Мезомерный эффект в органической химии

Мезомерный эффект - важное явление в органической химии, определяющее свойства многих соединений. Давайте разберемся, что это такое и как оно проявляется на практике.

Определение мезомерного эффекта

Мезомерный эффект - это смещение электронной плотности химической связи по π-связям. Это явление тесно связано с теорией химического резонанса, объясняющей строение многих органических соединений. В литературе часто используются синонимы данного термина: «эффект сопряжения» и «резонансный эффект».

Графически мезомерный эффект принято изображать с помощью изогнутой стрелки, направленной в сторону смещения электронной плотности:

В отличие от индуктивного эффекта, мезомерный эффект слабо затухает по системе сопряженных связей. Однако его проявление возможно лишь при наличии такой системы кратных связей и р-орбиталей в молекуле.

Положительный и отрицательный мезомерный эффект

Различают положительный и отрицательный мезомерный эффект. Знак эффекта определяется направлением смещения электронной плотности по сопряженной системе молекулы.

Положительным мезомерным эффектом обладают заместители, повышающие электронную плотность в сопряженной системе. К ним относятся группы, содержащие атомы с неподеленными электронными парами, способными к передаче этих пар в общую π-систему. Наиболее характерные примеры:

• амино-группа -NH2
• гидроксигруппа -OH
• алкоксигруппы -OR
• галогены

Эффект, подобный положительному мезомерному, возникает при гиперконъюгации - замещении водорода у кратной связи на алкильную группу.

Отрицательным мезомерным эффектом обладают заместители, смещающие электронную плотность на себя. Это группы, содержащие кратные связи с электроотрицательными атомами, например:

• карбонильная группа C=O
• нитрогруппа -NO 2
• цианогруппа -CN

Интересно, что неподеленные пары электронов таких атомов из-за особенностей гибридизации орбиталей не могут участвовать в сопряжении.

Своеобразную промежуточную роль играют винильная и фенильная группы. Они проявляют эффект, противоположный эффекту группы, к которой присоединены, то есть усиливают его.

Соотношение с индуктивным эффектом

Индуктивный и мезомерный эффекты нередко конкурируют между собой в органической молекуле. Как правило, мезомерный эффект преобладает, поскольку смещение π-электронов происходит легче, чем σ-электронов. Однако есть исключения, например галогены, где доминирует индуктивное влияние на дипольный момент.

Важно также учитывать, что сила мезомерного эффекта зависит от природы углеводородного остова молекулы. Это необходимо принимать во внимание при анализе органических соединений, содержащих заместители.

Взаимодействие мезомерных эффектов заместителей

Рассмотрим случай, когда в молекуле присутствует сразу несколько заместителей с мезомерным эффектом. Можно сформулировать следующее правило: если на разных концах сопряженной π-системы находятся соответственно p-донорный и p-акцепторный заместители, то вся система испытывает дополнительное мезомерное смещение электронов от донора к акцептору.

Это смещение больше, чем можно было бы ожидать от простого сложения индивидуальных эффектов заместителей. То есть донорно-акцепторная пара усиливает общий мезомерный эффект по сравнению с ситуацией, когда только один из заместителей присутствует в молекуле.

В качестве примера можно привести пара-нитродиметиланилин. Здесь аминогруппа является p-донором, а нитрогруппа - p-акцептором. Индуктивные эффекты этих заместителей взаимно компенсируются, зато мезомерный эффект усиливается.

Анализ конкурирующих эффектов в молекуле

Для правильной оценки суммарного эффекта заместителей в конкретном органическом соединении необходимо:

1. Выделить все заместители в молекуле
2. Определить знак и относительную силу индуктивного и мезомерного эффекта каждого заместителя
3. Оценить результирующий эффект с учетом взаимного влияния заместителей

Рассмотрим такой анализ на примере бромбензойной кислоты:

Карбоксильная группа проявляет сильный отрицательный мезомерный эффект. Атом брома оказывает умеренный отрицательный индуктивный и слабый положительный мезомерный эффект. Таким образом, оба заместителя смещают электронную плотность от бензольного кольца. Их эффекты складываются, что в итоге определяет кислотные свойства этого соединения.

Виды химической связи и мезомерный эффект

В органической химии различают несколько видов химической связи - ионную, ковалентную полярную, ковалентную неполярную и др. Каким образом мезомерный эффект связан с этой классификацией?

Основное отличие заключается в том, что при ионной и полярной ковалентной связи электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому постоянно в самой связи. А мезомерный эффект представляет собой дополнительное перераспределение электронов по сопряженной системе под влиянием заместителей.

То есть это виды разных явлений, которые могут накладываться друг на друга в конкретной молекуле. Учет обоих факторов необходим для понимания ее свойств.

Влияние на реакционную способность

Мезомерный эффект оказывает существенное влияние на реакционную способность органических соединений. Это связано с тем, что он изменяет электронную плотность на атомах, участвующих в реакции.

Например, введение заместителей с положительным мезомерным эффектом в бензольное кольцо увеличивает его реакционную способность в реакциях электрофильного замещения. Это происходит за счет повышения электронной плотности в кольце и облегчения атаки электрофила.

Соответственно, заместители с отрицательным мезомерным эффектом снижают реакционную способность цикла в таких реакциях. При этом они могут активировать кольцо в реакциях нуклеофильного замещения.

Влияние на токсичность и биоактивность

Мезомерный эффект играет важную роль в проявлении токсических свойств многих органических веществ. Это связано с его влиянием на реакционную способность функциональных групп, ответственных за взаимодействие с биомолекулами.

Например, наличие заместителей с отрицательным мезомерным эффектом в структуре ароматических аминов часто коррелирует с их мутагенной и канцерогенной активностью. Такие группы (-NO 2, -CN и др.) повышают способность аминов к метаболической активации с образованием высокореакционных метаболитов.

Прогнозирование свойств новых соединений

Знания о мезомерном эффекте позволяют прогнозировать свойства еще не синтезированных органических веществ по их предполагаемой структуре. Это используется в рациональном дизайне лекарств, красителей, мономеров для полимеров и других соединений с заданными свойствами.

Например, введение донорных заместителей в структуру органического красителя позволяет сместить длину волны поглощения в длинноволновую область спектра. А введение акцепторных групп, наоборот, приводит к гипсохромному сдвигу.

Применение в синтезе лекарств

Знание мезомерного эффекта активно используется в синтезе новых лекарственных препаратов. Направленное введение заместителей позволяет регулировать физико-химические и фармакологические свойства активных фармацевтических субстанций.

Например, наличие донорных метокси-групп в фенотиазиновых транквилизаторах (производные трифтазина) усиливает их седативное действие. Это связано с бóльшим сродством таких соединений к рецепторам ГАМК-эргической системы.