elgavrilis's blog

Μοριακή δομή

Η φυσική και χημική συμπεριφορά των μορίων καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεσή τους (τον τύπο και τον αριθμό των ατόμων που περιέχουν και τους δεσμούς τους). Οι δομικοί τύποι μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη όχι μόνο της χημικής δραστικότητας ενός μορίου, αλλά και του μεγέθους και του σχήματός του, και σε κάποιο βαθμό της διαμόρφωσής του (της χωρικής διάταξης των ατόμων). Ορισμένα δεδομένα που παρέχουν τη βάση για τέτοιες προβλέψεις συνοψίζονται εδώ και στις εικόνες του κειμένου. Στην παρακάτω εικόνα, η L-διυδροξυφαινυλαλανίνη (L-ντόπα) χρησιμοποιείται ως παράδειγμα για να δείξει τον τρόπο με τον οποίο απεικονίζονται τα μόρια.

Α. Εικονογραφήσεις μορίων

Στους παραδοσιακούς δισδιάστατους δομικούς τύπους (A1), τα άτομα αναπαρίστανται ως σύμβολα γραμμάτων και τα ζεύγη ηλεκτρονίων εμφανίζονται ως γραμμές. Οι γραμμές μεταξύ δύο ατομικών συμβόλων συμβολίζουν δύο ηλεκτρόνια σύνδεσης και όλες οι άλλες γραμμές αντιπροσωπεύουν ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων, όπως αυτά που εμφανίζονται στα άτομα Ο και Ν. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συνήθως δεν αναπαρίστανται ρητά (και αυτή είναι η σύμβαση που χρησιμοποιείται και σε αυτό το βιβλίο). Διακεκομμένοι ή συνεχείς κύκλοι ή τόξα χρησιμοποιούνται για να τονίσουν τα μη εντοπισμένα ηλεκτρόνια.

Τα μοντέλα μπάλας και ραβδιού (A2) χρησιμοποιούνται για να απεικονίσουν τη χωρική δομή των μορίων. Τα άτομα αναπαρίστανται ως χρωματιστές μπάλες (για την κωδικοποίηση χρώματος, δείτε το εσωτερικό εξώφυλλο) και οι δεσμοί (συμπεριλαμβανομένων των πολλαπλών δεσμών) ως γκρίζοι κύλινδροι. Αν και τα σχετικά μήκη και οι γωνίες των δεσμών αντιστοιχούν σε πραγματικές συνθήκες, το μέγεθος στο οποίο αναπαρίστανται τα άτομα είναι πολύ μικρό για να κάνει το μοντέλο πιο κατανοητό

Τα μοντέλα van der Waals που γεμίζουν τον χώρο (A3) είναι χρήσιμα για την απεικόνιση του πραγματικού σχήματος και μεγέθους των μορίων. Αυτά τα μοντέλα αναπαριστούν τα άτομα ως κολοβωμένες σφαίρες. Η ενεργός έκτασή τους καθορίζεται από αυτό που είναι γνωστό ως ακτίνα van der Waals. Αυτή υπολογίζεται από την ενεργειακά πιο ευνοϊκή απόσταση μεταξύ ατόμων που δεν είναι χημικά συνδεδεμένα μεταξύ τους.

Β. Μήκη και γωνίες δεσμών 

Οι ατομικές ακτίνες και αποστάσεις εκφράζονται συνήθως πλέον σε πικόμετρα (pm· 1 pm = 10-12 m). Η παλιά μονάδα angstrom (Å, Å = 100 pm) είναι πλέον ξεπερασμένη. Το μήκος των απλών δεσμών αντιστοιχεί περίπου στο άθροισμα αυτών που είναι γνωστές ως ομοιοπολικές ακτίνες των εμπλεκόμενων ατόμων (βλ. εσωτερικό εξώφυλλο). Οι διπλοί δεσμοί είναι περίπου 10-20% μικρότεροι από τους απλούς δεσμούς. Σε υβριδισμένα άτομα sp³, η γωνία μεταξύ των μεμονωμένων δεσμών είναι περίπου 110°. σε υβριδισμένα άτομα sp² είναι περίπου 120°.

Γ. Πολικότητα δεσμού

Ανάλογα με τη θέση του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα (βλ. σελ. 2), τα άτομα έχουν διαφορετική ηλεκτραρνητικότητα, δηλαδή διαφορετική τάση να προσλαμβάνουν επιπλέον ηλεκτρόνια. Οι τιμές που δίνονται στο C2 είναι σε μια κλίμακα μεταξύ 2 και 4. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή, τόσο πιο ηλεκτραρνητικό είναι το άτομο. Όταν δύο άτομα με πολύ διαφορετικές ηλεκτραρνητικότητες συνδέονται μεταξύ τους, τα ηλεκτρόνια σύνδεσης έλκονται προς το πιο ηλεκτραρνητικό άτομο και ο δεσμός πολώνεται. Τα εμπλεκόμενα άτομα φέρουν στη συνέχεια θετικά ή αρνητικά μερικά φορτία. Στο C1, η επιφάνεια van der Waals χρωματίζεται ανάλογα με τις διαφορετικές συνθήκες φορτίου (κόκκινο = αρνητικό, μπλε = θετικό). Το οξυγόνο είναι το πιο ισχυρά ηλεκτραρνητικό από τα βιοχημικά σημαντικά στοιχεία, με τους διπλούς δεσμούς C=O να είναι ιδιαίτερα πολικοί.

Δ. Δεσμοί υδρογόνου

Ο δεσμός υδρογόνου, ένας ειδικός τύπος μη ομοιοπολικού δεσμού, είναι εξαιρετικά σημαντικός στη βιοχημεία. Σε αυτόν τον τύπο δεσμού, άτομα υδρογόνου των ομάδων OH, NH ή SH (γνωστά ως δότες δεσμών υδρογόνου) αλληλεπιδρούν με ελεύθερα ηλεκτρόνια ατόμων δέκτη (για παράδειγμα, O, N ή S). Οι ενέργειες σύνδεσης των δεσμών υδρογόνου (10-40 kJ mol¹) είναι πολύ χαμηλότερες από εκείνες των ομοιοπολικών δεσμών (περίπου 400 kJ mol-¹). Ωστόσο, καθώς οι δεσμοί υδρογόνου μπορεί να είναι πολυάριθμοι στις πρωτεΐνες και το DNA, παίζουν βασικό ρόλο στη σταθεροποίηση αυτών των μορίων.