Гомологи. Гомологический ряд

Гомологи – это вещества близкие по строению и свойствам, которые
отличаются на одну или несколько групп – СН₂.

Каждый класс органических соединений имеет свою общую формулу и для
каждого класса органических соединений можно составить их гомологический ряд.

Например, алканы имеют общую
формулу C_nH_2n+2, где n –
число атомов углерода, причём каждый член гомологического ряда будет отличаться
от предыдущего на группу – СН₂. Такая последовательность соединений
называется гомологическим рядом (от греческого homolog – «сходный»), отдельные
члены этого ряда называются гомологами, а группа атомов, на которую
отличаются соседние гомологи (группа – СН₂) – гомологической
разностью.

Гомологический ряд легко построить, для этого нужно к каждому последующему
представителю добавить один атом углерода и 2 атома водорода, то есть группу –
СН₂. Так, первым представителем алканов
является метан – СН₄ содержит один атом углерода (Н – СН₂
– Н). Второй член гомологического ряда, у которого 2 атома углерода – этан – С₂Н₆
(Н – СН₂ – СН₂ – Н). Третий член гомологического – С₃Н₈,  у него 3 атома углерода и он отличается
от предыдущего на группу – СН₂ (Н – СН₂ – СН₂
– СН₂ – Н). Четвёртый представитель гомологического ряда алканов также отличается от предыдущего на группу – СН₂,
у него уже четыре атома углерода (Н – СН₂ – СН₂ – СН₂
– СН₂ – Н).

Понятно, что гомологи отличаются молярной массой, а значит физическими
свойствами. Как правило, с увеличение числа атомов углерода в молекуле
увеличиваются температуры кипения и плавления, увеличивается плотность.

Для алкенов характерна общая формула С_nH_2n. Первый член
гомологического ряда имеет формулу С₂Н₄ и называется этен, второй представитель алкенов
– пропен – С₃Н₆, третий –
бутен-1,четвёртый – пентен-1. И так далее, то есть в
данном гомологическом ряду также каждый последующий член гомологического ряда
отличается от предыдущего на группу – СН₂.

Для алкинов также можно составить
гомологический ряд. Общая формула алкинов – С_nH_2n-2, поэтому первым
представителем этого ряда будет этин, али ацетилен –
С₂Н₂, вторым членом ряда является пропин
– С₃Н₄, третим – бутин-1 – С₄Н₆,
четвёртым – пентин-1 – С₅Н₈.

Общая формула спиртов – С_nH_2n+1OH. Первым членом
гомологического ряда спиртов является метанол – СН₃ОН, или метиловый
спирт, затем С₂Н₅ОН – этанол, или этиловый спирт, третьим
представителем ряда спиртов является пропанол-1, или пропиловый
спирт – С₃Н₇ОН, четвёртым – бутанол-1, или бутиловый
спирт – С₄Н₉ОН, пятым – пентанол-1, или амиловый спирт –
С₅Н₁₁ОН. Таким образом, в этом гомологическом ряду каждый
последующий представитель отличается от предыдущего на группу -СН₂.

Составим гомологический ряд альдегидов. Учитывая, что общая формула альдегидов
С_nH_2n+1CHO, то первым
представителем данного гомологического ряда будет метаналь,
или муравьиный альдегид – НСОН, вторым членом ряда – этаналь,
или уксусный альдегид – СН₃СНО, третьим – пропаналь,
или пропионовый альдегид – СН₃СН₂СНО,
четвёртым – бутаналь, или масляный альдегид – СН₃СН₂СН₂СНО
и так далее.

Аналогично и для карбоновых кислот. Так, общая формула насыщенных
одноосновных карбоновых кислот – C_nH_2n+1COOH. Поэтому первым
представителем данного гомологического ряда является метановая кислота, или
муравьиная – НСООН, вторым – этановая кислота, или
уксусная – СН₃СООН, третьим – пропановая,
или пропионовая кислота – СН₃СН₂СООН,
четвёртым – бутановая, или масляная кислота – СН₃СН₂СН₂СООН,
пятым – пентановая, или валериановая кислота – СН₃СН₂СН₂СН₂СООН.

Таким образом, для каждого класса органических соединений можно составить
гомологический ряд, учитывая общую формулу данного класса. Каждый последующий
член гомологического ряда отличается от предыдущего на группу – СН₂,
которую называют гомологической разность. А сами вещества этого ряда называются
гомологами. Как правило, с увеличением числа атомов углерода в гомологическом
ряду увеличиваются температуры плавления и кипения, увеличивается плотность.

Гомология и изомерия. Химия. 9 класс. Разработка урока

что такое гомологи?, — Школьные Знания.com

скласти рівняння реакції срочно помогите! ​

Срочно пожалуйста !!!!

укажите только основные оксиды​

Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких із простих речовин йпродуктів їх взаємодії можна добути ферум (ІІ) сульфат.​

сәйкестендір……….​

Визначити молекулярну формулу речовини, яка містить 85,7% карбону і 14,3% гідрогену. Густина парів цієї речовини за повітрям становить 2,9.

Al4С3 —- СН4 —- СН3Сl —- С2Н6 —- С2Н5 NО2

1. При полном сжигании смеси пирита (FeS2) и цинковой обманки (ZnS) масса твёрдого остатка уменьшилась на 30 % по сравнению с массой исходной смеси. О
…

предели массовую долю (%) пирита в смеси. Полученное число запиши в ответе без пробелов, каких-либо знаков препинания и единиц измерения. Например: 28
2. Вещество А с молекулярной формулой С8Н10О взаимодействует с натрием и водным раствором щёлочи с образованием органического вещества Б. При окислении подкисленным раствором перманганата калия вещества А получается соединение В состава С7Н6О3. Определи вещества А, Б и В.
Посчитай:
а) молярную массу (г/моль) вещества Б;
б) объём (дм3) водорода, который выделится при взаимодействии вещества В массой 12,32 г с избытком натрия.
Полученные числа округли до целых и запиши в ответе в виде последовательности букв и чисел, без пробелов, каких-либо знаков препинания и единиц измерения. Буквы должны идти по алфавиту. Например: а15б28
3. Газовую смесь, состоящую из аммиака, азота и кислорода при н.у., взорвали и привели к первоначальным условиям. При этом её объём уменьшился в 1,83 раза. Полученная смесь может присоединить хлороводород в 2 раза меньшего объёма, чем объём смеси. Определи:
а) объёмную долю (%) азота в конечной смеси;
б) объёмную долю (%) кислорода в исходной смеси.
Полученные числа округли до целых и запиши ответ в виде последовательности букв и чисел, без пробелов, каких-либо знаков препинания и единиц измерения. Буквы должны идти по алфавиту. Например: а25б30
4. При полном сгорании 15,5 г серосодержащего органического вещества получили газовую смесь при н. у., на полное поглощение которой израсходовали раствор гидроксида натрия объёмом 104,9 см3 (ρ = 1,43 г/см3) с массовой долей щёлочи 40 %. После добавления к полученному раствору избытка гидроксида бария, отделения и высушивания осадка его масса оказалась равна 152,75 г. Установи формулу органического вещества и определи:
а) общее число атомов в его молекуле;
б) молярную массу (г/моль) серосодержащего вещества.
Полученные числа округли до целых и запиши ответ в виде последовательности букв и чисел, без пробелов, каких-либо знаков препинания и единиц измерения. Буквы должны идти по алфавиту. Например: а12б18

2:Розспізнавання натрій сульфату та натрій хлориду​

Что нибудь помогите

гомология и изомерия » HimEge.ru

Теория А.М. Бутлерова

1. Атомы в молекулах соединены между собой в определенной последовательности химическими связями в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется их химическим строением. Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.

2. Свойства веществ определяются не только качественным и количественным составом молекул, но и их строением.

3. Атомы или группы атомов взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы.

4. Строение молекул может быть установлено на основании изучения их химических свойств.

Органические соединения обладают рядом характерных особенностей, которые отличают их от неорганических. Почти все они (за редким исключением) горючи; большинство органических соединений не диссоциирует на ионы, что обусловлено природой ковалентной связи в органических веществах. Ионный тип связи реализуется только в солях органических кислот, например, Ch4COONa.

Гомологический ряд – это бесконечный ряд органических соединений, имеющих сходное строение и, следовательно, сходные химические свойства и отличающихся друг от друга на любое число СН2– групп (гомологическая разность).

Еще до создания теории строения были известны вещества одинакового элементного состава, но c разными свойствами. Такие вещества были названы изомерами, а само это явление – изомерией.

В основе изомерии, как показал А.М. Бутлеров, лежит различие в строении молекул, состоящих из одинакового набора атомов.

Изомерия – это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства.

Различают 2 вида изомерии: структурную изомерию и пространственную изомерию.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением.

Пространственная изомерия

Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле.
Пространственными изомерами являются оптические и цис-транс изомеры (геометрические).

Цис-транс-изомерия

заключается в возможности расположения заместителей по одну или по разные стороны плоскости двойной связи или неароматического цикла.В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону от плоскости кольца или двойной связи, в транс-изомерах – по разные.

В молекуле бутена-2 СН3–СН=СН–СН3 группы СН3 могут находиться либо по одну сторону от двойной связи — в цис-изомере, либо по разные стороны — в транс-изомере.

Оптическая изомерия

Появляется тогда, когда углерод имеет четыре разных заместителя.
Если поменять местами любые два из них, получается другой пространственный изомер того же состава. Физико-химические свойства таких изомеров существенно различаются. Соединения такого типа отличаются способностью вращать плоскость пропускаемого через раствор таких соединений поляризованного света на определенную величину. При этом один изомер вращает плоскость поляризованного света в одном направлении, а его изомер – в противоположном. Вследствие таких оптических эффектов этот вид изомерии называют оптической изомерией.

Читать далее Хиральность и оптическая активность

 Взаимное влияние атомов в молекулах. Типы связей в молекулах органических веществ. Гибридизация атомных орбиталей углерода. Радикал. Функциональная группа

Гомология и гомологические ряды в органической химии. Гомологические ряды

Предельными (насыщенными) углеводородами
называются углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой связью, причём все единицы валентности, не затраченные на связь между атомами углерода, насыщены атомами водорода.

Представителями предельных углеводородов являются метан CH 4 ; этан C 2 H 6 ; пропан C 3 H 8 ; бутан C 4 H 10 ; пентан C 5 H 12 ; гексан C 6 H 14 . Однако этот ряд можно продолжить. Существуют углеводы C 30 H 62 , C 50 H 102 , C 70 H 142 , С 100 Н 202 .

Если рассматривать углеводороды ряда метана, то нетрудно заметить, что каждый последующий углеводород можно произвести от соответствующего предыдущего замещением одного атома водорода группой CH 3 (метил). Таким образом, состав молекулы последующего углеводорода увеличивается на группу CH 2 .

Ряд химических соединений одного структурного типа, отличающихся друг от друга на одну или несколько структурных единиц (обычно на группу CH 2), называется гомологическим рядом,
а каждый из углеводов –
членом гомологического ряда или гомологом. Если располо­жить гомологи в порядке возрастания их относительной молекулярной массы, они образуют гомологический ряд.

Группа CH 2 называется гомологической разностью или гомологической разницей. Общая формула предельных углеводородов C n H 2 n + 2 , где n –
число атомов углерода в молекуле.

Если от молекулы углеводорода отнять атом водорода, то остаток молекулы с открытой связью называется углеводородным радикалом (обозначается буквой R). В свободном виде радикалы из-за большой реакционной способности не существуют.

Явление гомологии
–
существование рядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда отличается на одну и ту же группу (чаще всего CH 2). Физико-химические свойства соединений изменяются по ходу гомологического ряда. В органической химии в основе понятие гомология основывается на фундаментальном положении о том, что химические и физические свойства соединения обусловлены структурой его молекул: эти свойства определяются и функциональными группами соединения, и его углеродным скелетом.

Весь комплекс химических свойств и, следовательно, отнесённость соединения к определённому классу, определяется именно функциональными группами, но степень проявления химических свойств или физические зависит от углеродного скелета молекулы.

При отсутствии изомерии в случае подобия углеродных скелетов соединений формулу гомологичных соединений можно записать как X–
(СН 2) n –
Y, соединения с различным числом n метиленовых звеньев являются гомологами и принадлежат к одному классу соединений. Итак, соединения-гомологи принадлежат к одному классу соединений, а свойства ближайших гомологов наиболее близки.

В гомологических рядах
наблюдается определённая закономерное изменение свойств от младших членов ряда к старшим, но такая закономерность соблюдается не всегда, в некоторых случаях она может нарушаться. Чаще всего это происходит в начале ряда, потому что образуются водородные связи при наличии функциональных групп, способных к их образованию.

Примером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов).
Простейший его представитель –
метан СН4. Гомологами метана являются: этан C 2 H 6 ; пропан C 3 H 8 ; бутан C 4 H 10 ; пентан C 5 H 12 ; гексан C 6 H 14 , гептан C 7 H 16 , октан – С 8 Н 18 , нонан – С 9 Н 20 , декан – С 10 Н 22 , ундекан – С 11 Н 24 , нодекан –
С 12 Н 26 , тридекан –
С 13 Н 28 , тетрадекан –
С 14 Н 30 , пентадекан –
С 15 Н 32 , эйкозан – С 20 Н 42 , пентакозан – С 25 Н 52 , триаконтан – С 30 Н 62 , тетраконтан – С 40 Н 82 , гектан – С 100 Н 202 .

Остались вопросы? Не знаете, что такое гомологический ряд?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

В данной статье читатель найдет информацию о гомологичных соединениях, узнает, что они собой представляют. Будут рассмотрены общие свойства, формула веществ и их наименования, характеристика. К тому же затронуто будет не только химическое понимание гомологов, но и биологическое.

Что такое гомологический ряд

Гомологический ряд — это химические соединения, имеющие аналогичный структурный тип, но различающиеся по количеству повторения элементарных единиц вещества. Различие структурных компонентов, а именно одинаковых единиц, и называется гомологической разностью. Гомологами называют вещества, которые находятся в одном и том же гомологическом ряду.

Примером гомологов могут служить спирты, алканы, алкины, кетоны. Если рассматривать гомологичный ряд на примере алканов — простейших представителей (характерная формула: C n H 2 n+2), то видим сходства в структуре ряда представителей данного рода веществ: метан Ch5, этан C2H6, пропан C3H8 и так далее; метиленовые звенья Ch3 являются гомологической разностью в ряде этих веществ.

Общие представления о структуре и гомологии соединений

Представление о гомологии веществ в органической химии базируется на понимании того, что как физические, так и химические качественные характеристики веществ могут определяться молекулярной структурой. Свойства гомологических соединений могут зависеть от строения углеродного скелета и функциональной группы определенного соединения.

Определить химические свойства и, следовательно, принадлежность гомолога к конкретному классу возможно по его функциональной группе. В качестве примера можно обратить внимание на карбоксильную группу, которая отвечает за проявление кислых свойств и принадлежность вещества к карбоновым кислотам. Однако определить уровень проявления химических или физически качеств можно, изучая не только функциональную группу, но и углеродный молекулярный скелет.

Существуют соединения, в которых углеродные скелеты схожи, иными словами, изомерия в них отсутствует. Такие гомологи записываются следующим образом: X — (CH 2) n — Y. Количество метиленовых n-звеньевых единиц является гомологичным и относится к классу соединений одного вида. Подобные виды гомологов являются ближайшими.

Гомологический ряд веществ носит некоторые общие закономерности изменения свойств от младших представителей к старшим. Подобное явление способно нарушаться, что связано с образованием водородной связи при наличии группы, которая может их образовывать.

Гомология альдегидов

Альдегиды — ряд соединений органического типа, содержащих в себе альдегидную группу — COH. В веществах данного типа карбоксильная группа взаимосвязана с водородным атомом и одной радикальной группой.

Гомологический ряд альдегидов имеет общую формулу R-COH. Одним из элементарных представителей является формальдегид (H-COH), в нем альдегидная группа связана с H. В других, предельных представителях данного ряда соединений водородный атом заменяется на алкин. Общая формула: C n C 2 n+1 -COH.

Альдегиды рассматриваются в качестве веществ, которые произошли в результате замены в парафиновом углеводородном атоме H на группу альдегидную группу. Для таких химических соединений изомерия и гомология является аналогичной другим производным предельных однозамещенных углеводородов.

Наименование альдегидов составляется в зависимости от названия кислоты с таким же количеством углеродных атомов в молекуле, например: Ch4-CHO — уксусный альдегид, Ch4Ch3-CHO — пропионовый альдегид, (Ch4)2CH-CHO — изомасляный альдегид и т. д.

Гомология алкинов

Алкины — это углеводородные химические соединения, несущие в себе тройные связи между атомами C. Они образовывают ряд гомологов с характерной формулой C n H 2 n-2 . Общая особенность положения углеродного атома при тройном количестве связей — состояние sp-гибридизации.

Гомологический ряд алкинов: этин (C2h3), пропин (C3h5), бутин (C4H6), пентин (C5H8), гексин (C6h20), гептин (C7h22), октин (C8h24), нонин (C9h26), децин (C10h28).

Физические свойства алкинов определяются аналогичным образом с алкенами. Например, температура кипения и плавления постепенно возрастает с увеличением длины главенствующей цепи углерода и молекулярной массой. К химическим свойствам можно отнести реакции галогенирования, гидрогалогенирования, гидратацию, полимеризацию. Для алкинов также характерны реакции замещения.

Гомология в биологии

Гомологический ряд используется в биологии, однако носит несколько иной характер. Н. И. Вавилов открыл закон, в соответствии с которым происхождение видов и даже родов растений, сходных между собой, влечет протекание изменчивости по параллельным путям. Роды и виды, характеризующиеся генетически аналогичными наследственными изменениями, могут послужить способом определения изменений в проявлении признаков для иных, родственных видов. Как и в химической таблице Д. И. Менделеева, гомологический закон делает возможным определение и предсказание существования неизвестных таксономических единиц растений с селективными особенностями, носящими ценный характер. Этот закон был сформулирован благодаря изучению параллелизмов, проявляющихся в наследственной изменчивости поколений.

Заключение

Гомологический ряд веществ, характеризующихся общей формульной структурой, но отличающихся гомологической разностью, позволил человеку увеличить химический потенциал веществ, открывать и получать множество новых соединений, используемых во всех сферах жизнедеятельности. Лучше понять фундаментальное явление о том, что физические и химические качественные характеристики могут определяться молекулярной структурой соединения.

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Гомологи́ческий ряд
— ряд химических соединений одного структурного типа (например, алканы или алифатические спирты — спирты жирного ряда), отличающихся друг от друга по составу на определенное число повторяющихся структурных единиц — так называемую гомологическую разность
. Гомо́логи
— вещества, входящие в один и тот же гомологический ряд.

Простейший пример гомологического ряда — алканы (общая формула С n H 2n+2): метан CH 4 , этан C 2 H 6 , пропан С 3 H 8 и т. д.; гомологической разностью этого ряда является метиленовое звено -СН 2 -.

Гомология и структура соединений

В основе понятия гомологии в органической химии лежит фундаментальное положение о том, что химические и физические свойства вещества определяются структурой его молекул: эти свойства определяются как функциональными группами соединения (гидроксил спиртов , карбоксильная группа карбоновых кислот , арильная группа ароматических соединений и т. п.), так и его углеродным скелетом.

Сам комплекс химических свойств и, соответственно, принадлежность соединения к определённому классу, определяется именно функциональными группами (так, наличие карбоксильной группы определяет проявление соединением кислотных свойств и его принадлежность к классу карбоновых кислот), но на степень проявления химических свойств (например, реакционная способность и константа диссоциации) или физические свойства (температуры кипения и плавления , показатель преломления и т. п.) влияет и углеродный скелет молекулы (см. Рис. 1).

В случае подобия углеродных скелетов соединений, то есть отсутствия изомерии , формулу гомологичных соединений можно записать как X-(СН 2) n -Y
, соединения с различным числом n
метиленовых звеньев являются гомологами и принадлежат к одному классу соединений (например, H-(СН 2) n -COOH
— алифатические карбоновые кислоты). Таким образом, соединения-гомологи принадлежат к одному классу соединений, и свойства ближайших гомологов наиболее близки.

В гомологических рядах наблюдается закономерное изменение свойств от младших членов ряда к старшим, однако такая закономерность может нарушаться, в первую очередь, в начале ряда, из-за образования водородных связей при наличии функциональных групп, способных к их образованию (см. Рис. 2, температуры плавления).

При исследовании параллелизмов в явлениях наследственной изменчивости, Н. И. Вавиловым , по аналогии с гомологическими рядами органических соединений, было введено понятие Гомологические ряды в наследственной изменчивости
.

См. также

Напишите отзыв о статье «Гомологический ряд»

Отрывок, характеризующий Гомологический ряд

После князя Андрея к Наташе подошел Борис, приглашая ее на танцы, подошел и тот танцор адъютант, начавший бал, и еще молодые люди, и Наташа, передавая своих излишних кавалеров Соне, счастливая и раскрасневшаяся, не переставала танцовать целый вечер. Она ничего не заметила и не видала из того, что занимало всех на этом бале. Она не только не заметила, как государь долго говорил с французским посланником, как он особенно милостиво говорил с такой то дамой, как принц такой то и такой то сделали и сказали то то, как Элен имела большой успех и удостоилась особенного внимания такого то; она не видала даже государя и заметила, что он уехал только потому, что после его отъезда бал более оживился. Один из веселых котильонов, перед ужином, князь Андрей опять танцовал с Наташей. Он напомнил ей о их первом свиданьи в отрадненской аллее и о том, как она не могла заснуть в лунную ночь, и как он невольно слышал ее. Наташа покраснела при этом напоминании и старалась оправдаться, как будто было что то стыдное в том чувстве, в котором невольно подслушал ее князь Андрей.
Князь Андрей, как все люди, выросшие в свете, любил встречать в свете то, что не имело на себе общего светского отпечатка. И такова была Наташа, с ее удивлением, радостью и робостью и даже ошибками во французском языке. Он особенно нежно и бережно обращался и говорил с нею. Сидя подле нее, разговаривая с ней о самых простых и ничтожных предметах, князь Андрей любовался на радостный блеск ее глаз и улыбки, относившейся не к говоренным речам, а к ее внутреннему счастию. В то время, как Наташу выбирали и она с улыбкой вставала и танцовала по зале, князь Андрей любовался в особенности на ее робкую грацию. В середине котильона Наташа, окончив фигуру, еще тяжело дыша, подходила к своему месту. Новый кавалер опять пригласил ее. Она устала и запыхалась, и видимо подумала отказаться, но тотчас опять весело подняла руку на плечо кавалера и улыбнулась князю Андрею.
«Я бы рада была отдохнуть и посидеть с вами, я устала; но вы видите, как меня выбирают, и я этому рада, и я счастлива, и я всех люблю, и мы с вами всё это понимаем», и еще многое и многое сказала эта улыбка. Когда кавалер оставил ее, Наташа побежала через залу, чтобы взять двух дам для фигур.
«Ежели она подойдет прежде к своей кузине, а потом к другой даме, то она будет моей женой», сказал совершенно неожиданно сам себе князь Андрей, глядя на нее. Она подошла прежде к кузине.
«Какой вздор иногда приходит в голову! подумал князь Андрей; но верно только то, что эта девушка так мила, так особенна, что она не протанцует здесь месяца и выйдет замуж… Это здесь редкость», думал он, когда Наташа, поправляя откинувшуюся у корсажа розу, усаживалась подле него.
В конце котильона старый граф подошел в своем синем фраке к танцующим. Он пригласил к себе князя Андрея и спросил у дочери, весело ли ей? Наташа не ответила и только улыбнулась такой улыбкой, которая с упреком говорила: «как можно было спрашивать об этом?»
– Так весело, как никогда в жизни! – сказала она, и князь Андрей заметил, как быстро поднялись было ее худые руки, чтобы обнять отца и тотчас же опустились. Наташа была так счастлива, как никогда еще в жизни. Она была на той высшей ступени счастия, когда человек делается вполне доверчив и не верит в возможность зла, несчастия и горя.

Пьер на этом бале в первый раз почувствовал себя оскорбленным тем положением, которое занимала его жена в высших сферах. Он был угрюм и рассеян. Поперек лба его была широкая складка, и он, стоя у окна, смотрел через очки, никого не видя.
Наташа, направляясь к ужину, прошла мимо его.
Мрачное, несчастное лицо Пьера поразило ее. Она остановилась против него. Ей хотелось помочь ему, передать ему излишек своего счастия.
– Как весело, граф, – сказала она, – не правда ли?
Пьер рассеянно улыбнулся, очевидно не понимая того, что ему говорили.
– Да, я очень рад, – сказал он.
«Как могут они быть недовольны чем то, думала Наташа. Особенно такой хороший, как этот Безухов?» На глаза Наташи все бывшие на бале были одинаково добрые, милые, прекрасные люди, любящие друг друга: никто не мог обидеть друг друга, и потому все должны были быть счастливы.

На другой день князь Андрей вспомнил вчерашний бал, но не на долго остановился на нем мыслями. «Да, очень блестящий был бал. И еще… да, Ростова очень мила. Что то в ней есть свежее, особенное, не петербургское, отличающее ее». Вот всё, что он думал о вчерашнем бале, и напившись чаю, сел за работу.
Но от усталости или бессонницы (день был нехороший для занятий, и князь Андрей ничего не мог делать) он всё критиковал сам свою работу, как это часто с ним бывало, и рад был, когда услыхал, что кто то приехал.
Приехавший был Бицкий, служивший в различных комиссиях, бывавший во всех обществах Петербурга, страстный поклонник новых идей и Сперанского и озабоченный вестовщик Петербурга, один из тех людей, которые выбирают направление как платье – по моде, но которые по этому то кажутся самыми горячими партизанами направлений. Он озабоченно, едва успев снять шляпу, вбежал к князю Андрею и тотчас же начал говорить. Он только что узнал подробности заседания государственного совета нынешнего утра, открытого государем, и с восторгом рассказывал о том. Речь государя была необычайна. Это была одна из тех речей, которые произносятся только конституционными монархами. «Государь прямо сказал, что совет и сенат суть государственные сословия; он сказал, что правление должно иметь основанием не произвол, а твердые начала. Государь сказал, что финансы должны быть преобразованы и отчеты быть публичны», рассказывал Бицкий, ударяя на известные слова и значительно раскрывая глаза.

Гомологический ряд

Рис. 2 — Температуры плавления (синий) и кипения (фиолетовый) в гомологическом ряду алифатических карбоновых кислот C1…C8.

Гомологический ряд
— ряд химических соединений одного структурного типа (например, алканы или алифатические спирты — спирты жирного ряда), отличающихся друг от друга по составу на определенное число повторяющихся структурных единиц — так называемую «гомологическую разность». Чаще всего это метиленовые звенья: …-СН 2 -… Простейший пример гомологического ряда — низшие гомологи алканов (общая формула С n H 2n+2): метан CH 4 , этан C 2 H 6 , пропан С 3 H 8 и т. д.

Гомология и структура соединений

В основе понятия гомологии в органической химии лежит фундаментальное положение о том, что химические и физические свойства вещества определяются структурой его молекул: эти свойства определяются как функциональными группами соединения (гидроксил спиртов , карбоксильная группа карбоновых кислот , арильная группа ароматических соединений и т. п.), так и его углеродным скелетом.

Сам комплекс химических свойств и, соответственно, принадлежность соединения к определённому классу, определяется именно функциональными группами (так, наличие карбоксильной группы определяет проявление соединением кислотных свойств и его принадлежность к классу карбоновых кислот), но на степень проявления химических свойств (например, реакционная способность и константа диссоциации) или физические свойства (температуры кипения и плавления , показатель преломления и т. п.) влияет и углеродный скелет молекулы (см. Рис. 1).

В случае подобия углеродных скелетов соединений, то есть отсутствия изомерии , формулу гомологичных соединений можно записать как X-(СН 2) n -Y
, соединения с различным числом n
метиленовых звеньев являются гомологами и принадлежат к одному классу соединений (например, H-(СН 2) n -COOH
— алифатические карбоновые кислоты). Таким образом, соединения-гомологи принадлежат к одному классу соединений, и свойства ближайших гомологов наиболее близки.

В гомологических рядах наблюдается закономерное изменение свойств от младших членов ряда к старшим, однако такая закономерность может нарушаться, в первую очередь, в начале ряда, из-за образования водородных связей при наличии функциональных групп, способных к их образованию (см. Рис. 2, температуры плавления).

При исследовании параллелизмов в явлениях наследственной изменчивости, Н. И. Вавиловым , по аналогии с гомологическими рядами органических соединений, было введено понятие Гомологические ряды в наследственной изменчивости
.

См. также

Wikimedia Foundation
.
2010
.

• Счастливая встреча (фильм)
• Давид Гурамишвили (фильм)

Смотреть что такое «Гомологический ряд» в других словарях:

ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД
— (этим. см. след. сл.). Ряд химических соединений, сходных между собой по свойствам, отправлениям, реакциям, причем продукты реакций также гомологи. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910 … Словарь иностранных слов русского языка

ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД
— в химии (от греч. homologos соответственный подобный), последовательность органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением, каждый член которой отличается от соседнего на постоянную структурную единицу… … Большой Энциклопедический словарь

ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД
— группа органических соединений со сходными функциональными группами и однотипным строением, каждый член которой отличается от соседнего на одну млн. несколько постоянных структурных единиц (гомологическую разность) чаще всего на группу СН2 в… … Большая политехническая энциклопедия

гомологический ряд
— в химии (от греч. homólogos соответственный, подобный), последовательность органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением, каждый член которой отличается от соседнего на постоянную структурную единицу… … Энциклопедический словарь

гомологический ряд
— homologinė eilė statusas T sritis chemija apibrėžtis Organinių junginių eilė, kurios gretimi nariai skiriasi –CH₂– grupe. atitikmenys: angl. homologous series rus. гомологический ряд … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД
— последовательность орг. соед. с одинаковыми функц. группами и однотипным строением, каждый член к рой отличается от соседнего на постоянную структурную единицу (гомологич. разность), чаще всего метиленовую группу ЧСН 2 Ч. Члены Г. р. наз.… … Химическая энциклопедия

ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД
— в химии (от греч. homologos соответственный, подобный), последовательность органич. соед. с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением, каждый член к рой отличается от соседнего на пост. структурную единицу (гомологич. разность) … Естествознание. Энциклопедический словарь

гомологический ряд углеводородов
— — Тематики нефтегазовая промышленность EN hydrocarbon family … Справочник технического переводчика

РЯД УГЛЕВОДОРОДОВ ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ
— [γομςο (гомос) одинаковый, подобный] гр. углеводородов с характерной структурой и общей формулой, а также с определенной общностью хим. свойств.. Соседние члены Р. у г. отличаются друг от друга по составу на одну… … Геологическая энциклопедия

Алканы
— Эта статья о химических соединениях. О канадской алюминиевой компании см. Rio Tinto Alcan … Википедия

гомология и изомерия (структурная и пространственная). Взаимное влияние атомов в молекулах / Справочник :: Бингоскул

Что такое органическая химия?

Органическая химия – это раздел химии, который изучает структуру, свойства и методы получения (синтеза) углеводородов и их производных. Сейчас число известных органических соединений составляет почти 30 млн, однако оно продолжает расти (в мае 1999 года было известно около 12 млн органических веществ). Этот рост обусловлен необычными свойствами углерода. Например, данный элемент может образовать цепи любой длины, способные замыкаться и образовывать циклы, а также атом углерода способен создавать одинарные, двойные или тройные связи. Валентность углерода всегда равна 4-м, поэтому он всегда будет создавать вокруг себя 4 связи. Это могут быть четыре одинарных, две двойных, одна тройная и одна одинарная и др. В любом случае, способов образовывать связи много, однако чаще всего углерод связывается с водородом, кислородом, фосфором, азотом и некоторыми другими атомами этих элементов. 

Теория строения органических соединений

Ещё в глубокой древности люди могли получать органические вещества, но теория их строения была сформулирована только в 1860-х годах русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым. Теория получила название в честь своего автора и стала фундаментом органической химии. До возникновения этой теории существовала такая точка зрения, что органические вещества нельзя получить из неорганических, то есть для их синтеза необходима некая сила, существующая только у живых организмов. Естественно, что появление теории, противоречащей всем знаниям в области органики, вызвало непонимание у химиков того времени.  Научившись самостоятельно синтезировать органические вещества, ученые столкнулись с соединениями с одинаковой молекулярной формулой и молярной массой, но абсолютно другими свойствами. Например, диметиловый эфир при нормальных условиях представляет собой газ, а этиловый спирт, имеющий такой же состав, – жидкость. Подобные соединения стали называть изомерами, а явление – изомерией.

Основные положения теории Бутлерова

• Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностью.
• Химическое строение можно устанавливать химическими методами.
• Свойства любого органического вещества зависят от последовательности соединения атомов в молекуле.
• По свойствам вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы – предугадать свойства.
• Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

Данная теория оказала сильное влияние на скорость развития органической химии. С ее помощью А.М. Бутлеров объяснил явление изомерии, а также самостоятельно получил некоторые изомеры, в очередной раз доказав верность своих мыслей.

Гомология и изомерия.

Гомология (от греч. «подобный») – явление, при котором вещества имеют похожие строение и свойства, но отличаются между собой по молекулярному составу на одну или несколько групп CH₂. Например алканы: CH₄(метан), C₂H₆(этан), C₃H₈(пропан), C₄H₁₀(бутан). В органической химии существуют целые гомологические ряды. У каждого класса органических веществ есть свой гомологический ряд, отражающий общую формулу соединений, входящих в него.

Изомерия (от греч. «равный») – явление, при котором вещества имеют похожий количественный и качественный состав, но разные строение и свойства. Изомерия бывает структурная и пространственная.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – вещества одинакового количественного и качественного состава, но разного химического строения. Структурная изомерия бывает 3-х типов.

Изомерия углеродного скелета

Бутан

2-метилпропан

(В 1-м случае CH₃ – часть углеродной цепи, а во 2-м – радикал).

Изомерия положения

2.1 кратных связей

бутен-1 H₃C—CH₂—CH=CH₃  и бутен-2 H₃C—CH=CH—CH₃

(Меняется положение двойной связи. В 1-м случае двойная связь у первого атома углерода, а во 2-м – у второго).

2.2 функциональной группы

Бутанол-1 Бутанол-2

(Меняется положение гидроксогруппы от 1-го атома углерода ко 2-му).

2.3 заместителя

1-хлорпропан 2-хлорпропан

(Меняется положение атома хлора (галогена) от 1-го атома углерода ко 2-му).

Межклассовая изомерия

H₃C—CH₂—CH=CH₃ — бутен-1

циклобутан – циклоалкан

(Меняется класс вещества).

Пространственная изомерия

Пространственные изомеры (стереоизомеры) – вещества одинакового количественного и качественного состава и одинакового химического строения, отличающихся друг от друга пространственным расположением атомов в молекуле. Пространственная изомерия бывает 2-х типов.

Геометрическая изомерия

Встречается у веществ, имеющих цикл или двойную (С=С) связь. Данный вид пространственной изомерии еще называют цис – и – транс изомерией.

Цис-бутен-2 Транс-бутен-2

(Атом водорода и группа CH₃ меняются местами).

Оптическая изомерия

Суть оптической изомерии заключается в том, что если атом углерода в молекуле связан с 4-мя различными атомами или атомными группами, то из него можно получить два соединения с одинаковой структурой, молекулы которых будут являться зеркальными копиями друг друга (как правая и левая руки человека). В пример можно привести D-глюкозу и L-клюкозу.

Взаимное влияние атомов в молекулах

С момента появления электронной теории химической связи (1912-1916 гг.) знания о структуре химических соединений, как о последовательности соединенных атомов, были значительно пополнены. Данная теория объясняет причину влияния атомов или групп атомов внутри молекулы друг на друга. Всего существует два способа такого взаимодействия.

Индуктивный эффект

• Индуктивный эффект – смещение электронной плотности по σ (сигма) связям, вследствие которого происходит перераспределение эффективных зарядов на атомах в молекуле. Эффект передается с постепенным затуханием, поэтому через 3 связи становится практически равным 0. Индуктивный эффект бывает положительным (+I) или отрицательным (-I). Положительный эффект замечается при увеличении электронной плотности заместителем, а отрицательный, наоборот, при уменьшении. Заместители, атомы которых более электроотрицательны, чем атом углерода, будут проявлять отрицательный индуктивный эффект (атомы галогенов, гидроксогруппы, аминогруппы, нитрогруппы и др). В таком случае на атоме углерода образуется δ+ (частично положительный) заряд, а на атоме заместителя – δ-(частично отрицательный). Положительный эффект проявляют атомы с низкой электроотрицательностью (чаще всего металлы), а также углеводородные радикалы (CH₃ и др). При таком раскладе на атоме углерода будет δ- заряд, а на атоме заместителя – δ+.

Мезомерный эффект

• Мезомерный эффект – смещение общей электронной плотности по цепи сопряженных π (пи) связей. Мезомерный эффект не затухает по системе кратных связей и p-орбиталей, чем отличается от индуктивного. Этот эффект может быть положительным (М+) или отрицательным (М-). Положительный мезомерный эффект бывает только у C=C связей с некоторыми заместителями: аминогруппами, гидроксогруппами, галогенами. А отрицательный у карбоксильных групп, нитрогрупп, сульфогрупп и др. Из-за мезомерного эффекта на атомах заместителей соответсвенно возникает частично положительный или частично отрицательный заряд. Заметнее всего этот эффект в производных бензола, так как распределение зарядов в бензольном кольце является следствием действия и индуктивного и мезомерного эффектов.

Заключение

Органическая химия играет большую роль в существовании живых организмов. С давних времен люди пытались разгадать тайны органических веществ, но стремительно развиваться этот раздел химии начал только в середине XIX века. Разгадав тайны строения этих соединений, люди продолжили двигаться вперед, открывая новое и в большинстве случаях полезное для человечества (например, препарат пенициллин). Прочитав данную статью, вы узнали о теории А.М. Бутлерова, о таких явлениях как гомология и изомерия и о взаимном влиянии атомов в молекулах. Все эти открытия, сделанные людьми несколько столетий назад, являются основами органической химии по сей день.

Смотри также:

Программа «Подготовка по химии. 11 класс»

«Химический элемент»

1. Химический элемент. Формы существования химических элементов. Атом. Модели строения атома. Ядро и нуклоны. Изотопы. Электрон. Атомная орбиталь. Распределение электронов по орбиталям. Электронная конфигурация атома. Валентные электроны. Основное и возбужденные состояния атомов.

2. Современная формулировка периодического закона и современное состояние периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева. Электронные конфигурации атомов переходных элементов.

3. Строение атомов и свойства химических элементов на основе положения в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева. Содержание заданий, выявляющих знание взаимосвязи строения атомов элементов и химических свойств элементов, взаимосвязи положения элементов в ПСХЭ и строения атомов.

4. Степень окисления элементов. Содержание заданий на определение степени окисления элементов по формулам. Типичные ошибки в теме «Химический элемент». Рекомендации по предупреждению типичных ошибок.

«Вещество»

1. Классификация неорганических и органических веществ по составу и свойствам; международная и «тривиальная» номенклатура.

2. Виды химической связи, типы кристаллических решеток.

3. Причины многообразия веществ; аллотропия, изомерия, гомология.

4. состав, свойства и применение основных классов неорганических соединений: оксиды, основания, кислоты, амфотерные гидроксиды, соли.

5. Состав, свойства и применение основных классов органических соединений: углеводороды, кислородсодержащие и азотсодержащие соединения.

6. Технология выполнения заданий, используемых в экзаменационном тесте.

7. Типичные ошибки в теме «Вещество». Рекомендации по предупреждению типичных ошибок.

«Химическая реакция»

1. Классификация химических реакций в неорганической и органической химии. Закономерности протекания химических реакций. Тепловые эффекты реакций. Термохимические уравнения.

2. Скорость реакции, ее зависимость от различных факторов. Закон действующих масс. Энергия активации. Катализ и катализаторы.

3. Обратимость реакций. Химическое равновесие. Смещение равновесия под действием различных факторов. Принцип Ле Шателье.

4. Реакции ионного обмена в водных растворах. Гидролиз неорганических и органических соединений. Среда водных растворов: кислая, нейтральная, щелочная. Водородный показатель (рН) раствора.

5. Окислительно-восстановительные реакции. Методы электронного и электронно-ионного баланса. Ряд стандартных электродных потенциалов. Коррозия металлов и способы защиты от нее. Химические источники тока. Электролиз растворов и расплавов.

6. Генетическая связь между классами неорганических и органических соединений. Взаимосвязь между неорганическими и органическими веществами.

7. Реакции полимеризации и поликонденсации.

8. Расчеты по химическим уравнениям.

9. Типичные ошибки в теме «Химическая реакция». Рекомендации по предупреждению типичных ошибок.

«Познание и применение веществ человеком»

1. Общие принципы промышленного получения важнейших веществ из природного сырья на примере: производства серной кислоты, переработки нефти.

2. Химическое загрязнение окружающей среды и его последствия. Проблемы безопасного использования веществ и химических реакций в повседневной жизни. Токсичные, горючие вещества

3. Качественный и количественный анализ веществ. Определение характера среды. Индикаторы. Качественные реакции на неорганические вещества и ионы. Качественные реакции на отдельные классы органических соединений

4. Содержание заданий по теме «Познание и применение веществ человеком». Типичные ошибки в теме «Познание и применение веществ человеком». Рекомендации по предупреждению типичных ошибок.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Определение гомологии по Мерриам-Вебстеру

ho · mol · o · gy

| \ hō-ˈmä-lə-jē

, hə- \

1

: сходство, часто приписываемое общему происхождению

… Антрополог находится в любопытном положении, имея дело с… поразительными гомологиями, не обязательно связанными с историческими контактами… — Эдвард Сепир

2

а
эволюционная биология

: соответствие или сходство по форме или функциям между частями (например, крыло летучей мыши и человеческая рука) разных видов в результате модификации признака, которым обладает общий предок : сходство признаков, отражающее общее происхождение и происхождение — сравните аналогию, гомоплазию

б
анатомия

: структурное соответствие между сериями частей (например, позвонками) у одного и того же человека

3

: сходство нуклеотидной или аминокислотной последовательности (как в нуклеиновых кислотах или белках)

4

: раздел теории топологии, связанный с разделением пространства на геометрические компоненты (такие как точки, линии и треугольники) и с изучением количества и взаимосвязей этих компонентов, особенно с использованием теории групп.

— также называется
теория гомологии

— сравнить когомологии

Определение гомолога по Merriam-Webster

ho · mol · o · gous

| \ hō-ˈmä-lə-gəs

, hə- \

1а

: с таким же относительным положением, значением или структурой: например,

(1)
биология

: с биологической гомологией

(2)
биология

: с одинаковыми или аллельными генами с генетическими локусами, обычно расположенными в одном и том же порядке.

гомологичные хромосомы

б
химия

: , принадлежащий к химическому ряду или состоящий из него (см. Раздел 6), последовательные члены которого имеют регулярные различия в составе, особенно одной метиленовой группы.

2
биология

: получено из организмов одного вида или разработано в ответ на них.

трансплантат гомологичной ткани

Углеродные соединения — гомологичная серия

Углерод образует сотни тысяч различных соединений, особенно в сочетании с водородом в соединениях, называемых углеводородами.
Чтобы облегчить понимание углеродных соединений, они сгруппированы в «семейства» или гомологические серии. Гомологический ряд — это группа углеродсодержащих соединений, которые могут:

• можно представить общей формулой (например, алканы — C _n H _{2n + 2} )
• имеют аналогичные химические свойства
• показывают постепенное изменение своих физических свойств по мере увеличения количества атомов углерода в молекулах.

В CfE Higher Chemistry вы должны быть знакомы с рядом гомологических рядов и любыми функциональными группами, которые они могут содержать.Функциональная группа — это группа атомов, общих для членов гомологического ряда, которая придает молекулам их характерные свойства.

Вы должны быть в состоянии идентифицировать и давать названия соединениям из каждого из этих гомологических рядов. Для простых углеводородов они названы в зависимости от длины цепи и функциональной группы.

Когда углеводороды разветвлены, необходимо соблюдать несколько правил наименования. Правила одинаковы в каждом случае, но поскольку алканы не содержат функциональной группы, их немного проще назвать.

Именование разветвленных алканов (пример из правил IUPAC).

Обозначение разветвленных углеводородных соединений, содержащих функциональную группу:

Постоянный гомологический анализ скоплений ионов и сетей водородных связей

Несмотря на значительный прогресс экспериментальных инструментов и теоретических моделей, количественная характеристика микроскопических структур ионных агрегатов и связанных с ними сетей водородных связей в воде все еще остается сложной задачей.В этой статье впервые представлен новый математический метод, называемый стойкой гомологией, для количественного анализа внутренних топологических свойств систем ионной агрегации и сетей водородных связей. Два наиболее отличительных свойства постоянного анализа гомологии сборочных систем заключаются в следующем. Во-первых, не требуется заранее определенной длины связи для построения сети ионных или водородных связей. Устойчивые результаты гомологии определяются только морфологической структурой данных.Во-вторых, он может напрямую измерять размер кругов или дырок в ионных агрегатах и ​​сетях водородных связей. Чтобы проверить нашу модель, мы рассматриваем две хорошо изученные системы, , то есть , растворы NaCl и KSCN, полученные в результате моделирования молекулярной динамики. Считается, что они представляют два морфологических типа агрегации, , то есть , локальные кластеры и протяженные ионные сети. Было обнаружено, что два типа агрегации имеют различные топологические особенности и могут быть очень хорошо охарактеризованы нашей топологической моделью.Далее, мы строим два типа сетей, , то есть , O-сети и H ₂ O-сети, для анализа топологических свойств сетей с водородными связями. Установлено, что для обеих моделей системы KSCN демонстрируют гораздо более драматические изменения в структуре их локального круга с увеличением концентрации. Наблюдается последовательное увеличение крупных локальных круговых структур, размеры которых становятся все более разнообразными. Напротив, системы NaCl не показывают явного увеличения кругов большого размера.Вместо этого наблюдается последовательное уменьшение среднего размера круговых структур, и размеры этих кругов становятся все более и более однородными с увеличением концентрации. Насколько нам известно, эти уникальные внутренние топологические особенности в системах ионной агрегации никогда ранее не указывались. Что еще более важно, наши модели можно напрямую использовать для количественного анализа внутренних топологических инвариантов, включая круги, петли, отверстия и полости, любых сетевых подобных структур, таких как наноматериалы, коллоидные системы, биомолекулярные сборки и другие.Эти топологические инварианты не могут быть описаны традиционными моделями графов и сетей.

Гомология

— определение и значение

Обнаружение гомологов с использованием свойств глобальных последовательностей предлагает альтернативный взгляд на структурное кодирование в белковых последовательностях.

Значимость

Представлена ​​функция расстояния между последовательностями на основе Фурье для белков, которая демонстрирует высокую точность при поиске структурной гомологии.Значение этой работы заключается в том, что до сих пор не существовало независимого метода, с помощью которого можно было бы сравнить гомологии, полученные при выравнивании последовательностей. Этот метод позволяет избежать ограничений выравнивания и может раскрыть новые классы гомологов и дать существенное представление об организации белковой вселенной. Поскольку он очень быстрый и позволяет сравнивать произвольно большие группы последовательностей одновременно и точно, он также имеет большие перспективы в качестве общего инструмента в биомедицинских исследованиях.

Abstract

Мы показываем, что функция расстояния между последовательностями на основе Фурье способна идентифицировать структурные гомологи целевых последовательностей с высокой точностью. Показано, что расстояния Фурье очень сильно коррелируют с независимо определенными структурными расстояниями между молекулами — свойство метода, которое недостижимо с использованием традиционных представлений. Далее показано, что способность подхода Фурье идентифицировать белковые складки статистически намного превосходит случайное ожидание.Затем показано, что в реальных поисках структурных гомологов выбранных последовательностей-мишеней подход Фурье дает отличные результаты. На основе этих результатов мы предполагаем, что глобальная информация, обнаруженная с помощью представления Фурье, является важной характеристикой кодирования структур в белковых последовательностях и ключом к обнаружению структурной гомологии.

Установление складчатой ​​структуры белка по его аминокислотной последовательности — одна из центральных проблем современной молекулярной биофизики и вопрос, представляющий наибольший практический интерес во всех областях биологических исследований.Самым надежным методом предсказания структуры белка по его последовательности остается моделирование гомологии (1, 2). В этом подходе (3) структура целевой последовательности моделируется на основе известных структур белков, последовательности которых определены как похожие на нее по заранее определенным критериям. Хотя этот метод привел ко многим обнадеживающим успехам, моделирование гомологии нельзя рассматривать как решенную проблему. Это можно понять, отметив следующие две постоянные трудности с существующими подходами:

• i ) Любая достаточно большая группа последовательностей, о которых известно, что они сворачиваются в заданную архитектуру, будет содержать пары последовательностей, которые не связаны никаким известным критерием.Это наблюдение настолько хорошо известно (4), что было удостоено названия (5): «проблема удаленного гомолога». В результате этого факта многие подходящие гомологи для данной мишени гомологии будут отвергнуты неправильно.

• ii ) Существуют последовательности (6), в которых мутация одного сайта приводит к полному изменению укладки белка. Эти «конформационные переключатели» также хорошо изучены. Все современные методы сравнения последовательностей предсказывают, что эти пары последовательностей должны иметь по существу идентичные структуры.В результате для моделирования могут быть выбраны неправильные гомологи.

По существу, все современные методы сравнения последовательностей, которые обеспечивают основу, в которой возникают эти трудности, основаны на методах выравнивания. Согласование основывается на ряде допущений, последствия которых не были тщательно изучены. Мы кратко перечислим некоторые из них:

• • Неявное предположение, что структурное сходство между молекулами является результатом эволюционных отношений, а не чисто физических механизмов;

• • Зависимость от полностью произвольных штрафных функций для учета ошибочной регистрации (в виде вставок и удалений) последовательностей;

• • Пренебрежение возможностью того, что кратковременное кодирование может происходить способами, которые не могут быть обнаружены локальным сравнением остатков за остатками;

• • Сравнение последовательностей с использованием параметров, которые в лучшем случае представляют физические свойства аминокислот только косвенно;

• • Опора при разработке передовых подходов на самореферентные методы, в которых новые алгоритмы сравнения последовательностей построены на результатах предыдущих сопоставлений и, следовательно, нелинейным образом включают предыдущие предположения;

• • Дополнительная зависимость при построении более сложных процедур выравнивания от множественного выравнивания последовательностей, что является NP-сложной проблемой (7) и не может быть решена точно.

Следует также отметить, что неизвестно, смещает ли исключительная зависимость от методов сравнения последовательностей, основанных на выравнивании, классы гомологов, которые могут быть обнаружены. По сути, никаких контролируемых исследований по этому вопросу не проводилось.

Чтобы обойти эти предположения и сделать такое управление осуществимым, мы разработали альтернативный подход (8⇓⇓⇓⇓ – 13) к представлению и сравнению последовательностей, основанный на анализе Фурье. В настоящей работе мы обращаемся к начальному этапу моделирования гомологии, обнаружению структурных гомологов целевой последовательности, представляющей интерес.Вводится основанная на Фурье функция расстояния между последовательностями, и ее производительность сравнивается с производительностью независимо построенной функции расстояния структура-структура, применяемой к тому же набору белков. Мы демонстрируем следующие моменты:

• • Расстояния между молекулами в пространстве последовательностей и структур демонстрируют очень высокую корреляцию. Насколько нам известно, функции параллельного расстояния ранее не разрабатывались и не предпринимались попытки установить такую ​​корреляцию.

• • Статистическая надежность функции расстояния между последовательностями при обнаружении гомологичных складок количественно исследована и показала, что она очень высока.

• • Показан метод поиска точных гомологов для последовательностей, принадлежащих к хорошо известным семействам структур.

• • Функция «последовательность – расстояние между последовательностями» используется для поиска гомологов сложных мишеней, поставленных в предыдущих упражнениях по критической оценке предсказания структуры белка (CASP).Показано, что простые критерии отбора приводят к набору гомологов, содержащему структуры, очень похожие на структуры мишеней.

Следует подчеркнуть, что настоящий метод полностью отличается как по концепции, так и по исполнению от подходов, основанных на согласовании. Он точен, был статистически проверен на очень большой базе данных и может применяться для одновременного сравнения произвольно больших ансамблей последовательностей. Следовательно, он должен быть полезен при обнаружении структурных гомологов представляющих интерес последовательностей-мишеней, а также при изучении организации пространства белковых последовательностей.

Краткое описание общего подхода и детали настоящей работы приведены в Методы .

Результаты

Мы исследуем надежность и полезность основанной на Фурье функции расстояния между последовательностями, которую мы обозначаем Δ, с трех разных точек зрения.

Корреляция между различиями последовательностей и структур.

Мы начинаем с вопроса, существует ли какая-либо корреляция между межбелковыми расстояниями в пространствах последовательностей и структурных расстояний.Положительный ответ на этот вопрос является непременным условием применимости функции сравнения последовательностей к моделированию гомологии. Нам не известны какие-либо исследования, которые изучали бы этот момент для сравнения последовательностей на основе выравнивания или методов структурного сравнения на основе суперпозиции. В самом деле, совсем не ясно, как можно было бы использовать выравнивание для значимого количественного определения различий между последовательностями без детектируемого сходства на основе выравнивания, и невозможно осуществить структурную суперпозицию на парах структур с очень разными длинами последовательностей.Разработанные нами методы позволяют проводить это исследование в произвольно различных областях физически значимым образом.

Мы вычислили коэффициент корреляции между расстоянием на основе последовательности Δ ( P , Q ) и расстоянием на основе структуры δ ( P , Q ) для набора данных последовательности / структуры, описанного в Методы . Блок-схема этого расчета показана на рис. 1. Мы находим, что R = 0.8. Две функции расстояния действительно сильно коррелированы. Следует отметить, что эта корреляция распространяется на чрезвычайно большое количество пар расстояния последовательности / расстояния структуры — 12 227 белков в наборе данных дают около 7,5 × 10 ⁷ независимых измерений. Чтобы количественно оценить статистическую значимость коэффициента корреляции, мы вычислили стандартную оценку (т. Е. Центрированное, нормализованное значение, традиционно обозначаемое z) для наблюдаемого значения R и нашли чрезвычайно большое значение: z ∼ 9,518.Таким образом, мы можем окончательно отвергнуть нулевую гипотезу о том, что R = 0. Это обеспечивает гораздо более строгий и статистически значимый тест на полезность функции расстояния между последовательностями, чем поиск гомологии с участием ограниченного числа целевых последовательностей. Тем не менее мы рассмотрим результаты таких поисков, чтобы поместить настоящие результаты в контекст широко распространенных в настоящее время методов. Однако сначала мы исследуем статистическую значимость обнаружения складок по Δ с другой точки зрения.

Рис. 1.

Схема расчета корреляции. Здесь «GBM» относится к функции структурного расстояния «обобщенной матрицы связей», обсуждаемой в тексте.

Статистическая значимость обнаружения складок.

Мы спрашиваем, сколько последовательностей с заданной степенью кратности схожести с целью найдено в указанной окрестности каждой последовательности в нашем наборе данных. Мы используем простую модель K-ближайших соседей и характеризуем подобие складок степенью идентичности в индексах CATH (14).Таким образом, мы исследуем K ближайших соседей (измеряемых величиной Δ) последовательности j, которая имеет индексы CATH (C _j , A _j , T _j , H _j ), и спрашиваем, какая часть из них имеет значения индекса C _j , (C _j , A _j ), (C _j , A _j , T _j ) или (C _j , A _j , T _j , H _j ). Совпадение представляет собой правильный прогноз при заданной степени сходства складок. Мы также можем точно рассчитать ожидаемые значения этих дробей и связанных SD, используя простые аргументы подсчета из элементарной вероятности.Это позволяет нам рассчитать стандартную оценку (значение z) для каждого числа ближайших соседей и, таким образом, определить степень, в которой Δ работает лучше, чем можно было бы ожидать, на чисто случайной основе. Данные показаны в таблице 1 для значений ближайшего соседа 1, 10 и 20. Видно, что Δ работает намного лучше, чем можно было бы ожидать на чисто случайной основе, за исключением самой низкой степени сходства кратности (C level) с 10 (z = 1,15) или 20 (z = 0) ближайшими соседями. На этом низком уровне сходства количество последовательностей с каждым значением индекса (C) настолько велико, что для любого разумного количества ближайших соседей мы выполняем по существу случайный выбор.Однако, если мы ограничиваем выбор, выбирая только одного ближайшего соседа, Δ работает намного лучше, чем случайный выбор (z = 41,43) даже на уровне C.

Таблица 1.

Статистическая значимость обнаружения кратности по Δ

Мы установили статистическую значимость обнаружения кратности с помощью функции расстояния пересечения Δ. Теперь мы исследуем результаты реальных поисков гомологии, чтобы поместить метод Фурье в несколько более знакомый контекст.

Поиск структурных гомологов заданных целевых последовательностей.

Работа была разделена на две части. В первом случае случайным образом был выбран набор из 12 последовательностей из набора данных. Единственные требования, предъявляемые к отбору мишеней, заключались в том, что каждая последовательность не должна быть единственным членом своего класса CATH, и что примерно равное количество представителей должно быть выбрано из классов C = 1, 2 и 3 (спиральная, лист / цилиндр, и смешанные структуры). Был проведен поиск по 20 ближайшим соседям для структурных гомологов каждой последовательности. Структурные гомологи идентифицировали по соответствию наборов индексов (C, A, T) или (C, A, T, H) между мишенью и членами 20-последовательной окрестности мишени.[Следует помнить, что индекс H относится к свойствам гомологии последовательностей, так что для указания структурной гомологии требуется не более чем (C, A, T) -уровневая идентичность.]

Из таблицы 2 видно, что для все 12 мишеней, структурные гомологи находятся в районе 20 последовательностей. В восьми случаях было обнаружено более одного гомолога. Задача, которая остается перед моделистом, — идентифицировать гомологи среди 20 кандидатов. Можно ожидать, что с этим можно будет справиться в ходе оптимизации структуры модели на основе энергии, используя 20 кандидатов в качестве отправных точек.

Таблица 2.

Результаты поиска структурных гомологов для классифицированных последовательностей

Во второй части поискового исследования были выбраны пять целей, предложенных как сложные случаи в упражнении CASP8 (15). Эти молекулы теперь имеют структуры, депонированные в банке данных по белкам, но не классифицированы в базе данных CATH. Поэтому для идентификации структурных гомологов мы рассчитали структурные расстояния δ ( T , N _i ) между целью T и каждым из ближайших соседей N _i ( i = 1, 2,…, 20).Теперь представляет интерес вопрос, есть ли в наборе ближайших соседей последовательности какие-либо, которые также являются ближайшими структурными соседями. С целью практического применения поиска гомологии и в отсутствие классификационной информации мы ограничили поиск структурных гомологов в этом случае молекулами с длиной последовательности в пределах ± 10% от длины целевой последовательности. Результаты этого исследования показаны в Таблице 3. Для каждой цели структурное расстояние от наиболее сходных из 20 соседей по ближайшей последовательности показано в последнем столбце.Структурные расстояния показаны как центрированные нормированные значения ζ , явно определенные в формуле. 7 ниже, а минимально возможное значение, соответствующее идентичным структурам, составляет -0,778. Следовательно, можно видеть, что в каждом случае структурно подобные домены были идентифицированы исключительно на основе соображений сходства последовательностей.

Таблица 3.

Результаты поиска структурной гомологии для целей CASP8

Фактические структуры этих наиболее похожих доменов показаны в приложении SI , рис.S1. Видно, что в четырех из пяти случаев структура очень похожа на структуру цели CASP. В одном случае (T0457) наиболее похожая соседняя последовательность имеет топологию, отличную от топологии целевой, хотя функция расстояния, что неудивительно, обнаружила значительное локальное сходство между двумя доменами. В этом контексте следует помнить, что домены CASP, которые являются сложными целями, могут вообще не иметь структурных гомологов в нашей базе данных. Что касается T0457, то при дальнейшем исследовании мы обнаруживаем, что это действительно так.

Обсуждение и выводы

Мы продемонстрировали способность основанных на Фурье функций расстояния между последовательностями идентифицировать структурные гомологи целевых последовательностей. Это было продемонстрировано четырьмя различными способами:

• i ) Было продемонстрировано, что расстояния пересечения, определяемые методом Фурье, сильно коррелируют с межструктурными расстояниями для тех же белков, полученными с помощью независимого алгоритма сравнения структур.

• ii ) Было продемонстрировано, что способность функции расстояния Фурье правильно классифицировать последовательности намного превосходит то, что можно было бы ожидать на чисто случайной основе.

• iii ) Было показано, что алгоритм идентифицирует структурные гомологи идентичной складки для каждого члена тестового набора целей.

• iv ) Было показано, что алгоритм обычно идентифицирует структуры, которые количественно подобны структурам мишеней для заражения CASP, используя только информацию о последовательности.

Эти наблюдения очень убедительно свидетельствуют о том, что для кодирования структуры в аминокислотной последовательности требуется глобальная организация белковых последовательностей, а не чисто локальная информация.Подход Фурье не обременен многими ограничениями методов сравнения последовательностей, основанных на выравнивании, и поэтому можно ожидать, что результаты, полученные с использованием этого подхода, обеспечат как полезный контроль результатов гомологии, сгенерированных из широко используемых алгоритмов, так и новое понимание сути глобальная организация белковой вселенной.

Методы

Метод Фурье отличается от широко распространенных в настоящее время алгоритмов, основанных на выравнивании, по двум фундаментальным причинам. Эти моменты подробно обсуждались ранее (8, 9), и мы кратко резюмируем здесь:

• i ) 20 встречающихся в природе аминокислот представлены числовыми параметрами, полученными с помощью факторного анализа из их физических свойств ( 16, 17).Было показано (16), что десять факторов свойств учитывают практически все различия физических свойств, и поэтому можно представить каждую аминокислоту как 10-вектор, а последовательность остатков N — как набор 10 числовых цепочек длиной N (8, 9). Факторы свойств являются полными и ортонормированными по конструкции, и поэтому последовательности представлены в числовом виде с помощью параметров, которые, помимо того, что они физически основаны, являются как исчерпывающими, так и неизбыточными.

• ii ) Результирующие численно закодированные последовательности подвергаются преобразованию Фурье. Результатом этой операции является набор коэффициентов Фурье, индексированных двумя параметрами — волновым числом k и индексом фактора свойства l , который указывает, какая из 10 строк факторов свойств приводит к возникновению коэффициента. Каждый отдельный коэффициент носит глобальный характер, поскольку содержит информацию из всей последовательности. Коэффициенты Фурье, как и факторы свойств, являются полными и ортонормированными по построению и вместе взятые обеспечивают полное числовое представление белковой последовательности.Обратите внимание, что в -пространстве k длина цепи была удалена как переменная, и поэтому цепи разной длины можно строго сравнивать; Коэффициенты Фурье описывают свойства цепей, масштабируемых с длиной. Было показано (9), что средние и дисперсионные свойства коэффициентов Фурье могут быть вычислены аналитически, так что статистическая значимость величины данного коэффициента может быть определена точно.

Функция расстояния между последовательностями.

В недавней работе (13) мы продемонстрировали, что архитектурные семейства отличаются друг от друга коэффициентами Фурье при очень ограниченном наборе низких волновых чисел k . Единственные значения k , при которых есть статистически значимые различия между наборами последовательностей с разными складками, — это 0 ≤ k ≤ 6.

Это наблюдение является центральным для настоящей работы, поскольку оно обеспечивает основу для построения функция расстояния пересечения.Как и в предыдущей работе (9), мы определяем стандартную оценку для коэффициента Фурье [обозначенного в данном случае Z _k ^{( l )} ] для свойства l , при волновом номере k , следующим образом:

, где c — ненормализованный синусоидальный или косинусный коэффициент Фурье, угловые скобки обозначают среднее значение по всем перестановкам исходной N -последовательности дикого типа, а σ — соответствующее SD. Эта нормализация устраняет любую зависимость только от состава последовательности и создает функцию, которая явно отражает влияние конкретного линейного расположения аминокислот вдоль последовательности.Затем мы определяем расстояние, зависящее от k между любыми двумя последовательностями P и Q , Δ _k ( P , Q ) и общее расстояние между последовательностями следующим образом:

Точное определение Δ _k ( P , Q ), которое зависит от всех 10 факторов свойств, дано в приложении SI . Функция расстояния — это простая декартова метрика в пространстве центрированных нормированных коэффициентов Фурье Z _k ^{( l )} (Ур. 1 ), но разные комбинации коэффициентов синуса и косинуса используются при разных значениях k , что отражает статистически значимые различия, обнаруженные ранее (13).

Функция структурного расстояния.

Чтобы установить надежность функции расстояния между последовательностями Δ, мы должны определить параллельную независимую функцию расстояния, которая измеряет степень структурного сходства между белками без ссылки на последовательность. Мы разработали такую ​​функцию в предыдущей работе (18, 19) и применили ее для количественной классификации известных белковых структур.Этот подход, метод обобщенной матрицы связей (GBM), описывает структуру с точки зрения набора матриц длин связей, валентных углов и двугранных валентных углов. Метод может быть применен к любому определенному соответствующим образом представлению цепи, но здесь мы используем основную цепь виртуальной связи ближайшего соседа (C ^α ). Размер каждой матрицы определяется заранее выбранной длиной фрагмента. Таким образом, представление чувствительно к местным структурным характеристикам. В то же время полное распределение этих матриц (которые описывают перекрывающиеся фрагменты, составляющие структуру) является глобальной характеристикой структуры и может использоваться как отпечаток пальца.Затем определяется функция расстояния, которая воздействует на два отпечатка пальца для количественной оценки степени сходства между связанными структурами. Поскольку отпечатки пальцев нормализованы по длине последовательности, можно значимо сравнивать структуры белков разного размера. Было независимо показано (20), что этот подход сопоставим с надежными, «золотыми стандартами» алгоритмов сравнения структур на основе суперпозиции (21, 22), при этом он требует гораздо меньших вычислительных затрат. В отличие от этих методов, метод GBM подходит для быстрого одновременного попарного сравнения очень больших наборов структур.

Здесь мы используем версию алгоритма с низким разрешением (LRGBM), которая, как было продемонстрировано (19), дает результаты, очень похожие на метод сравнения с полным разрешением, и который является еще более быстрым в исполнении. В формулировке LRGBM структура белка представлена ​​в четырехмерном пространстве путем интеграции по популяциям предопределенных областей отпечатка пальца GBM с высоким разрешением, которые обозначены как A _R , E _R , E ₀ и E _L (определено в исх.19). Мы вычислили эти координаты для членов очень большого набора данных белков известной структуры (описанного ниже). Анализ главных компонентов показывает, что в этом представлении пространство структур фактически трехмерно, а координаты структуры задаются следующим образом:

, где p ( X ) — это частичное заполнение области Х . Расстояние δ ( P , Q ) между белками P и Q в пространстве структуры снова принимается за простую декартову метрику, задаваемую следующим образом:

Это расстояние также может быть задано в форма стандартной оценки, которую для ясности мы обозначаем в данном случае как ζ ( P , Q ), определяемую следующим образом:

База данных.

Для работы, описанной здесь, мы используем набор данных по белкам, основанный на базе данных последовательностей / структур CATH. Иерархическая организация этой базы данных (в которой белки классифицируются по классам, архитектуре, топологии и гомологии) идеально подходит для настоящего исследования.