Индекс свободной валентности
Индексом свободной валентности называют разность между максимальной величиной суммы порядков и той, которой обладает данный атом:
Fr = Xmax-Nr
Понятие об индексах свободной валентности можно пояснить также на примере молекулы бутадиена. У этой молекулы порядки связей известны; их обычно указывают числами, которые ставят около связей:
Атом С2 в большей степени связан, чем атом С1; ему надо приписать меньшую свободную валентность.
Действительно, найдем сумму порядков связей атома С1. Этот атом образует три σ-связи (две с атомами Н и одну с атомом С2); так как σ-связи имеют (условно) порядок 1, то их вклад равен 3. Кроме того, имеется еще одна π-связь с порядком 0,894 (на схеме указан общий порядок двойной связи 1,894). Итого, сумма порядков связей для атома С1 равна: 3*1,0+0,894=3,894=N1. Для атома С2 имеем: 1,0+1,0+0,894+1,0+0,447=4,341=N2.
Разность (4,341—3,894) показывает, насколько атом C1 менее связан, чем атом С2. Для определения максимальной величины связанности атома углерода Робертc рассматривает структуру типf С(СН2)3, содержащую три σ- и три π-связи. Порядок каждой π-связи есть √3/3, сумма ∑pij порядков всех связей центрального атома углерода равна (√3/3)*3+3=4,132=Nmax. Это и есть максимальная величина суммы порядков связей атома углерода. Отсюда для индексов свободной валентности атомов С1, С2, Сз и С4 получаем: F1—F4=4,732—3,894=0,838; F2—F3=0,391.
Значения Fr (индексы свободной валентности) ставят на концах стрелок, перпендикулярных линии связи
Как правило, атомы, лежащие внутри молекулы, имеют малые значения Fr. В ароматических циклах у атомов углерода Fr около 0,4; концевые атомы углерода характеризуются Fr=0,7—0,8.
Атом, обладающий в сопряженной системе наибольшим индексом свободной валентности, как показывает опыт, дает и наибольшее сопряжение с π-электронами, если около него оказывается заместитель; это правило практически очень удобно. Оно позволяет понять свойства ряда замещенных производных бензола. Так, фенол обладает кислотными свойствами потому, что электроны кислорода входят в сопряжение с электронами ядра и отрицательный заряд кислорода уменьшается. Ион водорода легче отщепляется от группы ОН в феноле, чем от ОН в молекулах спиртов.
Чем больше индекс свободной валентности, тем сильнее будет выражен эффект повышения кислотности. Кислотность гидроксильного производного нафталина больше, чем фенола, так как у нафталина индекс свободной валентности выше. При этом α-нафтол обладает большей кислотностью, чем β-нафтол. Если ввести вместо водорода в бензол аминогруппу, то сопряжение, оттягивающее электроны в ядро, приведет к тому же эффекту: на аминогруппе возникает положительный заряд. Протон с трудом может присоединиться к такой аминогруппе. Поэтому основность анилина должна быть ниже, чем основность алифатических аминов, — факт, хорошо известный в органической химии.
Предсказания, сделанные на основе величин свободной валентности, верны лишь при условии, что приближающаяся частица не вызывает сколь-нибудь существенной поляризации связей и перестройки электронной системы. Поэтому такие предсказания лучше оправдаются по отношению к радикальным реакциям. Радикал не несет заряда и не возмущает электронные системы в такой степени, как это может сделать ион. В затруднительных случаях приходится исследовать переходное состояние для того или иного пути реакции и выбирать тот, который связан с наименьшей энергией активности. Так, состояние двойной связи в карбонильной группе нельзя просто изобразить ни двумя черточками, ни ионной формулой:
Обе формулы выражают крайние состояния в распределении электронной плотности. В действительности, электронное облако несколько смещено по направлению к кислороду, что символически отмечается стрелкой:
Это смещение называют также мезомерным эффектом (Ингольд). Характерной чертой мезомерного эффекта является то, что он изменяет состояние перекрывания электронных функций, тогда как индуктивный эффект перекрывания не затрагивает.
Применение квантовомеханических приближенных методов имеет непосредственное значение для проблем фармакологии. При выяснении связей между фармакологическим действием и структурой молекулы нельзя ограничиться определением химической и пространственной структуры фармакологически активных молекул, поскольку лекарства с различной пространственной структурой часто обладают одинаковой фармакологической активностью. Для разрешения этой проблемы необходимо более точно определить электронную структуру разных по строению, но сходных по действию соединений. На основании таких расчетов можно попытаться найти корреляцию между показателями, характерными для электронной структуры, и фармакологическим действием. Вполне вероятно, что молекулы, которые содержат совершенно различные атомы, все-таки имеют идентичные показатели электронной структуры (например, плотность зарядов, индексы свободной валентности или значение энергии локализации) и, как следствие, одинаковое фармакологическое действие.
«Биохимическая фармакология»,
под ред. проф. П.В.Сергеева
