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