КОНФОРМАЦИО́ННЫЙ АНА́ЛИЗ

КОНФОРМАЦИО́ННЫЙ АНА́ЛИЗ, раз­дел сте­рео­хи­мии; изу­ча­ет кон­фор­ма­ции мо­ле­кул, кон­фор­ма­ци­он­ные рав­но­ве­сия, а так­же за­ви­си­мо­сти фи­зи­че­ских, хи­миче­ских, био­ло­ги­че­ских и др. свойств ве­ществ от их кон­фор­ма­ци­он­но­го по­ве­де­ния. Ос­но­вы К. а. за­ло­же­ны в 1940–1950-х гг. О. Хас­се­лем и Д. Бар­то­ном (Но­бе­лев­ская пр., 1969); тер­мин «К. а.» вве­дён Бар­то­ном в 1950.

Боль­шин­ст­во мо­ле­кул яв­ля­ют­ся ди­на­ми­че­ски­ми сис­те­ма­ми, в ко­то­рых по­сто­ян­но про­ис­хо­дят как срав­ни­тель­но не­боль­шие из­ме­не­ния фор­мы бла­го­да­ря ко­ле­ба­ни­ям ато­мов, так и бо­лее су­ще­ствен­ные пре­вра­ще­ния, обу­слов­лен­ные внутр. вра­ще­ни­ем во­круг про­стых свя­зей, ин­вер­си­ей пи­ра­ми­даль­ных ато­мов (напр., ато­мов азо­та) и др. (см. Не­жё­ст­кие мо­ле­ку­лы). При из­ме­не­нии от­но­си­тель­ной ори­ен­та­ции час­тей мо­ле­ку­лы в ре­зуль­та­те внутр. вра­ще­ния ато­мов или групп ато­мов во­круг про­стых свя­зей, ис­ка­же­ния ва­лент­ных уг­лов, рас­тя­же­ния или сжа­тия свя­зей и др. внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ных де­фор­ма­ций, про­хо­дя­щих без раз­ры­ва или об­ра­зо­ва­ния но­вых хи­мич. свя­зей, воз­ни­ка­ют разл. про­стран­ст­вен­ные фор­мы мо­ле­ку­лы – кон­фор­ма­ции (от лат. conformatio – фор­ма, по­строе­ние, рас­по­ло­же­ние). Раз­ные кон­фор­ма­ции мо­гут от­ли­чать­ся энер­ги­ей внут­рен­не­го на­пря­же­ния мо­ле­кул. Кон­фор­ма­ции, от­ве­чаю­щие ло­каль­ным ми­ни­му­мам энер­гии, обыч­но на­зы­ва­ют кон­фор­ме­ра­ми или кон­фор­ма­ци­он­ны­ми изо­ме­ра­ми (ино­гда – по­во­рот­ны­ми изо­ме­ра­ми), пе­ре­хо­ды ме­ж­ду ни­ми – кон­фор­ма­ци­он­ные пе­ре­хо­ды – свя­за­ны с пре­одо­ле­ни­ем энер­ге­тич. барь­е­ра внут­рен­не­го вра­ще­ния мо­ле­кул. Ес­ли мо­леку­ла спо­соб­на су­ще­ст­во­вать в ви­де не­сколь­ких кон­фор­ме­ров, ме­ж­ду ни­ми на­блю­да­ет­ся рав­но­ве­сие. От­но­си­тель­ная ста­биль­ность кон­фор­ме­ров (а сле­до­ва­тель­но, и их со­от­но­ше­ние в рав­но­ве­сии) обу­слов­ле­на раз­ли­чи­ем в их энер­гии на­пря­же­ния, оп­ре­де­ляе­мой гл. обр. внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми. Кон­фор­ма­ци­он­ные пре­вра­ще­ния ха­рак­тер­ны для разл. хи­мич. соеди­не­ний – от про­стей­ших мо­ле­кул (пе­рок­си­да во­до­ро­да, ам­миа­ка) до мак­ро­мо­ле­кул (син­те­тич. по­ли­ме­ров, бел­ков, нук­леи­но­вых ки­слот). Для ре­ше­ния осн. за­дач К. а. ис­поль­зу­ют спек­траль­ные ме­то­ды, рент­ге­но- и элек­тро­но­гра­фию, из­ме­ре­ния ди­поль­ных мо­мен­тов и др. ди­элек­три­че­ских ха­рак­те­ри­стик, тео­ре­тич. рас­чё­ты (ме­то­да­ми кван­то­вой хи­мии, мо­ле­ку­ляр­ной ме­ха­ни­ки и пр.).

Ацик­ли­че­ские ор­га­нич. со­еди­не­ния, со­дер­жа­щие хо­тя бы од­ну про­стую связь С С или С гетероатом, обыч­но су­ще­ст­ву­ют в ви­де рав­но­вес­ной сме­си не­сколь­ких кон­фор­ме­ров. Для эта­на наи­бо­лее ста­биль­ны­ми яв­ля­ют­ся т. н. ско­шен­ные кон­фор­ма­ции (фор­му­ла I); пе­ре­ход из од­ной ско­шен­ной кон­фор­ма­ции в дру­гую про­ис­хо­дит при вра­ще­нии во­круг про­стой СС-свя­зи че­рез за­сло­нён­ную кон­фор­ма­цию (II), со­от­вет­ст­вую­щую мак­си­му­му энер­гии. Для 1,2-ди­за­ме­щён­ных эта­нов на­блю­да­ет­ся неск. кон­фор­ме­ров – гош- и транс- (или ан­ти-). Пи­ра­ми­даль­ная ин­вер­сия ха­рак­тер­на для та­ких со­еди­не­ний, как, напр., ам­ми­ак и ами­ны (III).

Цик­ли­че­ские мо­ле­ку­лы об­ла­да­ют мень­шей кон­фор­ма­ци­он­ной под­виж­но­стью по срав­не­нию с ацик­ли­че­ски­ми. Для за­ме­щён­ных цик­ло­гек­са­нов обыч­но рас­смат­ри­ва­ют три сво­бод­ные от уг­ло­вых на­пря­же­ний кон­фор­ма­ции – крес­ло (IV), ван­на (V) и твист-ван­на (VI); наи­бо­лее ста­биль­ной для са­мо­го цик­ло­гек­са­на яв­ля­ет­ся кон­фор­ма­ция крес­ло, кон­фор­ма­ции ван­на и твист-ван­на за счёт взаи­мо­дей­ст­вия ва­лент­но-не­свя­зан­ных ато­мов во­до­ро­да име­ют бо­лее вы­со­кую энер­гию и их до­ля в рав­но­ве­сии пре­неб­ре­жи­мо ма­ла, при­чём кон­фор­ма­ция твист-ван­на от­ве­ча­ет ло­каль­но­му ми­ни­му­му энер­гии, а ван­на яв­ля­ет­ся энер­ге­тич. мак­си­му­мом при взаи­мо­пре­вра­ще­ни­ях твист-кон­фор­ме­ров. В кон­фор­ма­ции крес­ло за­мес­ти­те­ли мо­гут за­ни­мать как ак­си­аль­ные, так и эк­ва­то­ри­аль­ные по­ло­же­ния (VII; a – ак­си­аль­ные, e – эк­ва­то­ри­аль­ные свя­зи); при ин­вер­сии за­мес­ти­те­ли, за­ни­мав­шие ак­си­аль­ные по­ло­же­ния, ста­но­вят­ся эк­ва­то­ри­аль­ны­ми, и на­обо­рот. Прак­ти­че­ски для всех за­мес­ти­те­лей в мо­но­за­ме­щён­ных цик­ло­гек­са­нах эк­ва­то­ри­аль­ное по­ло­же­ние яв­ля­ет­ся пред­поч­ти­тель­ным. Кон­фор­ма­ци­он­ное по­ве­де­ние ди- и по­ли­за­ме­щён­ных цик­ло­гек­са­нов слож­нее и за­ви­сит так­же от взаи­мо­дей­ст­вия за­мес­ти­те­лей, оп­ре­де­ляе­мо­го их при­ро­дой и рас­по­ло­же­ни­ем.

Кон­фор­ма­ци­он­ное по­ве­де­ние, не­объ­яс­ни­мое в рам­ках клас­сич. струк­тур­ных тео­рий, обыч­но на­зы­ва­ют кон­фор­ма­ци­он­ным эф­фек­том, напр. ано­мер­ный эф­фект в уг­ле­во­дах (бóльшая ус­той­чи­вость ак­си­аль­но­го кон­фор­ме­ра при на­ли­чии в мо­ле­ку­ле элек­тро­от­ри­ца­тель­ных за­мес­ти­те­лей по со­сед­ст­ву с ге­те­роа­то­мом), эф­фект «хок­кей­ных клю­шек» (из­ме­не­ние «обыч­ной» ори­ен­та­ции за­мес­ти­те­лей за счёт от­тал­ки­ва­ния сво­бод­ных элек­трон­ных пар ге­те­роа­то­мов).

Кон­фор­ма­ции шес­ти­член­ных цик­ли­че­ских мо­ле­кул в сис­те­ме т. н. ко­ор­ди­нат склад­ча­то­сти мо­гут быть пред­став­ле­ны на по­верх­но­сти сфе­ры: на по­лю­сах – кон­фор­ма­ции крес­ло и ин­вер­ти­ро­ван­ное крес­ло, на эк­ва­то­ре – че­ре­дую­щие­ся че­рез 30° кон­фор­ма­ции ван­на и твист-ван­на с разл. ну­ме­ра­ци­ей ато­мов. Ме­ж­ду кон­фор­ма­ция­ми крес­ло и ван­на рас­по­ло­же­ны кон­фор­ма­ции по­лу­ван­на (или кон­верт) (VIII), имею­щие пять ато­мов в од­ной плос­ко­сти; ме­ж­ду кон­фор­ма­ция­ми крес­ло и твист-ван­на – по­лу­крес­ло (IX) и 1,3-ди­пла­нар­ная (X). Наи­бо­лее вы­год­ной для цик­ло­гек­се­на яв­ля­ет­ся кон­фор­ма­ция по­лу­крес­ло. Для цик­ло­бу­та­нов пред­поч­ти­тель­ны­ми яв­ля­ют­ся две склад­ча­тые кон­фор­ма­ции (XI), ме­ж­ду ко­то­ры­ми на­блю­да­ет­ся ин­вер­сия. Цик­ло­пен­та­ны су­ще­ст­ву­ют в кон­фор­ма­ци­ях кон­верт (XII) и твист (XIII), ис­клю­чи­тель­но лег­ко пе­ре­хо­дя­щих друг в дру­га при по­сле­до­ва­тель­ном от­ги­ба­нии ка­ж­до­го ато­ма цик­ла как «вверх», так и «вниз» (в ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ют де­сять кон­фор­ма­ций кон­верт и де­сять твист-кон­фор­ма­ций с разл. ну­ме­ра­ци­ей ато­мов); это яв­ле­ние но­сит назв. «псев­до­вра­ще­ние».

От­но­си­тель­ная ста­биль­ность кон­фор­ме­ров в зна­чит. сте­пе­ни за­ви­сит от внеш­них фак­то­ров. Су­ще­ст­вен­ное влия­ние на кон­фор­ма­ци­он­ное рав­но­ве­сие ока­зы­ва­ет при­ро­да рас­тво­ри­те­ля: в по­ляр­ных рас­тво­ри­те­лях рав­но­ве­сие обыч­но сдви­га­ет­ся в сто­ро­ну кон­фор­ма­ций с бóльшим ди­поль­ным мо­мен­том, в не­по­ляр­ных – с мeньшим. Рав­но­ве­сие мо­жет за­ви­сеть от pH сре­ды, от спо­соб­но­сти рас­тво­рите­ля об­ра­зо­вы­вать во­до­род­ные свя­зи с мо­ле­ку­ла­ми рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва, от тем­пе­ра­ту­ры и др. В твёр­дой фа­зе мо­ле­ку­лы обыч­но су­ще­ст­ву­ют в ви­де един­ст­вен­но­го кон­фор­ме­ра, в жид­кой и га­зо­вой фа­зах на­блю­да­ет­ся рав­но­ве­сие ме­ж­ду кон­фор­ме­ра­ми.

Не­об­хо­ди­мость учё­та кон­фор­ма­ций мо­ле­кул воз­ни­ка­ет при рас­смот­ре­нии сте­рео­хи­мич. за­ко­но­мер­но­стей хи­мич. ре­ак­ций (см. Ди­на­ми­че­ская сте­рео­хи­мия). Разл. кон­фор­ме­ры об­ла­да­ют не­оди­на­ко­вой ре­ак­ци­он­ной спо­соб­но­стью. Напр., цик­ло­гек­сен об­ра­зу­ет­ся из ак­си­аль­но­го кон­фор­ме­ра бром­цик­ло­гек­са­на (транс- эли­ми­ни­ро­ва­ние), хо­тя в рав­но­ве­сии до­ми­ни­ру­ет эк­ва­то­ри­аль­ный кон­фор­мер. Ко­гда в ре­ак­ции уча­ст­ву­ет неск. кон­фор­ме­ров, ка­ж­дый из ко­то­рых мо­жет да­вать разл. про­дук­ты ре­ак­ции, в об­щем слу­чае со­от­но­ше­ние про­дук­тов оп­ре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем кон­стант ско­ро­стей ре­ак­ций и кон­стант ско­ро­стей, от­ве­чаю­щих кон­фор­ма­ци­он­ным пе­ре­хо­дам (в со­от­вет­ст­вии с урав­не­ни­ем Зе­фи­ро­ва). В ча­ст­ном слу­чае, ко­гда ско­ро­сти ре­ак­ций ни­же, чем ско­ро­сти кон­фор­ма­ци­он­ных взаи­мо­пре­вра­ще­ний, для трак­тов­ки ре­ак­ци­он­ной спо­соб­но­сти ве­ществ ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся прин­цип Кёр­ти­на – Гам­ме­та, со­глас­но ко­то­ро­му от­но­си­тель­ные ко­ли­че­ст­ва про­дук­тов, об­ра­зо­ван­ных из двух кон­фор­ме­ров, за­ви­сят толь­ко от раз­но­сти сво­бод­ных энер­гий пе­ре­ход­ных со­стоя­ний и не за­ви­сят от от­но­си­тель­ной за­се­лён­но­сти кон­фор­ме­ров. Ко­гда же ско­ро­сти ре­ак­ций вы­ше, чем ско­ро­сти кон­фор­ма­ци­он­ных взаи­мо­пре­вра­ще­ний, со­от­но­ше­ние про­дук­тов оп­ре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем кон­фор­ме­ров в мо­мент на­ча­ла ре­ак­ции («кон­фор­ма­ци­он­ный кон­троль»).

При уве­ли­че­нии дли­ны це­пи из про­стых свя­зей в мо­ле­ку­ле чис­ло воз­мож­ных кон­фор­ме­ров очень бы­ст­ро рас­тёт (в на­сы­щен­ных уг­ле­во­до­ро­дах, напр., вра­ще­ние во­круг ка­ж­дой про­стой CC-свя­зи от­ве­ча­ет трём энер­ге­тич. ми­ни­му­мам). В ре­зуль­та­те по­ли­мер­ные мо­ле­ку­лы су­ще­ст­ву­ют в фор­ме ста­ти­сти­че­ско­го клуб­ка. Вы­тя­ги­ва­ние об­раз­цов не­ко­то­рых по­ли­ме­ров при­во­дит к то­му, что мо­ле­ку­лы при­об­ре­та­ют ори­ен­ти­ро­ван­ные в на­прав­ле­нии рас­тя­же­ния кон­фор­ма­ции, что уве­ли­чи­ва­ет меж­мо­ле­ку­ляр­ные взаи­мо­дей­ст­вия и ме­ха­нич. проч­ность об­раз­ца.

Мо­ле­ку­лы бел­ков и нук­леи­но­вых ки­слот (в от­ли­чие от син­те­тич. по­ли­ме­ров) не­смот­ря на очень боль­шие раз­ме­ры при­ни­ма­ют в био­ло­гич. объ­ек­тах стро­го оп­ре­де­лён­ный на­бор кон­фор­ма­ций; кон­фор­ма­ци­он­ная са­мо­ор­га­ни­за­ция це­пей био­по­ли­ме­ров – фол­динг (от англ. to fold – скла­ды­вать) – чрез­вы­чай­но важ­на для функ­цио­ни­ро­ва­ния жи­вых ор­га­низ­мов. Про­стран­ст­вен­ные струк­ту­ры де­сят­ков ты­сяч бел­ков ис­сле­до­ва­ны экс­пе­рим. ме­то­да­ми и слу­жат ос­но­вой для ком­пью­тер­но­го мо­де­ли­ро­ва­ния бел­ков с не­из­вест­ной про­стран­ст­вен­ной струк­ту­рой.