Индуктивный эффект

[Vladimir Matveev]

Уважаемые коллеги! У меня к вам вопрос, который кому-то может показаться странным. Но я не химик и от меня всего можно ожидать, в том числе и наивную манеру изложения.

Речь пойдет об индуктивном эффекте. Классический пример – уксусная кислота и гомологический ряд ее хлорпроизводных: моно-, ди- и трихлоруксусная кислоты. Электронная плотность оттягивается атомами хлора и по мере замещения атомов водорода сила кислоты возрастает. Более сложные примеры можно привести из области ароматических соединений с константами Гаммета, Тафта и др. для тех или иных заместителей. Но во всех приведенных случаях мы имеем дело с индуктивными эффектами, обусловленными образованием или разрывом КОВАЛЕНТНЫХ связей.

Вопрос: имеются ли свидетельства тому, что индуктивные эффекты имеют место также и при образовании или разрыве ВТОРИЧНЫХ связей, например, водородных? Но особый интерес для меня представляют гидрофобные взаимодействия. Может ли ассоциация двух гидрофобных молекул в водном растворе оказать влияние на распределение электронной плотности на них? Есть ли какие-либо экспериментальные данные на этот счет? Заранее признателен за указание на литературу.

[iskariot]

Извините, но как-то не очень понятна Ваша терминология... Как индуктивные эффекты могут быть обусловлены образованием или разрывом ковалентных связей? Вроде как по классике, индуктивный эффект - лишь смещение электронной плотности от атома с меньшей ЭО к атому с большей ЭО? Ведь так?

По поводу второго вопроса: водородные связи все-таки мало зависят от индуктивных эффектов. Тем более, принята модель, что индуктивный эффект водорода равен 0. Поправьте меня, если не прав.
По поводу ассоциации двух гидрофобных молекул в водном растворе придерживаются точки зрения, что большую роль там играют гидрофобные эффекты. Они очень слабые, и навряд ли оказывают большое влияние на электронную плотность

[Vladimir Matveev]

Извините, но как-то не очень понятна Ваша терминология... Как индуктивные эффекты могут быть обусловлены образованием или разрывом ковалентных связей? Вроде как по классике, индуктивный эффект - лишь смещение электронной плотности от атома с меньшей ЭО к атому с большей ЭО? Ведь так?

Это я, собственно, и имел ввиду, приводя пример с хлорпроизводними уксусной кислоты.

По поводу второго вопроса: водородные связи все-таки мало зависят от индуктивных эффектов. Тем более, принята модель, что индуктивный эффект водорода равен 0. Поправьте меня, если не прав.

Я исхожу из того, что водородная связь - это электростатическое взаимодействие. А раз так, то какое-то влияние на распределение электронной плотности должно оказывать. Другое дело, что изменения могут быть столь ничтожны, что их вклад ни в чем не проявляется.

По поводу ассоциации двух гидрофобных молекул в водном растворе придерживаются точки зрения, что большую роль там играют гидрофобные эффекты. Они очень слабые, и навряд ли оказывают большое влияние на электронную плотность

В белках гидрофобные области могут быть очень большими по сравнению с "зоной" гидрофобного взаимодействия двух органических молекул. У меня надежда на то, что при белковых масштабах влияние гидрофобных взаимодействий на распределение электронной плотности может оказаться более выраженным.
Спасибо!

[iskariot]

Ну если на то дело пошло, как-то приходилось заниматься взаимодействием молекулы ЛП с белком рецептором. К сожалению, ссылку дать не могу, результаты те так толком опубликованы не были, так в тезисах...
Но расчет показывает, что энергия гидрофобного связывания составляет примерно 2 кДж/моль в расчете на одну CH2 группу. Как-то так...

[Vladimir Matveev]

Ну если на то дело пошло, как-то приходилось заниматься взаимодействием молекулы ЛП с белком рецептором. К сожалению, ссылку дать не могу, результаты те так толком опубликованы не были, так в тезисах...
Но расчет показывает, что энергия гидрофобного связывания составляет примерно 2 кДж/моль в расчете на одну CH2 группу. Как-то так...

И каков прогноз для индуктивного эффекта при такой энергии? Что подсказывает интуиция?
Вообще говоря, встречалось ли Вам обсуждение темы "гидрофобные взаимодействия - распределение электронной плотности"? Или такая постановка вопроса - плод моего воспаленного воображения?

[iskariot]

В данном случае нет там индуктивных эффектов. Грубо: метиленовая группа взаимодействует с метиленовой группой. У всех атомов ЭО близкие. Схема расчета была такой:
(CH2)(Solv)+(CH2)(Solv)= (CH2)(CH2)+(Solv)(Solv) , где Solv=H2O, а CH2=гидрофобная молекула. Конечно, это достаточно грубая схема, но суть расчетов отражает.
Поэтому, перераспределения электронной плотности в данном случае не будет никакого.

[chemist]

Строго говоря, отсутствие перераспредения электронной плотности при гидрофобных (т.е. неполярных) взаимодействиях не может быть просто по определению.

[iskariot]

Да откуда там перераспределение?

[Vladimir Matveev]

Строго говоря, отсутствие перераспредения электронной плотности при гидрофобных (т.е. неполярных) взаимодействиях не может быть просто по определению.

Действительно, природа лондоновских сил --- флюктуации электронной плотности на неполярных группах, если не вру. А флюктуации могут быть слабыми. Могут быть сильными. Не могут же они ни от чего не зависить. Можно усилить их, ослабить? Например, гидрофобная молекула с сильными флюктуациями электронной плотности взаимодействует с другой молекулой со слабыми флюктуациями. Что произойдет с последней?

Или вот такой эксперимент поставим. На гидрофобной молекуле имеется карбоксильная группа (СН3(СН2)nСООН). Она взаимодействует с неполярной гидрофобной молекулой, в результате которого константа диссоциации кислоты изменяется. Взаимодействие - гидрофобное, а изменение кислотности - результат индуктивного эффекта. Есть примеры таких взаимодействий?

[Lexx]

Речь пойдет об индуктивном эффекте. Классический пример – уксусная кислота и гомологический ряд ее хлорпроизводных: моно-, ди- и трихлоруксусная кислоты. Электронная плотность оттягивается атомами хлора и по мере замещения атомов водорода сила кислоты возрастает. Более сложные примеры можно привести из области ароматических соединений с константами Гаммета, Тафта и др. для тех или иных заместителей. Но во всех приведенных случаях мы имеем дело с индуктивными эффектами, обусловленными образованием или разрывом КОВАЛЕНТНЫХ связей.

Не совсем так. Индуктивные эффекты проявляются и в хим сдвигах в спектрах ЯМР и в колебательных спектрах, например. Собственно, шкалу индуктивных сигма-констант и определяют наиболее часто из 19F спектров.

Вопрос: имеются ли свидетельства тому, что индуктивные эффекты имеют место также и при образовании или разрыве ВТОРИЧНЫХ связей, например, водородных?

Вполне может иметь место. Ищите по ключевым словам: substituent effect hydrogeт bonds.
Я нашел данные по смещению частоты колебания О-Н в феноле, м-метилфеноле и м-хлорфеноле при добавлении к их раствору в СCl4 диоксана. Величина смещения хорошо коррелирует (R=0.999) c индукционными константами.
Возможна только проблема, что в случае водородных связей будет трудно выделить влияния конкретных эффектов.

Но особый интерес для меня представляют гидрофобные взаимодействия. Может ли ассоциация двух гидрофобных молекул в водном растворе оказать влияние на распределение электронной плотности на них? Есть ли какие-либо экспериментальные данные на этот счет? Заранее признателен за указание на литературу.

А как это связано с индуктивным эффектом?
Не думаю, что электронная плотность может заметно поменяться. Эксперимент, трудно представить в каком направлении искать. Можно спросить у квантовиков, насколько меняется электронная плотность.

[i_van_69]

Смешались в кучу кони, люди. В химии, как и в физике существуют модели. Индуктивный эффект, мезомерный эффект, эффект сверхсопряжения или гиперконьюгации - это всего лишь модели. Они на пальцах объясняют каким образом смещается электронная плотность. Образование водородной связи, возможно, будет смещать электронную плотность. Возможно, что гидрофобные взаимодействия будут каким-то образом менять основность жирных кислот. Но, господа, вдумайтесь! Какова будет сила таких взаимодействий? Индуктивного эффекта хватает максимум на три связи. Я думаю, что для химика органика гирофобные взаимодействия не имеют практического значения.

[iskariot]

Во-во.
А по поводу жирных кислот однозначное - нет. Слишком слабые взаимодействия. На реакционный центр это влияния не окажет (в данном случае на отрыв протона карбоксила).

[Formalinum]

Строго говоря, отсутствие перераспредения электронной плотности при гидрофобных (т.е. неполярных) взаимодействиях не может быть просто по определению.

Но ведь возможны и следующие процессы:
1. Допустим кетон нижеприведённого строения "прилипает" к гидрофобной мембране следующим образом:

keto.gif

"Складываясь" вместе, гидрофобные заместители "напрягают" угол при плоской карбонильной группе, которой при этом выгоднее стать полярной с углеродом в sp3-гибридизации - угол между заместителями при этом сможет уменьшиться до 109 градусов, против 120 в карбонильной. При этом наблюдателю индукционных эффектов в молекуле покажется, что под действием гидрофобных сил вдруг резко возросла электронооттягивающая способность атома кислорода карбонильной группы, вплоть до того, что О-атом стал настолько электроотрицательным, что не желает делиться электронами с С-атомом.
2. Допустим, триарилметил"иксид" приближается к гидрофобной мембране. По мере приближения к ней, молекула испытывает гидрофобное ориентирующее действие, расправляющее арилы, и молекула в пределе принимает плоскую конфигурацию, "распластывается" на мембране, при этом Х, в силу стерических особенностей структуры, отходит в виде иона:

triaryl.gif

И здесь наблюдателю индукционных эффектов снова покажется, что под действием гидрофобных взаимодействий Х начинает настолько сильно "тянуть на себя", что полностью узурпирует электронную пару, вплоть до диссоциации.

Потому я не стал бы торопиться с выводами о невлиянии гидрофобных взаимодействий на индуктивные эффекты.

P.S. В схемах волнистые линии обозначают гидрофобную мембрану.

[Marxist]

Я исхожу из того, что водородная связь - это электростатическое взаимодействие.

Это не только электростатическое взаимодействие, иначе бы модели на голой электростатике хорошо бы описывали водородные связи, чего на самом деле нет.

Или вот такой эксперимент поставим. На гидрофобной молекуле имеется карбоксильная группа (СН3(СН2)nСООН). Она взаимодействует с неполярной гидрофобной молекулой, в результате которого константа диссоциации кислоты изменяется. Взаимодействие - гидрофобное, а изменение кислотности - результат индуктивного эффекта. Есть примеры таких взаимодействий?

Задача упирается в определение константы диссоциации одной молекулы, что малореально.

У меня надежда на то, что при белковых масштабах влияние гидрофобных взаимодействий на распределение электронной плотности может оказаться более выраженным.

Вообще с помощью рентгена можно получить приблизительную картину электронной плотности. Честно её считать для белка сложновато, хотя кто-то мог и делать.

А если поставить вопрос по-другому: какого характера эффект Вы ожидаете? Чем должна электронная плотность в гидрофобном остове отличаться от электронной плотности изолированной молекулы?

[chemist]

2 Formalinum:
Вы правильно написали в обоих случаях, что наблюдателю покажется, хотя на самом деле не будет

P.S.
Восхищаюсь Вашим дизайнерско-оформительским мастерством .

[Marxist]

2. Допустим, триарилметил"иксид" приближается к гидрофобной мембране. По мере приближения к ней, молекула испытывает гидрофобное ориентирующее действие, расправляющее арилы, и молекула в пределе принимает плоскую конфигурацию, "распластывается" на мембране, при этом Х, в силу стерических особенностей структуры, отходит в виде иона:

triaryl.gif

И здесь наблюдателю индукционных эффектов снова покажется, что под действием гидрофобных взаимодействий Х начинает настолько сильно "тянуть на себя", что полностью узурпирует электронную пару, вплоть до диссоциации.

Прикидочный расчёт показывает, что в данном катионе в случае плоского строения расстояние между атомами серы и водорода -- 1,94 Å, а в случае неплоского -- на ангстрем длиннее. Разница в энергии для системы с двумя арилами в одной плоскости (то есть лишь один бамп из трёх) и неплоской системы -- почти 80 ккал/моль (силовое поле Tripos). Чё-то мне кажется, что никакие гидрофобные взаимодействия её не распрямят...

[Vladimir Matveev]

А если поставить вопрос по-другому: какого характера эффект Вы ожидаете? Чем должна электронная плотность в гидрофобном остове отличаться от электронной плотности изолированной молекулы?

Для примера возьмем карбоксильные группы глобулярного белка, имеющего, как известно, гидрофобное ядро. Добавляем неполярное вещество, оно встраивается в гидрофобное ядро. Интересный вопрос: как после этого изменится константа диссоциации карбоксильных групп? Измениться ли? Если изменится, то каков механизм такого явления? Надо бы заглянуть в книгу Измайловой , Ребиндера "Структурообразование в белковых системах".

[Marxist]

Для примера возьмем карбоксильные группы глобулярного белка, имеющего, как известно, гидрофобное ядро. Добавляем неполярное вещество, оно встраивается в гидрофобное ядро. Интересный вопрос: как после этого изменится константа диссоциации карбоксильных групп? Изменится ли? Если изменится, то каков механизм такого явления? Надо бы заглянуть в книгу Измайловой , Ребиндера "Структурообразование в белковых системах".

Как известно, любой уважающий себя глобулярный белок упакован весьма плотно. Как следствие, при добавлении неполярного вещества либо оно никуда не встроится, либо произойдёт денатурация. На константу диссоциации это никак не повлияет (если не считать, что изменение конформации белка на неё влияет. Если и влияет, то во втором знаке после запятой).

Что за книга, кстати? сильно замшелых времён?

[Formalinum]

2 Formalinum:
Вы правильно написали в обоих случаях, что наблюдателю покажется, хотя на самом деле не будет

Разумеется, это будут лишь кажущиеся изменения, но они могут обусловить вполне реальные макроскопические изменения свойств

P.S.
Восхищаюсь Вашим дизайнерско-оформительским мастерством .

Хорошая картинка порой заменяет листы письменных пояснений. Спасибо

[Formalinum]

Прикидочный расчёт показывает, что в данном катионе в случае плоского строения расстояние между атомами серы и водорода -- 1,94 Å, а в случае неплоского -- на ангстрем длиннее. Разница в энергии для системы с двумя арилами в одной плоскости (то есть лишь один бамп из трёх) и неплоской системы -- почти 80 ккал/моль (силовое поле Tripos). Чё-то мне кажется, что никакие гидрофобные взаимодействия её не распрямят...

Расслабьтесь и включите фантазию Несложно додумать изменения в модели, чтобы снять Ваши сомнения - тиофены были взяты в пример только потому, что мне их проще было показать более-менее объёмно и всего-то
Пусть будет такой пример:

triaryl1.gif

Вот сразу пример и на водородные связи - здесь, возможно, и мембрана не потребуется