Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Literatura:
- Došen-Mićović, Lj.“Osnovi fizi čke organske hemije i stereohemije”,Zavod za udžbenike, Beograd, 2006
- Goodman, J.M.“Chemical Applications of Molecular Modelling”,RSC,Cambridge, UK, 1998
Softver:VEGA ZZ (sa NAMD programom?) http://www.vegazz.net/AutoDock Vina http://autodock.scripps.edu/Abalone http://www.biomolecular-modeling.com/Abalone/Arguslab http://www.arguslab.com/arguslab.com/ArgusLab.htmlAvogadro http://avogadro.openmolecules.net/
2
Ista molekulska formula ?
KLASIFIKACIJA IZOMERA
NISU IZOMERI: C6H13Cl i C6H13OHne
Mogu li se potpuno preklopiti ?
da homomeri (identični)da
IZOMERI
ne
Ista konstitucija? ne
da
S T E R E O I Z O M E R I
konstitucioni izomeri
S T E R E O I Z O M E R I
Identični posle rotacije oko proste veze ? da
ne
KONFORMACIONIIZOMERI
KONFIGURACIONI IZOMERI
Da li su kao predmet i lik u ogledalukoji se ne mogu preklopiti ?
da
ne
ENANTIOMERI
DIASTEREOIZOMERI
3
DIASTEREOIZOMERI
Izomerija oko dvostruke veze ili prstena ?
da
geometrijski izomeri
Molekulski modeliDraidingovi modeli i jeftinije varijante (veze i uglovi):
kalotni modeli (oblik i zapremina):
van der Waals-ov radius
Element Kovalentni Van der Waals-ov
H 0.32 1.2
C 0.77 1.7
N 0.75 1.55
O 0.73 1.4
F 0.72 1.35
S 1.02 1.85
P 1.05 1.9
4
kompjuterske grafike:
RasMol http://www.umass.edu/microbio/rasmolSwissPdb Viewer http://www.expasy.org/spdbv/Chime http://www.mdlchime.com/chime/DS Viewer http://www.accelrys.com/Maestro Viewer http://www.schrodinger.com/
PDB (Protein Data Bank) http://www.rcsb.org/Protein Data Bank in Europe http://www.ebi.ac.uk/pdbe/Uniprot http://www.uniprot.org/
5
Prenošenje 3D strukture kompjuteru preko fajlova odgovarajućegformata:
pdb fajl za aceton (kartezijanske koordinate):
HETATM 1 C 1 -0.382 -1.245 0.000
HETATM 2 C 2 -0.337 0.271 0.000
HETATM 3 C 3 -1.673 0.990 0.000
HETATM 4 O 4 0.711 0.876 0.000
CONECT 1 2
CONECT 2 1 3 4
CONECT 3 2
CONECT 4 2
END
REMARK 4REMARK 4 File converted by VEGA V1.5.1REMARK 4HETATM 1 C 1 1 -0.382 -1.245 0.000 1.00 0.00ATOM 2 H1 1 1 0.600 -1.773 0.000 1.00 0.00ATOM 3 H2 1 1 -0.999 -1.601 -0.857 1.00 0.00ATOM 4 H3 1 1 -0.914 -1.552 0.930 1.00 0.00HETATM 5 C 2 2 -0.337 0.271 -0.000 1.00 0.00HETATM 6 C 3 3 -1.673 0.990 -0.000 1.00 0.00ATOM 7 H1 3 3 -1.640 2.105 -0.000 1.00 0.00ATOM 8 H2 3 3 -2.290 0.634 0.857 1.00 0.00ATOM 9 H3 3 3 -2.205 0.683 -0.930 1.00 0.00HETATM 10 O 4 4 0.711 0.876 -0.000 1.00 0.00TER 11 4 4CONECT 1 5 2 3 4CONECT 2 1CONECT 3 1CONECT 4 1CONECT 5 1 6 10CONECT 6 5 7 8 9CONECT 7 6CONECT 8 6CONECT 9 6CONECT 10 5MASTER 3 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0END
6
Interne koordinate:
N1
H2 1 r2
H3 1 r3 2 a3
H4 1 r4 2 a4 3 d4
r2=1.0
r3=1.0
r4=1.0
a3=110.
a4=110.
d4=120.
Domaći zadatak: napisati seminarski rad o strukturi uobičajenih računarskih zapisa molekula: PDB, Z-matrica, MOL (V2000), SDF,SMILES
ANTI KOSA
EKLIPSNA STEPENIČASTA
KONFORMACIJA - različiti prostorni rasporedi atoma u molekulu tokom rotacijeoko jednostruke veze
SINSIN
SIN
X=Y=CH3
7
Atomi u molekulu nisu statični, oni se kreću: menjaju se dužine veza, vrednosti uglova veza, torzioni uglovi– menjanju se koordinate atoma.
Konformacija predstavlja svaki raspored atoma nekog molekula u prostoru.
Interesantne samo one konformacije imaju nisku energiju ili one koje odgovaraju minimumu energije. Zašto?
Boltzmann-ov zakon raspodele:Ako imamo dve strukture (konformacije) A i B, njihove zastupljenosti u smesi će biti nA i nB ,a njihov odnos je dat sledećom jednačinom:
nA + nB = 1Ako je EA > EB ; nA/nB < 1; nA < nB
Onoga što ima nižu energiju ima više.
Cikloheksan:
nS/nB=exp(-ΔES-B/RT)
VEŽBA 1
ΔES-B = -20.7kJ/mol
T=300 K, R=8.314 J/Kmol
nS/nB = 4024
nS : nB = 4024 : 1
Uvijeni brod praktično ne postoji u smesi.
Ono čega ima više odredjuje osobine smese u ovomslučaju molekul cikloheksana.
8
ZAŠTO JE VAŽNO ZNATI KONFORMACIJU MOLEKULA?Dominantna konformacija određuje osobine molekula.
1,2 dihloretan
µanti = 0.0 D µeks= 1,12 D
Ako je samo globalni minimum važan: µ=0.0 D(treba znati sve konformacije molekula ili bar one najzastupljenije)
anti kosa
globalni minimum lokalni minimumi
9
Zašto sistem preferira određene konformacije?
Ako je sistem izolovan, onda ne može da gubi svoju energiju.
Ali, sistemi teže povećanju entropije.
Stanje najveće entropije je u stvari ono stanje sa najmanjim naponom na vezama, jer to stanje ima maksimalan broj mogućih pokreta u molekulu.
ΔG = ΔH - T ΔS
ΔG -> promena slobodne energije
ΔH -> promena entalpije (energija veza + kinetička e.)
ΔS -> promena entropije
Promena slobodne energije može se dovesti u vezu sa ravnotežnom konstantom različitih stanja:
- ΔG = RT ln K K = [B]/[TB]
10
Primer : dobili ste proizvode A i B i oni su u ravnoteži pod reakcionim uslovima
nA/nB = exp -(∆HA-B)/RT
Ali ako je jedan ahiralan, a drugi se dobija kao par enantiomera ili molekuli imaju više konformacionih oblika morate uzeti u obzir entropijske efekte.
nA/nB = exp -(∆HA-B – T∆SA-B)/RT = exp -(∆GA-B)/RT
Kako izračunati ΔH i kad je to neophodno?
obično se zanemaruje
ΔHp-r= ΔH0p-r + Δ doprinosi translacionih, rotacionih, vibracionih
stepena slobode na višoj temperaturi
(ΔEp-r + energija veza)
Iz parametara za veze koji su deo nekih MM programa (MM2, MM3)
E = 8.59 kcal/mol 10.08 kcal/molΔH ~ ΔE isti broj i vrsta veza
ΔE = 1.49 kcal/mol ΔH = 1.7 kcal/mol
H2/Pt
11
Striktno govoreći sve izračunate vrednosti se odnose na0 K, pa kompletna funkcije izgledaju ovako:
ΔHp-r = ΔH0p-r + RT2 [δ(Qp/Qr)/δT] =
Q – particiona funkcija
Q=QtQeQvQr
Aproksimacije:
Zanemaruje se potpuno Qns
(ns - spin jezgra) jer bitna samo u jakom magnetnom polju
Qe – elektronska funkcija je ista za gotovo sva stabilnahemijska jedinjenja i degenerisanost = 1 za osnovnostanje.
Ostaje: Q=QtQrQv
Qt = V[(2πmkT)3/2/h3]
Qr = [8π2(8π3ABC)1/2(kT)3/2]/σh3
Qv =
V – zapremina m – masaT – temperatura A,B,C – glavni momenti inercijeσ – broj simetrije νi - frekvencija
12
Entropija neke promene (reakcije) data je izrazom:
ΔS=Rln(Qp/Qr) + RT [δln(Qp/Qr)/δT] + ΔSmix-TΔS=-RTln(Qp/Qr) – RT2 [δln(Qp/Qr)/δT] - TΔSmix
ΔHp-r = ΔH0p-r + RT2 [δln(Qp/Qr)/δT]
ΔG = ΔHp-r – TΔS = ΔH0p-r - RTln(Qp/Qr) – TΔSmix
Q=QtQrQv
RTln(Qp/Qr) =RT(ln(Qtp/Qtr) + ln(Qrp/Qrr) + ln(Qvp/Qvr))
Striktno govoreći ΔG:
ΔGp-r = ΔHp-r – TΔSp-r = ΔH0p-r - RTln(Qp/Qr) - TΔSp-r
mix
Q=QtQrQv
RTln(Qp/Qr) =RT(ln(Qtp/Qtr) + ln(Qrp/Qrr) + ln(Qvp/Qvr))
zavisi od mase i zapremine
zavisi od mase i simetrije
zavisi od frekvence oscilovanja atoma
13
Kako izračunati ΔS ?
ΔG = ΔGk-a – TΔSk-a
ΔG = ΔEk-a – RTln[σ-1k/ [σ-1
a] – TΔSmixk-a
izračunata konformaciona entropija mešanja
energija
najviši broj simetrije (iz rotacione particione funkcije)
broj identičnih orijentacija koje molekul može zauzeti tokom rotacije oko svoje ose simetrije
Za konformacionu promenu 1,2-dihloretana:
sadrži translacione, rotacione i vibracione doprinose
1,3- dibrompropan
σ = 1 σ = 1
∆Smix>0
σ = 2 σ = 2
∆Smix>0∆Smix=0 ∆Smix=0
14
Promena broja molekulskih vrsta (entropija mešanja):
entropija mešanja
xi je molski udeo pojedinih konformera
∆S > 0
jedan anti oblik dva kosa oblika
R= 8.314 x 10-3 kJ/K mol
ΔSk-a = 5.7628 x 10-3 kJ/K mol
na temperaturi od 298 K , TΔS = 1.7 kJ/mol
15
Šta sve dovodi do promene entropije?
1. Promena broja molekula gasa
CaCO3 (s) CaO (s) +CO2 (g) ∆∆∆∆S >>>> 0
2SO2 (g) + O2 (g) 2SO3 (g) ∆∆∆∆S <<<< 0
2. Promena broja molekulskih vrsta (entropija mešanja):
∆S > 0
jedan anti oblik dva kosa oblika
3. Promena broja stepeni slobode:
A. translacionih (maksimalno 3) (tri pravca, duž x, y, z ose)B. rotacionih ( maksimalno 3) (rotacija oko tri ose duž x, y, z)C. vibracionih (3n-6) ( 3n-5 za linearne molekule, n-broj atoma)D. intramolekulski - interna rotacija
ΔS < 0
smanjen broj stepeni slobode
za internu rotaciju
16
Kod građenja kompleksa:
Najveći je gubitak translacionih stepena slobode pa to najviše utičena negativni entropijski efekat tj. na smanjenje entropije.
∆Gk-a = ∆Ek-a – RTln[σ-1k/ σ-1
a] – T∆Smixk-a
∆Gk-a = 1.631 kcal/mol – RTln [(1/2)/(1/2)] kcal/mol – T[(-Rn1lnn1 – Rn2lnn2) – (-R1ln1)] kcal/mol
0
0.5 0.5
0
T = 300 K, R = 0.002 kcal/mol K
∆Gk-a = 1.631 kcal/mol – 0.416 kcal/mol = 1.215 kcal/mol
na = 0.88 nk = 0.12
favorizuje konf. niže energije favorizuje konf. niže simetrijefavorizuje konf. veće entr. mešanja
C2
C2
17
Konformaciona analiza – atomi u molekulu u stalnom kretanjuRotacija oko veza u molekulu nije sasvim slobodna jer pri rotaciji mora da se savlada određena energetska barijera .
Torzioni ugao određuje položaj grupe na jednom ugljenikovom atomu u odnosu na grupe na susednom
ugljenikovom atomu.
HA−C−C−HB jednak +60° ( 600)
HA−C−C−HC ugao je −60° ( 3000)
Prilikom rotacije oko veze energija molekula se menja:
stepeničasta eklipsna
Različiti položaji atoma pri rotaciji oko veze su konformacije
18
n-butan:
stepeničaste
ekilipsne
razlika u energiji posledica sternih interakcija
Stepeničaste konformacije butana
Ekilipsne konformacije butana - barijera
antikose (goš) kose (goš)
19
Za anti konformaciju kažemo da je „stabilnija“ konformacija -ima nižu slobodnu energiju nego kosa konformacija – biće više zastupljena u uzorku butana.
∆H ∆E
favorizuje anti konformaciju
Entropija favorizuje kosu konformaciju - 2 kose konformacije i 1 anti
konformacija.∆Gk-a = 1,6 kJ/mol
na+nk=1 molski udeli anti i kose konformacije
na=0,66 i nk=0,34
Osobine svakog molekula, koji ima više konformera, određene su, pre svega, osobinama najstabilnijeg, što znači i
nazastupljenijeg konformera.
µa=0 D
µk= 3,0 Dµµµµeksp.=1,12D
86% anti
14% kosog
razlika u energiji posledica sternih i elektrostatičkih interakcija
= meri se polarizacija
20
Kod 1,2-difluoretana kosa konformacija je stabilnija. (Dva jakoelektronegativna atoma na susednim atomima, hiperkonjugativniefekat jak, u kosoj konformaciji najpoviiljnija orijentacija obafluorova atoma
razlika u energiji posledica sternih i elektrostatičkih i orbitalnih interakcija
Poreklo i visina barijere za slobodnu rotacijuodređuju je intramolekulske interakcije atomskih jezgara i elektrona koji čine molekul
privlačne interakcije
odbojne interakcije
energija privlačenja jezgra i elektrona
energija odbijanja jezgara
energija odbijanja elektrona
kinetička energija elektrona
U zavisnosti od toga da li odbojni ili privlačni član dominira barijeru smatramo odbojnom , odnosno privla čnom .
21
U organskoj hemiji je, međutim, uobičajeno da se govori o atomima i vezama, tako da se i barijera definiše preko interakcija atoma i veza.
Interakcija elektronskih oblaka u susednim vezama -
Picerov (Pitzer ) napontorzioni napon
visina barijere
torzioni ugao
Vt > Vt
Odstupanja uglova veza od njihovih optimalnih vrednosti –Bajerov (Baeyer) napon VB:
Odstupanja dužina veza od njihovih optimalnih vrednosti –napon veze VL:
Vv > Vv
privlačenje ili odbijanje među atomima međusobno udaljenim za tri ili više veza - van der Valsov ( nevezivni, sterni napon) Vv.
22
Ukoliko u molekulu postoje polarne veze: parcijalna atomskanaelektrisanjadipoli veza
kosi konformer 1−hlorpropana je stabilniji
Vodonična vezauvek stabilizuje onu konformaciju u kojoj je ta veza najjača :
V = Vt + Vv + VB + VL + VE + (H-bond, anomerni efekat i sl.)
ukupna energija:
Maksimumi ove energije (V) predstavljaju barijere, a minimumi odgovaraju stabilnim konformacijama.
23
U slučajevima kada su dva heteroatoma (obično kiseonik, sumpor i halogeni ) vezana za isti ugljenikov atom dolazi do izražaja jošjedna intramolekulska interakcija poznati kao anomerni efekat .
stabilizacija konformacije sa anti orjentacijom polarne veze i orbitale slobodnog elektronskog para
rezultat kvantnog efekta, tj. orbitalnih interakcija C−F veze i slobodnog elektronskog para
+ uticaj sredine (rastvarača)
Zasićeni ugljovodonici - anti konformacija (C−C−C−C ugao ∼180°)
24
Glavna konformaciona karakteristika acikli čnih jedinjenja sa dvostrukom vezom jeste veća stabilnost eklipsne konformacije.
eklipsna ( stabilna ) presecajuća
minimum maksimim (barijera)
Konformacije 1-butena
presecaju će
25
Aldehidi i ketoni - eklipsna konformacija
Estri, kiseline, vinil etri :
Dominira cis konformacija – elektrostatičke interakcije
26
Kod amida - E i Z konformacijestabilnija Z - elektrostatičke i sterne interakcije
N – metilamid
N- metilacetamid
amidi - barijera ∼84 kJ/mol – konformacioni izomeri
C=C veze - Barijera 167 kJ/mol – sprečena rotacija - diastereoizomeri
Diastereoizomerija koja nastaje:- kao posledica postojanja dva ili više asimetričnih centara u molekulu,- kao posledica izomerije oko dvostruke veze i - kao posledica izomerije oko prstena,predstavljaju pravu diastereoizomeriju.
Diastereoizomerija može nastati i usled sprečene rotacije :
U NMR spektrima:
27
Kada jedinjenja sa dvostrukom vezom imaju odgovarajućesupstituente, barijera za rotaciju oko dvostruke veze može setoliko sniziti da rotacija postaje moguća i gubi sediastereoizomerija:
Diastereoizomerija kao posledica sprečene rotacije okoproste veze predstavlja granični efekat između slobodnerotacije (kod proste veze) i prave geometrijske izomerije okodvostruke veze.
Atropizomeri
izomerija koja nastaje usled sprečene rotacije oko proste vezetoliko da izomeri mogu biti izolovani .
tetra orto-supstituisani difenili :
Sprečena rotacija:barijera rotacije iznad 93 kJ/mol (22 kcal/mol) na 300K
nisku barijeru rotacije
ovaj molekul će imati ravan simetrije (biće simetričan)
28
grupe u orto položaju različite i voluminozne:
dva enantiomera sa međusobno približno upravnim ravnima aromatičnih prstenova (ugao varira od približno 40° do 90°)
3,4 − dihlortriptofen:
29
termi čka racemizacija koja se vrši bez raskidanja kovalentnihveza preko konformacionih promena.
Na povišenoj temperaturi molekul ima više energije i može da predje višu barijeru.
Diastereoizomerija koja nastaje:- kao posledica postojanja dva ili više asimetričnih centara u molekulu,- kao posledica izomerije oko dvostruke veze i- kao posledica izomerije oko prstena,predstavljaju pravu diastereoizomeriju.
Diastereoizomerija može nastati i usled sprečene rotacije :
U NMR spektrima:
30
Metode za određivanje konfiguracije
1. HEMIJSKE: korelacija sa jedinjenjima poznate konfiguracije iproučavanje mehanizama stereohemijskih reakcija
2. FIZIČKE: difrakcija X-zraka, ili NMR (Nuklearna Magnetna Rezonanca).
obrati pažnju na konfiguraciju R odnosno S
1. korelacija sa jedinjenjima poznate konfiguracije
31
1. proučavanje mehanizama stereohemijskih reakcija
2. FIZIČKE: difrakcija X-zraka, ili NMR ( Nuklearna Magnetna Rezonanca ).
difrakcija X-zraka
metoda teškog elementa:
Kada nema teškog elementa - konfiguraciju bar jednog asimetričnog centra
L-mentol
32
NMR ( Nuklearna Magnetna Rezonanca )
CH3 različite
CH3
CH3
CH3 iste
CH3
CH3
derivatisa optički aktivnom kiselinom
CH3
CH3
33
Eksperimentalne i ra čunske metode konformacione analizeEksperimentalne metode: a. Metoda difrakcije X-zraka
b. Elektronska difrakcija
Jedina je apsolutna metoda – orgraničenje: kristalno jedinjenje
analizi zračenja (λ) - reflektovanog sa velikog broja ravnikristalne rešetke.
zapremina jedinične ćelije
elektronska gustina u kristalu
strukturni faktor proporcionalan Intenzitetu reflektovanog zračenja
fazni ugao
αhkl - vrednost nije moguće odrediti
a. metod teškog atomab. metoda probe i greške tj. predpostavljanja vrednosti α;
a. derivat molekula koji sadrži brom: ima veliku elektronsku gustinu
fazni ugao
struktura
a. i b. meri se veliki broj refleksija sa raznih ravni u kristalu
Intenzitet F hkl
b. predpostavi se struktura molekula fazni ugao ( α ) i strukturni factor (Fhkl ) Intenzitet poredjenje
saeksperimentalnim
intenzitetom
34
Kompjuterom sa odgovarajućim softverom iz difrakcionih podatakamože se dobiti slika molekula sa svim parametrima strukture, koordinatama atoma, dužinama veza, veličinom uglova veza.
Slika molekula dobijena pomoću programa ORTEP III
Kod fleksibilnih molekula kristal sadrži jednu konformaciju, obišno jednu od onih sanajnižom energijom, ali ne obavezno globalni minimum.
Elektronska difrakcija :molekuli u gasovitoj fazi
relativno mali molekuli
preko intenziteta difraktovanog zračenja - do geometrije molekula
funkcija g(r) kojapredstavljaverovatnoću nalaženjadva atoma naodređenom rastojanju
anti i kosa konformaciju 1,2−dihloretana
35
Dipolni momenti
meri se molekulska polarizacija koja
Dipolni momenti individualnih konformacija iz: računskih metodamodel jedinjenjamikrotalasne spektroskopije
Konformacioni sastav smeše
frekvenca ili vremenska skala merenja, jedinica s-1
Mikrotalasna spektroskopija: ~ 0.03 cm, vremenska skala 1012 s-1
IC spektroskopija: ~ 0.0003 cm za C-H vibr., vremenska skala 1013 - 1014 s-1
UV i vidljiva spektroskopija: ~ 3 x 10-5 cm, vremenska skala 1015 s-1
NMR spektroskopija: ~ vremenska skala 102 s-1
Brzina konformacione promene za barijeru od 3 kcal/mol vremenska skala je 5.9 x 108 s-1 na -1000C, a za barijeru od 10 kcal/mol vremenska skala je 8.6 x 10-1 s-1 na -1000C
Može da registruje sve procese
sa frekvencom manjom od ove
36
Infracrvena spektroskopija
Vide se apsorpcione trake individualnih konformacija
Konformacije A i B daju trake intenziteta I:
apsorpcioni koeficient
molski udeo
dužina ćeloje (kivete)
koeficijenti se odredjuju na model jedinjenjima fiksirane konformacije što obično nije zadovoljavajuće
se mere iz spektra
Pouzdaniji metod je merenje na raznim temperaturama
Nagib:
37
Iz IC spektara dva diastereoizomera 2,3- butandiola ustanovljeno je da mezo-oblik ima slabiju vodoničnu vezu. Objasni.
3612 cm-1 vodonično vezana OH Odnos vezane
prema slobodnoj veći kod dl oblika
3644 cm-1 slobodna
38
NMR ( Nuklearna Magnetna Rezonanca ) spektroskopijaU protonskom NMR-u - tri parametra u konformacionoj analizi:1. hemijsko pomeranje δδδδ (položaj signala određene vrste
vodonikovih atoma u spektru), 2. širina signala (odnosno konstanta kuplovanja J)3. površina ispod signala P (naziva se još integral).
najveće hemijsko pomeranje
δa
δe
δ = naδe + neδa
na + ne = 1
molski udeli aksijalnog i ekvatorijalnog onformera
W=naWe + neWana + ne = 1
širina signala
samo niskotemperaturni spektar
na + ne = 1
površinaispodsignala
39
ee konformerzastupljen sa 80%
fiksiranje molekulske geometrije:
δ=naδe + neδa
na + ne = 1
40
J HeH“JHeH
J HaH“JHaH
J=naJHeH + neJHaH
na + ne = 1
ω ~ 600 ω ~ 600 ω ~ 600 ω ~ 1800
Približne vrednosti vicinalnih konstante kuplovanja se mogu dobiti iz Karplus-ove krive.
J = A cos2ω –B cosω + C
Kod H-CX-CY-H važna elektronegativnost X,Y kao i mogućnost da su X i Y
poliatomske grupe
Druga kuplovanja takodje važna: H/F, H/P, H/13C, 13C/13C
41
Računske metode:a. kvantno- hemijskeb. empirijske (molekulsko mehaničke)
a. Kvantno hemijske metode - na Šredingerovoj jednačini iz koje se mogu izračunati energije MO i koeficijenti atomskih orbitala iz kojih se onda računaju
druge molekulske osobine. ab initio i semiempirijske
b. Empirijske metode- na empirijskim parametrima i na jednostavnoj jednačini koja te parametre povezuje sa energijommolekula.
E = El + Eθ + EvdW + Etor + Edip(naelektrisanje)
gde su kl i l0 empirijski parametri veze
energija deformacije dužine veze
energija deformacije ugla veze
empirijski parametri ugla
EvdW energija nevezivnih, odnosno van der Valsovih interakcija
Etortorziona energija
Edipenrgija interakcije dipola veza ili atomskih naelektrisanja
Nedostatak: potrebni empirijski određeni parametri za svaku klasu jedinjenja
Prednost: daju vrlo precizne vrednosti
mogu se koristiti za vrlo velike molekule i molekulske sisteme
42
Najčešće se koriste za optimizaciju geometrije molekula :
Promena konformacija pri optimizaciji geometrije 1,2-dihloretana
Konformacije polimera:
Makromolekuli - molekulske težine od hiljadu do nekoliko stotina hiljada
prirodni sintetički - polimeri
vezivanje malih identičnih molekulamonomera u polimerni niz - polimerizacija
- polisaharidi- peptidi i proteini (poliamino kiseline)- nukleinske kiseline (polinukleotidi)
Homopolimeri - samo jedne vrste monomera
Kopolimeri - čine ih različitie monomerne jedinice
43
Ugljovodoni čni polimeri:
Najjednostavniji polimer : − (CH2−CH2)n− polietilen
Polimeri se sastoje od: dugih lanaca, iste konstitucije, različite dužine.
MT - srednja vrednost molekulske težine velikog broja lanaca različite dužine
Fizičke osobine zavise od:MT strukture : konstitucije, konfiguracije i konformacije
− (CH2−CH2)n− polietilen
Konformacija: u čvrstom stanju :potpuno antiparalelni nizovi -mikro −−−−kristalnim oblastima
U tečnoj fazi - pored anti i druge konformacije
Polipropilen:
Stereospecifi čni katalizatori – kontrola stereohemije
izotakti čni polimer -
sindiotakti čni polimer -anti
potpuno−kosa - heliks
ataktični polimer – konfiguracija i konformacija nasumične
ahiralni
44
izotakti čni polimer - heliks sa tri monomerne jedinice po zavoju
Heliks zavrtanjska osa -kombinacija rotacije i translacije Kod polipropilena - osa je trećeg reda tj. svaka monomerna jedinica se rotira za 120°, a zatim pomera gore ili dole duž ose (u zavisnosti od smera rotacije).
Atakti čni polipropilen –konfiguracija i konformacijasasvim nasumične - aliblokovi sa izotaktičnom odnosno sindiotaktičnom strukturom tj. sa linearnom, odnosno spiralnom(zavojitom) strukturom.
Premošćavanje -povezivanje susednih nizova polimera, stvaranjemkovalentnih veza među njima čime se povećavakompaktnost i čvrstina polimera.
Vulkanizacija gume:
prirodna guma
vulkanizirana guma
45
Peptidi i proteini:
peptidna grupa je planarna - dve konfiguracije oko parcijalnodvostruke C=N veze, cis i trans:
gotovo svi proteini imaju trans konfiguraciju peptidne veze
Strukturni element Opis
primarna struktura aminokiselinska sekvenca proteina
sekundarna struktura heliksi, nabrana, zavoji/petlje
super-sekundarna struktura skup sekundarnih struktura
domeni samostalne strukturne jedinice
tercijarna struktura uvijena struktura celog proteina
• uključuje disulfidne veze
kvaternarna struktura organizovan kompleks (oligomer)
• homo-oligomerna (1 tip proteina)• hetero-oligomerna (>1 tipa)
46
R=bočni ostatakO=C-N-H je planarno(karakter dvostuke veze)
Fi (Φ) i Psi (ψ) uglovi mogu da variraju;njihova rotacija dozvoljava polipeptidimada zauzmu svoje različite strukture(alfa-heliks, beta-nabrana, itd.)
Ri+1
Ri
cis konformacija je retka osim za prolin
potencijalni sterni napon
2-5
Prirodni proteinima - fiksirana konfiguracija na α ugljeniku (L) aminokiselinakoje čine protein.
Sekundarna struktura proteinskog niza – određena vrednostimadva torziona ugla proteinskog niza: oko Cα−CO veze (ψ) i oko Cα−Nveze (φ), čije su vrednosti
−180° do +180°
nisu moguće sve vrednosti ψ, φ uglova
47
Phi (Φ)
Psi (ψ)
- Fi (Φ) i Psi (ψ) rotiraju, omogućavajući polipeptidu da zauzme različite konformacije
- neke od konformacijapolipeptidnog lanca rezultuju sternim smetnjama i nisu dozvoljene
- glicin nema bočne ostatke i stoga je konformaciono veoma fleksibilan (često se nalazi u zavojnicama)
bez sternihsmetnji
dozvoljeno ako su atomi manje udaljeni
2-11
Samo neke vrednosti ovih uglova moguće - Ramačandranovemape - dozvoljene i nedozvoljene (zbog visoke energije)vrednosti ψ, φ uglova.
α−heliks i nabrana ravan (β struktura
molekulski modeli
48
Polimer glicina -(-CH2-NH-CO-CH2-)- - ψ, φ uglovima jednakim 180°, iceo niz je u ravni.
α−α−α−α−heliks - desni i levi diastereoizomeri
aminokiseline u prirodnim proteinima- hiralne (sve su L oblici)
Desni α−heliks - stabilniji ψψψψ ~ −47°, φφφφ ~ −58
Vodonična veza N−−−−H…………O=C gradise duž niza ( 1-4).
49
alpha 3.10 pi
amino kiselinapo zavoju: 3.6 3.0 4.4
frekvenca ~97% ~3% retko
- heliksi mogu formiratispletove, upletene strukture , itd.
H-veze
- Osnovna jedinica jebeta-lanac
- beta-ravni mogu formiati razne strukture višeg nivoa, kao što subeta-barrel
anti-paralelna
paralelna
‘‘‘‘uvijena ’’’’
GreenFluorescent
Protein(GFP)
50
‘‘‘‘twisted ’’’’
- zapazite razliku u shemi H-veza u paralelnoj i anti-paralelnoj beta-nabranoj strukturi
- Kao i orijentaciju bočnih ostataka u odnosu na ravni
antiparalelnistabilniji
paralelni
ψψψψ ~ 145° , φφφφ ~ −145°
ribonuclease A
- Postoje razni tipovi zavoja, razlikuju se u broju ostataka i shemi H-vezivanja
- Petlje su uglavnom duže;Nemaju regularnu strukturu koja se ponavlja
petlja(obično izložena na površini)
alpha-helix beta-sheet
2-10
51
Polisaharidi nizovi od monosaharida istog tipa (homoglikani) ili od monosaharida različitog tipa (heteroglikani).
skrob i celuloza
glukoza
u višku u rastvoru Skrob –poli (α−D−glukoza),
52
intramolekulske vodonične veze
levi helik (uvojnica)
Polimerizacija β−D−glukoze: (1β-4β)
1β
4β
stabilizacija niza
stavaranje vlakana
celuloza
53
Polinukleotidi (nukleinske kiseline)
Polinukleotidi -nukleotidne jedinice su povezane u niz ukome su petočlani prstenovi riboze ( ilidezoksiriboze) jedan od drugog udaljeni zapet prostih kovalentnih veza.
nukleotidna jedinica
poinukleotidni niz
Rotacija oko C−C, C−O i P−O veza je ograničena na mali deokonformacionog prostora (približno −60°do +60°)
Konformacioni prostor sužen zbog:-sternih smetnji duž niza- krutosti tetrahidrofuranskog prstena- vodoničnih veza koje stvaraju baze
Tetrahidrofuranski prsten ima konformaciju koverte:-od strukture ugljenoghidrata ( riboza ili
dezoksiriboza)- od stepena polimerizacije
54
Položaj baze u odnosu na prsten kod nukleozida može biti sin ili anti:
purinski nukleotidi - obe konformacije
pirimidinski uglavnom samo anti konformacija u polinukleotidima
Polinukleotidni nizovi
jednostruki nizovi,
dvostruke uvojnice − dupleksi
tripleksi − trostruke uvojnice
kvadripleksi
i sa drugom vrstom polimernih nizova, na primer sa
proteinima.
55
Najpoznatiju je dvostruka uvojnica DNK
Povezivanje dva nizapolinukleotida vrši sepreko stvaranja parovabaza povezanih jakimvodoničnim vezamakonformacije
vodonične veze
interakcije među aromatičnim elektronima baza koji podržavaju paralelno slaganje baza jedne iznad druge
+
+interakcija sa molekulima vode kao i sa rastvorenim jonima Na+, K+
Klasična konformacija DNA (β−oblik):- desna- dvostruka- antiparalelna uvojnica- konformacija furanoznog prstenaC2’ endo
- anti konformacija baza