенциальный барьер выше, чем энергия активации данной реакции, то скорость последней будет определяться как сказано выше и зависеть от положения конформационного равновесия. Кроме того, возможен случай, когда различные конформации дают при этом различные продукты реакции с одним и тем же соединением, т. е., по сути дела, протекают параллельно различные химические реакции данного вещества сложного конформационного состава с каким-то другим соединением.

При наличии заторможенного внутреннего вращения простых молекул в жидкой и газовой фазах величина потенциального барьера бывает обычно ниже энергии активации почти любой химической реакции. Иными словами, в случае достаточно простых молекул при их возбуждении, необходимом для вступления в реакцию с другими молекулами, им сообщается энергия значительно большая, чем энергетический барьер внутреннего вращения, и все возможные конформации реагирующих молекул одинаково легко могут при этом реализоваться. Кроме того, реагируя, молекула может находиться в возбужденном электронном состоянии, а о геометрий равновесных ядерных конфигураций молекул в возбужденных электронных состояниях мы знаем пока очень мало.

Чем больше размеры молекулы, чем больше в ней одинарных связей между узлами, имеющими нелинейную структуру, тем больше число ее возможных поворотных изомеров или . конформации. Поскольку внутреннее вращение в молекулах может происходить только с одновременным изменением относительной ориентации нескольких соседних узлов, то с увеличением размеров молекулы, если даже она находится а жидкой или газовой фазах вещества, затрудняется переход одной конформации молекулы в другую, т. е. возникает высокий суммарный потенциальный барьер, Сравнительно высокие барьеры внутреннего вращения имеют уже, например, молекулы соединений циклогексанового ряда и других циклических и гетероциклических соединений. Энергии активации многих химических реакций таких соединений оказываются ниже потенциальных барьеров или сравнимы с ними. Поэтому, пожалуй, наиболее изученной в конформационном анализ не является зависимость реакционной способности веществ от их конформационного состава в случае циклических систем. Мы не можем рассматривать здесь конкретных примеров, так как это заставило бы нас слишком углубиться в область специальных химических вопросов.

В результате того что в больших молекулах происходит суммирование энергетических и других эффектов поворотной изомерии отдельных звеньев, устойчивая конформация молекулы играет все большую роль в определении всех свойств (вещества, а не только его реакционной способности, что особенно ярко проявляется в случае твердых полимерных веществ. Без учета поворотной изомерии молекул невозможно понять свойства как искусственных, так и природных полимеров. Еще сравнительно недавно при рассмотрении свойств полимеров предполагалось, что их молекулы могут принимать какую угодно пространственную форму. Однако многие из теоретически возможных конформации полимерных молекул оказываются на самом деле неустойчивыми, и существование целого ряда из них маловероятно.

Полимерные вещества являются обычно твердыми, но в зависимости от строения их молекул они могут быть либо аморфными, либо кристаллическими, либо содержать как аморфные участки, так и кристаллические включения - кристаллиты. Последнее относится, например, к линейным и мало сшитым^* полимерам, таким, как полиэтилен, гуттаперча, натуральный каучук и т. д.

^* (Сшитые полимеры, например каучуки, основные компоненты резины и т. д., - это вещества, образованные длинными цепочечными молекулами, соединенными между собой поперечными мостиками, например из атомов серы, т. е. представляющие трехмерные молекулярные структуры.)

Возьмем в качестве примера полиэтилен, молекула которого представляет собой простую углеводородную цепь (рис. 10, а). Внутреннее вращение относительно одной связи С-С в молекуле полиэтилена, как и любого нормального парафинового углеводорода, можно сравнивать с внутренним вращением молекулы н-бутана (см, рис. 7). Устойчивая кристаллическая модификация н-бутана образуется молекулами транс-поворотно-изомерной формы, но возможна и другая модификация, содержащая обе конформации: транс- и гош-. В длинных цепочечных молекулах твердого полиэтилена также возможны транс-формы звеньев, дающие, находясь рядом в цепи, вытянутые зигзагообразные конформации молекул. Такие конформации при параллельной упаковке молекул в твердой фазе образуют правильную кристаллическую структуру. Но в некоторых частях цепочках молекул возможно наличие и звеньев гош-формы, что сразу приводит к изгибу цепи и большим затруднением в регулярной плотной упаковке молекул в твердой фазе, т.е. к появлению аморфных включений.

Поворотной изомеризацией звеньев молекул полимеров, приводящей к растяжению или скручиваю цепей и даже сшитых трехмерных блоков, бывают обусловлены некоторые свойства многих полимерных материалов, такие, как эластичность, способность кристаллизироваться в различных полиморфных модификациях и др.

При усложнении строения молекул полимеров, т.е. при определенной сложной "структуре" и определенных "конфигурациях" узлов и звеньев, случается так, что в каждом отдельном звене цепи в силу внутримолекулярных энергетических факторов вынужденно реализуется только одна определенная поворотно-изомерная форма. На рис.10, б показана нерегулярная полимерная цепь, называемая атактической, у которой нет какой-либо закономерности в чередовании одинаковых "конфигураций" звеньев, т.е. в пространственном расположении в узлах радикалов (R), представляющих либо какой-то атом, отличный от Н, либо группу атомов. В каждом звене такой цепи реализуется определенная поворотно-изомерная форма. Эти формы показаны на том же рисунке в виде "шахматных" проекций рядом с атактической цепью (сама цепь здесь представлена совершенно условно вытянутой только для наглядного пояснения термина "атактическая" и не отражает реальной конформации всей молекулы). Поскольку какого-либо регулярного чередования звеньев различного типа в атактической цепи нет, то конформация всей цепи неопределенна, т. е. молекулы полимера могут быть закручены произвольно самым различным образом. Такие атактические полимеры обычно представляют аморфные вещества, так как регулярная упаковка их молекул невозможна. Если же они и могут в некоторых случаях кристаллизоваться, то лишь частично.

Рис.10. Модели некоторых полимерных цепей и 'шахматные' проекции устойчивых конформаций звеньев: а - политиэлен; б - нерегулярная атактическая цепь; в - изотактическая и г - синдиотактическая стереорегулярные цепи

Очень важным открытием явилось синтетическое получение так называемых стереорегулярных полимеров (рис. 10, в ,и 10, г) - новых чрезвычайно ценных материалов. Из-за специфичности строения молекул этих полимеров, т. е. закономерного чередования звеньев определенной "конфигурации", которой в силу внутримолекулярных энергетических факторов (сильных пространственных взаимодействий несвязанных атомов и групп) соответствует и определенная единственно устойчивая поворотно-изомерная форма, в твердом полимере может реализоваться только одна конформация всей цепи. Это приводит к тому, что стереорегулярные полимеры представляют собой кристаллические вещества. Кристаллы изотактических полимеров (рис. 10, в) образованы параллельно упакованными молекулами, закрученными в правильную спираль^*, так как каждое звено имеет гош-форму углеродного скелета цепи, а кристаллы синдиотактических полимеров (рис. 10, г)-молекулами вытянутой зигзагообразной конформации, так как каждое звено имеет транс-форму углеродного скелета (см. на рис. 10 "шахматные" проекции, показанные рядом с цепями).

^* (На рис. 10, в реальная конформация всей молекулы не показана, а цепь условно вытянута, для того чтобы нагляднее пояснить термин "изотактическая".)

Такие полимерные вещества обладают исключительно ценными качествами: большой термостойкостью, большой прочностью на разрыв и другими преимуществами перед аналогичными не стереорегулярными полимерами. Так, изотактический полипропилен (на рис. 10, в при R = CH₃) обладает такой же прочностью на разрыв, как и сталь, будучи в восемь раз легче; текстильные волокна, получаемые из некоторых сравнительно простых, но стереорегулярных полимеров, имеют ту же прочность, что и нейлон, но более эластичны; очень ценный материал представляет синдиотактический поливннилхлорид (на рис. 10, г при R = C1) и многие другие стереорегулярные полимеры. Велико не только практическое, но и теоретическое значение открытия особенностей пространственного строения и методов получения стереорегулярных полимеров. Полимеры живой природы, о которых мы скажем несколько слов ниже, также имеют стереорегулярное строение, поэтому осуществление синтеза изотактических и синдотактических полимеров является важным шагом на пути познания биосинтеза.

Детали пространственного строения молекул, а следовательно, и явления заторможенного внутреннего вращения и конформационной изомерии вообще имеют в биохимии, химии физиологически активных веществ и природных соединений огромное значение. Возьмем в качестве примера группу веществ, называемых стероидами, В основе скелета молекул этих веществ, играющих большую роль в жизнедеятельности живых организмов, лежит система конденсированных предельных шестичленных и пятичленного углеводородных циклов: (родоначальником ряда является углеводород стеран или циклопентанопергидрофенантрен). Имеется огромное разнообразие стероидов, к которым относятся составные части животных и растительных жиров, некоторые витамины, половые и некоторые другие гормоны, желчные кислоты, некоторые яды и алкалоиды. Это разнообразие связано не только с различиями в "структуре" и "конфигурациях" молекул стероидов, но и с конформациями их молекул. В сложной конденсированной циклической системе стероидной молекулы переход одной возможной конформации в другую чрезвычайно затруднен (потенциальный барьер конверсии или внутреннего вращения очень высок) и в обычных условиях невозможен, так что различные конформации при одной и той же "структуре" и "конфигурации" молекулы стероида образуют различные вещества, имеющие свою специфику. В настоящее время в деталях выяснено строение большинства стероидов. Зависимость их физиологических свойств от пространственного расположения замещающих циклы функциональных групп, т. е. не только от конформации самих циклов ("кресло" - "ванна"), но и от аксиального или экваториального их замещения, от конформации всей молекулы, особенно четко установлена для стероидных гормонов. Это позволило разработать методы получения этих соединений в промышленном масштабе для широкого практического применения их в лечебных целях.

Рис. 11. Модель левой α - спирали белка (по Полингу). Пунктиром обозначены водородные связи; химические связи независимо от их кратности показаны одной чертой; R - радикал (аминокислотный остаток)

Такие вещества живой природы, как углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и др., играющие основную роль в жизненных процессах, представляют собой, как упоминалось, стереорегулярные биополимеры. В молекуле белка, помимо атомов углерода, азота и кислорода в цепи и атомов водорода, способных к замещению, присутствуют важнейшие структурные элементы - аминокислотные остатки, в различном порядке расположенные у разных белков. На рис. 11 показана модель так называемой α -спирали белковой молекулы, которая скручивается в результате реализации определенных регулярно чередующихся поворотноизомерных форм отдельных звеньев различного типа. Стабилизация такой конформации молекулы в значительной степени обусловлена образованием дополнительных, так называемых водородных связей, которые осуществляются протонами, находящимися между атомами азота и кислорода. Разрушение или денатурация белка начинается прежде всего с разрыва этих водородных связей и изменения конформации молекулы, когда белок уже теряет некоторые свои важные свойства.

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) - основного вещества клеточного ядра живых организмов, представляет собой двойную спираль, т. е. две полимерные цепи сложного строения, как бы навитые на одну ось. Важнейшие свойства ДНК также связаны не только со "структурой" и "конфигурацией", но и с конформацией молекулы. Различные конформации возможны не только у цепей биополимеров, но и в их ответвлениях (радикалах, аминокислотных .остатках, циклах). Биологические функции белков, нуклеиновых кислот и других полимеров живой природы (самовоспроизводимость, наследственность, ферментативный обмен и т. д.) обусловлены протеканием физико-химических процессов, которые во многом зависят от всех особенностей химического строения этих молекул. Для глубокого понимания этой связи необходимо изучение биологических объектов на молекулярном уровне и расшифровка не только "структурного" и "конфигурационного", но и конформационного кодов строения молекул биополимеров.

Кому-нибудь может показаться, что этот раздел книжки и вообще все сказанное в последних главах о связи свойств веществ со строением их молекул находится в некотором противоречии с утверждением, сделанным и развиваемым в начале книги, что свойства вещества и свойства одной его молекулы - не одно и то же. Однако никакого противоречия здесь нет, и надо понимать следующее. Хотя свойства вещества действительно зависят не только от строения его молекул, но и от внешних условий, прежде всего температуры, давления, и многих других факторов, во-первых, строение и свойства молекул остаются при всем этом одним из главных факторов, определяющих свойства образуемого ими вещества. Во-вторых же, очень часто в химии и почти всегда в биологии и биохимии имеют дело с весьма узкими пределами изменения внешних условий, в которых протекают те или иные процессы с веществами. Многие биологические процессы, например, вообще протекают при постоянной температуре. В этих условиях (фиксированная среда, температура, давление и т. д.) решающую роль в понимании свойств веществ и характера идущих процессов имеет познание связи их со строением и свойствами химических-частиц, в частности молекул. Следует только всегда помнить, что установленные в узких пределах изменения внешних условий закономерности указанной связи свойств веществ со строением молекул могут требовать исправлений или даже оказаться негодными при переходе в другие области изменения внешних условий.