(проекции Фишера), способ изображения на плоскости пространств. структур орг. соед., имеющих один или неск. хиральных центров. При проектировании молекулы на плоскость (рис.) асимметрич. атом обычно опускают, сохраняя лишь перекрещивающиеся линии и символы заместителей; при этом заместители, находящиеся перед плоскостью, располагают справа и слева, а за плоскостью - вверху и внизу (пунктирная линия).

Ф-лы Фишера для молекулы с одним асимметрич. атомом (I), а также схема построения такой ф-лы для соединений с двумя асимметрич. атомами (П)ХОУОРСА ФОРМУЛЫ

ХОУОРСА ФОРМУЛЫ

(Хеуорса ф-лы), изображение на плоскости пространств. структур циклич. соед. При построении X. ф. цикл условно считают плоским (на самом деле молекула м. б. в конформации кресла или ванны) и проецируют на плоскость под нек-рым углом; при этом ближняя к наблюдателю часть кольца на чертеже располагается снизу и обычно выделяется более жирной линией (рис.). В моносахаридах кислородный атом цикла располагают обычно на наиб. удалении от наблюдателя (в случае пиранозного цикла - справа).

Формулы Фишера (а) и Хоуорса (б)дам моносахаридов - -D-глюкопиранозы (I) и -L-галактофуранозы (II).

Атомы или группы атомов, изображаемые в ф-лах Фишера слева и справа, в X. ф. располагаются соотв. над и под плоскостью цикла. Боковые цепи при атоме С-5 в пиранозах или при С-4 в фуранозах изображают над плоскостью цикла при D-конфигурации атома углерода и под плоскостью - при L-конфигурации (см.Номенклатура стереохимическая ).
Предложены У. Хоуорсом (Хеуорсом) в 1926.

55. Соединения с гидроксильной группой.

Гидроксильная группа (гидроксил ) - функциональная группа OH органических и неорганических соединений, в которой атомы водорода и кислорода связаны ковалентной связью. В органической химии носит также название «спиртовой группы ».

Фенолами называют производные ароматических углеводородов, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп, непосредственно соединенных с бензольным кольцом.

Названия фенолов составляют с учетом того, что для родоначальной структуры по правилам ИЮПАК сохранено тривиальное название "фенол". Нумерацию атомов углерода бензольного кольца начинают от атома, непосредственно связанного с гидроксильной группой (если она является старшей функцией), и про­должают в такой последовательности, чтобы имеющиеся замес­тители получили наименьшие номера.

Простейший представитель этого класса - собственно фенол, С 6 Н 5 ОН.

Строение фенола. Одна из двух неподеленных электронных пар атома кислорода втягивается в -электронную систему бен­зольного кольца (+M-ЭФФЕКТ группы ОН). Это приводит к двум эффектам: а) увеличивается электронная плотность в бензольном кольце, причем максимумы электронной плотности находятся в орто- и пара-положениях по отношению к группе ОН; б) элек­тронная плотность на атоме кислорода, напротив, уменьшается, что приводит к ослаблению связи О―Н. Первый эффект прояв­ляется в высокой активности фенола в реакциях электрофильного замещения, а второй - в повышенной кислотности фенола по сравнению с предельными спиртами.

Монозамещенные производные фенола, например метилфенол (крезол), могут существовать в виде трех структурных изомеров - орто-, мета- и пара-крезолов:

Физические свойства. Фенолы в большинстве своем - кри­сталлические вещества (мета-крезол - жидкость) при комнат­ной температуре. Они обладают характерным запахом, довольно плохо растворимы в холодной воде, но хорошо - в горячей и особенно в водных растворах щелочей. Фенолы образуют прочные водородные связи и имеют довольно высокие температуры кипения и плавления. Так, собственно фенол представляет собой бесцветные кристаллы с t пл = 41 °С и t кип =182 °С. С течением времени кристаллы краснеют и темнеют.

56. Пятичленные гетероциклические соединения.

Пятичленные гетероциклы - органические циклические соединения, в состав которого входит как минимум один гетероатом.

Наиболее известные представители:

57. Спиртами называют алифатические соединения, содержащие гидроксильную группу (алканолы, алкенолы, алкинолы); гидроксиарены или ароматические гидроксипроизводные называются фенолами . Название спирта образуется прибавлением суффикса -ол к названию соответствующего углеводорода или на основе углеводородного радикала. В зависимости от строения углеводородного радикала различают спирты:

первичные:

вторичные:

третичные:

Одноатомные фенолы:

Фенолы характеризуются более сильными кислотными свойствами, чем спирты, последние в водных растворах не образуют карбониевые ионы AIk – O – , что связано с меньшим поляризующим действием (электроакцепторными свойствами акильных радикалов по сравнению с ароматическими).

Спирты и фенолы тем не менее легко образуют водородные связи, поэтому все спирты и фенолы имеют более высокие температуры кипения, чем соответствующие углеводороды.

Если углеводородный радикал не обладает ярко выраженными гидрофобными свойствами, то эти спирты хорошо растворяются в воде. Водородная связь обусловливает способность спиртов переходить при отвердении в стеклообразное, а не кристаллическое состояние.

Соединения с двумя и более гидроксильными группами называются многоатомными спиртами и фенолами:

58. Кислоты и основания по Льюису.

Дж. Льюисом была предложена более общая теория кислот и оснований.

Основания Льюиса – это доноры пары электронов (спирты, алкоголят-анионы, простые эфиры, амины и т.д.)

Кислоты Льюиса – это акцепторы пары электронов, т.е. соединения, имеющие вакантную орбиталь (ион водорода и катионы металлов: H + , Ag + , Na + , Fe 2+ ; галогениды элементов второго и третьего периодов BF 3 , AlCl 3 , FeCl 3 , ZnCl 2 ; галогены; соединения олова и серы: SnCl 4 , SO 3).

Таким образом, основания Бренстеда и Льюиса – это одни и те же частицы. Однако основность по Бренстеду есть способность присоединять только протон, в то время как основность по Льюису – понятие более широкое и означает способность к взаимодействию с любой частицей, имеющей низколежащую свободную орбиталь.

Кислотно-основное взаимодействие по Льюису есть доноро-акцепторное взаимодействие и любую гетеролитическую реакцию можно представить как взаимодействие кислоты и основания Льюиса:

Единой шкалы для сравнения силы кислот и оснований Льюиса не существует, так как их относительная сила будет зависеть от того, какое вещество взято за стандарт (для кислот и оснований Бренстеда таким стандартом является вода). Для оценки легкости протекания кислотно-основного взаимодействия по Льюису Р. Пирсоном была предложена качественная теория “жестких” и “мягких” кислот и оснований.

Жесткие основания обладают высокой электроотрицательностью и низкой поляризуемостью. Они трудно окисляются. Их высшие занятые молекулярные орбитали (ВЗМО) имеют низкую энергию.

Мягкие основания имеют низкую электроотрицательность и высокую поляризуемость. Они легко окисляются. Их высшие занятые молекулярные орбитали (ВЗМО) имеют высокую энергию.

Жесткие кислоты имеют высокую электроотрицательность и низкую поляризуемость. Они трудно восстанавливаются. Их низшие свободные молекулярные орбитали (НСМО) имеют низкую энергию.

Мягкие кислоты обладают низкой электроотрицательностью и высокой поляризуемостью. Они легко восстанавливаются. Их низшие свободные молекулярные орбитали (НСМО) имеют высокую энергию.

Самая жесткая кислота - Н + , самая мягкая – СН 3 Hg + . Наиболее жесткие основания – F - и OH - , наиболее мягкие – I - и Н - .

59. .Простые эфиры.

Простые эфиры - органические вещества, имеющие формулу R-O-R 1 , где R и R 1 - углеводородные радикалы. Следует, однако, учитывать, что такая группа может входить в состав других функциональных групп соединений, не являющихся простыми эфирами Способы получения]

• По Вильямсону

В лабораторных условиях эфиры получают по Вильямсону взаимодействием галогенопроизводных, способных вступать в реакцию Sn2 и алкоксид- и феноксид-ионами. Реакция протекает гладко с галогенметаном и первичными галогеналканами. В случае вторичных галогеналканов реакция может быть осложнена побочной реакцией элиминирования.

Физические свойства

Простые эфиры - подвижные легкокипящие жидкости, малорастворимые в воде, очень легко воспламеняющиеся. Проявляют слабоосновные свойства (присоединяют протон по атому O).

Простые эфиры образуют перекисные соединения под действием света:

Вследствие этого при перегонке простых эфиров в лабораторных условиях запрещается перегонять их досуха, поскольку в этом случае произойдёт сильный взрыв в результате разложения пероксидов.

Важнейшие эфиры

Биологическое значение

Ариловые эфиры - консерванты, антиоксиданты, применяются в парфюмерной промышленности. Некоторые простые эфиры обладают инсектицидным действием.

60. Заместительная номенклатура (ИЮПАК) органических соединений.

В заместительной номенклатуре ИЮПАК наименование органического соединения определяется названиями главной цепи (корень слова), атомы углерода в которой нумеруются в определённом порядке, а также заместителей и функциональных групп (обозначаемых в виде префиксов или суффиксов). В качестве заместителя рассматривается любой атом или группа атомов, замещающих водород. Функциональной группой считается атом или группа атомов неуглеводородного характера, которые определяют принадлежность соединения к тому или иному классу. Если групп несколько, то выделяют старшую:

ИЮПАК - общепринятая номенклатура, сейчас она является стандартом в химии.

61. Окисление С-Н и С = С связей.

62. Ковалентные связи. Гибридизация.

Ковалентная связь (атомная связь, гомеополярная связь) - химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой . Ковалентная связь образуется парой электронов, поделённой между двумя атомами, причём эти электроны должны занимать две устойчивые орбитали, по одной от каждого атома.

A· + ·В → А: В

В результате обобществления электроны образуют заполненный энергетический уровень. Связь образуется, если их суммарная энергия на этом уровне будет меньше, чем в первоначальном состоянии (а разница в энергии будет ни чем иным, как энергией связи).

Согласно теории молекулярных орбиталей, перекрывание двух атомных орбиталей приводит в простейшем случае к образованию двух молекулярных орбиталей (МО): связывающей МО и антисвязывающей (разрыхляющей) МО . Обобществленные электроны располагаются на более низкой по энергии связывающей МО.Гибридизация орбиталей - гипотетический процесс смешения разных (s, p, d, f) орбиталей центрального атома многоатомной молекулы с возникновением одинаковых орбиталей, эквивалентных по своим характеристикам.

Виды гибридизации

Вещества, способные поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света, называют оптически активными . Само это явление называется оптической активностью . Оптичеcки активные вещества существуют в виде пар оптических антиподов или энантиомеров , которые отличаются (при прочих равных условиях - одинаковой концентрации, одинаковой длиной пробега светового луча в веществе) знаком поворота плоскости поляризации света.

Молекулы оптически активных веществ обладают свойством хиральности - энантиомеры относятся друг к другу как оригинал и его зеркальное отражение (несовместимы ни при каком повороте). Чаще всего для возникновения хиральности необходимо присутствие в молекуле хирального атома углерода (хирального или асимметрического центра) - находящегося в состоянии sp 3 -гибридизации и имеющего четыре разных заместителя:

Эквимолярная смесь энантиомеров не обладает оптической активностью. Такая смесь называется рацемической смесью или рацематом .

Если молекула содержит несколько хиральных центров, изобразить ее в проекции,аналогичной предыдущему рисунку, очень трудно. В этом случае пользуются проекционными формулами Э. Фишера .

Число стереоизомеров в случае нескольких хиральных центров можно определить по формуле 2 n , где n - число хиральных атомов углерода. В случае альдотетроз, в которых два хиральных, центра существует 4 стереоизомера:

Молекулы 1 и 2, 3 и 4 представляют собой энантиомеры. Молекулы 2 и 4, 1 и 3, 2 и 3энантиомерами не являются, тем не менее это - стереоизомеры.

Стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами .

Диастереомеры отличаются по химическим и физическим свойствам, их можно разделить обычными химическими методами.

Число стереоизомеров может быть меньше, чем 2 n в случае существования мезоформы . Мезоформа возникает, если в молекуле имеются внутренние плоскости симметрии. Например у винной кислоты существует три стереоизомера:

Если изомеры 1 и 2 представляют собой пару энантиомеров, то 3 и 4 - это одно и то же - в молекуле есть внутренняя плоскость симметрии, показанная пунктиром. Мезоформа - это, по существу, внутримолекулярный рацемат. Действительно, верхняя часть 3 (выше пунктира) является зеркальным отражением нижней части. Оптической активностью мезоформа не обладает .

Номенклатура оптических изомеров

Первыми веществами, для которых было открыто и изучено явление оптической изомерии, были углеводы и аминокислоты. Поэтому исторически сложилось так, что стереоизомеры этих соединений определяют принадлежностью к тому или иному стерическому ряду и к эритро-трео -изомерам. Для соединений других классов используют понятие абсолютной конфигурации хирального центра.

Проекционные формулы Фишера

Формулы Фишера - это один из способов изображения на плоскости трехмерной структуры хирального центра. Возьмем пару энантиомеров и построим проекцию Фишера для правой молекулы:

Выберем направление, с которого будем рассматривать молекулу - оно показано стрелкой:

В этом случае связи С-А и С-Е направлены к нам, они, в соответствии с правилами записи формулы Фишера, изображаются горизонтальной линией. Связи C-B и C-D направлены от нас, они изображаются вертикальной линией. В результате проекция Фишера будет выглядеть как (1):

В настоящее время и вертикальная и горизонтальная линии изображаются как сплошные, атом углерода не рисуется - пересечение линий и подразумевает хиральный центр, в результате общепринятой является проекция (2).

Если рассматривать эту же молекулу с другой стороны, то можно получить еще одну проекцию Фишера:

Вообще можно нарисовать двенадцать проекций Фишера для данной молекулы. Для того, чтобы сравнить между собой полученные проекции, необходимо учесть, что проекции Фишера допускают над собой ряд преобразований.

1. Четное число перестановок. Под перестановкой подразумевается обмен местами двух любых заместителей. Например, в формуле 2b можно поменять сначала D и A (первая перестановка), апотом E и D (который теперь стоит на месте А) - это будет вторая перестановка, в результате2b преобразовалось в 2. Заметно, что это - одно и то же.

2. Поворот проекции в плоскости чертежа на 180, 360, 540 и т.д. градусов:

3. Циклическая перестановка: один заместитель (любой) оставляем на месте,три оставшихся переставляем по кругу - по или против часовой стрелке. Эта операция эквивалентна двум перестановка, но иногда оказывается удобнее.

1. Нечетное число перестановок - меняем местами D и E - одна перестановка, с помощью зеркала, изображенного вертикальным пунктиром легко убедиться, что это - энантиомеры.

2. Поворот в плоскости чертежа на 90, 270, 450 и т.д. градусов. Повернем 2b на 90 o против часовой стрелки:

В полученной формуле сделаем четное число перестановок - поменяем местами В и Е, А и D. Сравнив2b и то, что получилось, наблюдаем, что это - энантиомер.

3. Отражение в зеркале или рассматривание "на просвет".

В стандартной записи проекции Фишера главная цепь или цикл изображаются вертикальной линией, нумерация атомов углерода (по ИЮПАК) в цепи идет сверху вниз.

Тетраэдрическую модель одного из энантиомеров (рис. 10) располагают в пространстве так, чтобы цепь атомов углерода оказалась в вертикальном положении, а карбоксильная группа - сверху. Связи с неуглеродными заместителями (Н и ОН) у хирального центра должны быть направлены к наблюдателю.

Рис. 10. Построение проекционной формулы Фишера (+)-молочной кислоты

После этого модель проецируют на плоскость. Символ асимметрического атома при этом опускается, под ним понимают точку пересечения вертикальной и горизонтальной линий.

Тетраэдрическую модель хиральной молекулы перед проецированием можно располагать в пространстве по-разному, не только так, как показано на рис. 7. Необходимо только, чтобы связи, образующие на проекции горизонтальную линию, были направлены к наблюдателю, а вертикальные связи - за плоскость рисунка.

Полученные таким образом проекции можно с помощью несложных преобразований привести к стандартному виду, в котором углеродная цепь расположена вертикально, а старшая группа (в молочной кислоте это СООН) - сверху. Преобразования разрешают две операции:

В проекционной формуле разрешается менять местами два любых заместителя у одного и того же хирального центра четное число раз (двух перестановок бывает достаточно);

Проекционную формулу разрешается поворачивать в плоскости рисунка на 180° (что эквивалентно двум перестановкам), но не на 90°.

Тетраэдрическую модель строения органических соединений предложили Я.Г.Вант-Гофф и Ж.А.Ле-Бель в 1874 г. Они пришли к выводу, что если две молекулы являются стереоизомерами, то их можно описать зеркальными формулами, и если один изомер вращает плоскость поляризации влево, то второй должен вращать вправо. По знаку вращения можно определить относительную конфигурацию стереоизомеров. Однако между абсолютной конфигурацией , т.е. истинным расположением групп вокруг данного хирального центра, и знаком вращения прямого соответствия нет. Определить абсолютную конфигурацию химическими методами, если не известна абсолютная конфигурация хотя бы одного хирального реагента (а так и было вначале), невозможно. Спектральные методы могут дать информацию только об относительной конфигурации. В настоящее время существуют лишь два метода независимого определения абсолютной конфигурации: теоретический расчет и исследование аномальной дифракции рентгеновских лучей на ядрах тяжелых элементов.

Но в конце XIX - начале XX века этих методов не существовало и поэтому химики придумали следующий выход. Решили взять в качестве стандарта какое-нибудь одно соединение и произвольно приписать ему одну из возможных абсолютных конфигураций. Выбор пал на глицериновый альдегид по той причине, что он структурно связан с сахарами, которые в то время изучал Эмиль Фишер. (+) - Изомеру была приписана абсолютная конфигурация и он был обозначен буквой D (dextriogyrus - правый), а соответствующий (-) - изомер - буквой L (laevogyrus - левый). Как только был выбран стандарт, стало возможным соотносить с ним конфигурацию других соединений. Например, при окислении с помощью HgO (+)-глицериновый альдегид дает (-)-глицериновую кислоту. Данная реакция не затрагивает асимметричский атом, поэтому очень мало вероятно, чтобы его конфигурация изменилась, и следовательно (-)-глицериновая кислота относится к D - ряду.

Отнесение к D- или L-ряду других родственных по структуре оптически активных соединений производится путем сравнения конфигурации их асимметрического атома с конфигурацией D- или L-глицеринового альдегида. Например, у одного из энантиомеров молочной кислоты (I) в проекционной формуле группа ОН находится слева, как у L-глицеринового альдегида, поэтому энантиомер (I) относят к L-ряду. Из тех же соображений энантиомер (II) относят к D-ряду. Так из сравнения проекций Фишера определяют относительнуюконфигурацию.

DL-номенклатура

Глицериновый альдегид имеет один центр оптической изомерии, так как у него один асимметричный атом углерода. Следовательно, альдегид может существовать в виде двух оптических изомеров.

Изомер, вращающийся вправо Фишер обозначил буквой $D$, вращающийся влево – $L$. Полученные из $D$-изомера глицеринового альдегида углеводы были отнесены к $D$-ряду , а углеводы, полученные из $L$-изомера отнесены к $L$-ряду.

$DL$-номенклатура широко применяется в наши дни при обозначении энантиомеров углеводов и аминокислот. К $D$-ряду принадлежат все природные углеводы, к $L$-ряду – все природные аминокислоты.

Проекционные формулы Фишера

В 1891 году Э. Фишером было предложено пространственное строение соединений представлять в виде проекций.

Для создания проекционных формул Фишера тетраэдр разворачивают таким образом, чтобы две связи, находящиеся в горизонтальной плоскости, были направлены к наблюдателю, а две связи, лежащие в вертикальной плоскости, располагались от наблюдателя.

Например, для $L$-глицеринового альдегида проекционная формула Фишера имеет вид

Так как тетраэдр можно рассматривать с разных сторон, одна модель может представить 12 внешне разных формул Фишера.

Формулы Фишера являются проекциями на плоскость, поэтому при их построении вводятся правила:

Во время взаимных перестановок двух групп в формулах Фишера возможно превращение энантиомера в его зеркальное отражение:

Если хиральность молекулы связана с плоскостью или осью, то проекции Фишера применять нельзя. В таких случаях пользуются трехмерными моделями.

Проекции Фишера для молекул с несколькими центрами оптической изомерии

Центры оптической изомерии могут иметь разное геометрическое строение, которое можно изобразить при помощи проекционных формул Фишера:

В молекуле винной кислоты есть два потенциальных центра оптической изомерии – два атома углерода, к которым присоединены четыре разные группы.

При построении проекционной формулы молекула винной кислоты вытягивается в вертикальную цепочку. Связи ориентированные вертикально уходят за плоскость рисунка, а расположенные горизонтально направлены к наблюдателю.

Для винной кислоты возможно существование трех изомеров (зеркальное отражение четвертого изомера совмещается с третьим). (+)- и (-)-Винные кислоты (А и Б соответственно) являются энантиомерами, то есть оптическими изомерами. У них одинаковы температуры плавления, растворимость в воде.

Третий изомер можно получить из (+)- или (-)-винной кислоты в результате обращения одного асимметричного центра. В результате получается мезо-форма (В), физические свойства которой будут отличаться от свойств энантиомеров винной кислоты.

По отношению к (+)- и (-)-винной кислоте мезо-форма является диастереомером.

При сокристаллизации (+)- и (-)-изомеров винной кислоты в равных количествах образуется рацемат, отличающийся от чистых изомеров физико – химическими свойствами.

ГЛАВА 7. СТЕРЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Стереохимия (от греч. stereos - пространственный) - это «химия в трех измерениях». Большинство молекул трехмерны (threedimentional, сокращенно 3D). Структурные формулы отражают двумерное (2D) строение молекулы, включающее в себя число, тип и последовательность связывания атомов. Напомним, что соединения, имеющие одинаковый состав, но различное химическое строение, называются структурными изомерами (см. 1.1). Более широкое понятие структуры молекулы (иногда образно называемой молекулярной архитектурой) наряду с понятием химического строения включает стереохимические компоненты - конфигурацию и конформацию, отражающие пространственное строение, т. е. трехмерность молекулы. Молекулы, обладающие одинаковым химическим строением, могут различаться пространственным строением, т. е. существовать в виде пространственных изомеров - стереоизо- меров.

Пространственное строение молекул - это взаимное расположение атомов и атомных групп в трехмерном пространстве.

Стереоизомеры - соединения, в молекулах которых имеется одинаковая последовательность химических связей атомов, но раз- личное расположение этих атомов относительно друг друга в пространстве.

В свою очередь стереоизомеры могут быть конфигурационными и конформационными изомерами, т. е. различаться соответственно конфи- гурацией и конформацией.

7.1. Конфигурация

Конфигурация - это порядок расположения атомов в пространстве без учета различий, возникающих вследствие вращения вокруг одинарных связей.

Конфигурационные изомеры могут переходить друг в друга путем разрыва одних и образования других химических связей и могут существовать раздельно в виде индивидуальных соединений. Они подразделяются на два основных типа - энантиомеры и диастереомеры.

7.1.1. Энантиомерия

Энантиомеры - стереоизомеры, относящиеся друг к другу, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение.

В виде энантиомеров могут существовать только хиральные молекулы.

Хиральность - это свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отражением. Хиральными (от греч. cheir - рука), или асимметричными, объектами являются левая и правая рука, а также перчатки, ботинки и др. Эти парные предметы представляют собой объект и его зеркальное отражение (рис. 7.1, а). Такие предметы не могут быть полностью совмещены друг с другом.

В то же время существует множество окружающих нас предметов, которые совместимы со своим зеркальным отражением, т. е. они являются ахиральными (симметричными), например тарелки, ложки, стаканы и т. д. Ахиральные предметы обладают по крайней мере одной плоскостью симметрии, которая делит объект на две зеркальноидентичные части (см. рис. 7.1, б ).

Подобные взаимоотношения наблюдаются также в мире молекул, т. е. молекулы делятся на хиральные и ахиральные. У ахиральных молекул есть плоскости симметрии, у хиральных их нет.

В хиральных молекулах имеется один или несколько центров хиральности. В органических соединениях в качестве центра хиральности чаще всего выступает асимметрический атом углерода.

Рис. 7.1. Отражение в зеркале хирального объекта (а) и плоскость симметрии, разрезающая ахиральный объект (б)

Асимметрическим является атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами.

При изображении стереохимической формулы молекулы символ «С» асимметрического атома углерода обычно опускается.

Чтобы определить, является молекула хиральной или ахиральной, нет необходимости изображать ее стереохимической формулой, достаточно внимательно рассмотреть все атомы углерода в ней. Если находится хотя бы один атом углерода с четырьмя разными заместителями, то этот атом углерода асимметричен и молекула за редкими исключениями (см. 7.1.3) хиральна. Так, из двух спиртов - пропано- ла-2 и бутанола-2 - первый ахирален (две группы СН 3 у атома С-2), а второй - хирален, так как в его молекуле у атома С-2 все четыре заместителя разные (Н, ОН, СН 3 и С 2 Н 5). Асимметрический атом углерода иногда помечают звездочкой (С*).

Следовательно, молекула бутанола-2 способна существовать в виде пары энантиомеров, которые не совмещаются в пространстве (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Энантиомеры хиральных молекул бутанола-2 не совмещаются

Свойства энантиомеров. Энантиомеры обладают одинаковыми химическими и физическими свойствами (температуры плавления и кипения, плотность, растворимость и т. д.), но проявляют различную оптическую активность, т. е. способность отклонять плоскость поляризованного света*.

При прохождении такого света через раствор одного из энантиомеров происходит отклонение плоскости поляризации влево, другого - вправо на один тот же по величине угол α. Значение угла α, приведенное к стандартным условиям, является константой оптически активного вещества и называется удельным вращением [α]. Левое вращение обозначается знаком «минус» (-), правое - знаком «плюс» (+), а энантиомеры называют соответственно лево- и правовращающими.

С проявлением оптической активности связаны другие названия энантиомеров - оптические изомеры или оптические антиподы.

Каждое хиральное соединение может иметь и третью, оптически неактивную форму - рацемат. Для кристаллических веществ это обычно не просто механическая смесь кристаллов двух энантиомеров, а новая молекулярная структура, образованная энантиомерами. Рацематы оптически неактивны, так как левое вращение одного энантиомера компенсируется правым вращением равного количества другого. В этом случае перед названием соединения иногда ставят знак «плюс-минус» (?).

7.1.2. Относительная и абсолютная конфигурации

Проекционные формулы Фишера. Для изображения конфигурационных изомеров на плоскости можно пользоваться стереохимическими формулами. Однако удобнее применять более простые в написании проекционные формулы Фишера (проще - проекции Фишера). Рассмотрим их построение на примере молочной (2-гидроксипропа- новой) кислоты.

Тетраэдрическую модель одного из энантиомеров (рис. 7.3) располагают в пространстве так, чтобы цепь атомов углерода оказалась в вертикальном положении, а карбоксильная группа - сверху. Связи с неуглеродными заместителями (Н и ОН) у хирального центра долж-

* Подробнее см. учебник Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. 4-е изд., перераб. и дополн. - М.: Дрофа, 2003.- С. 365-375.

Рис. 7.3. Построение проекционной формулы Фишера (+)-молочной кислоты

ны быть направлены к наблюдателю. После этого модель проецируют на плоскость. Символ асимметрического атома при этом опускается, под ним понимают точку пересечения вертикальной и горизонтальной линий.

Тетраэдрическую модель хиральной молекулы перед проецированием можно располагать в пространстве по-разному, не только так, как показано на рис. 7.3. Необходимо только, чтобы связи, образующие на проекции горизонтальную линию, были направлены к наблюдателю, а вертикальные связи - за плоскость рисунка.

Полученные таким образом проекции можно с помощью несложных преобразований привести к стандартному виду, в котором углеродная цепь расположена вертикально, а старшая группа (в молочной кислоте это СООН) - сверху. Преобразования разрешают две операции:

В проекционной формуле разрешается менять местами два любых заместителя у одного и того же хирального центра четное число раз (двух перестановок бывает достаточно);

Проекционную формулу разрешается поворачивать в плоскости рисунка на 180? (что эквивалентно двум перестановкам), но не на 90?.

D.L-Система обозначения конфигурации. В начале ХХ в. была предложена система классификации энантиомеров для относительно простых (с позиций стереоизомерии) молекул, таких, как α-аминокислоты, α-гидроксикислоты и им подобные. За конфигурационный стандарт был принят глицериновый альдегид. Его левовращающему энантиомеру была произвольно приписана формула (I). Такая конфигурация атома углерода была обозначена буквой l (от лат. laevus - левый). Правовращающему энантиомеру соответственно была приписана формула (II), а конфигурация обозначена буквой d (от лат. dexter - правый).

Заметим, что в стандартной проекционной формуле l -глицеринового альдегида группа ОН находится слева, а у d -глицеринового альдегида - справа.

Отнесение к d- или l -ряду других родственных по структуре оптически активных соединений производится путем сравнения конфигурации их асимметрического атома с конфигурацией d- или l -глицеринового альдегида. Например, у одного из энантиомеров молочной кислоты (I) в проекционной формуле группа ОН находится слева, как у l -глицеринового альдегида, поэтому энантиомер (I) относят к l -ряду. Из тех же соображений энантиомер (II) относят к d -ряду. Так из срав- нения проекций Фишера определяют относительную конфигурацию.

Следует отметить, что l -глицериновый альдегид имеет левое вращение, а l -молочная кислота - правое (и это не единичный случай). Более того, одно и то же вещество может быть как лево-, так и правовращающим в зависимости от условий определения (разные растворители, температура).

Знак вращения плоскости поляризованного света не связан с принадлежностью к d- или l -стереохимическому ряду.

Практическое определение относительной конфигурации оптически активных соединений проводят с помощью химических реакций: либо исследуемое вещество превращают в глицериновый альдегид (или другое вещество с известной относительной конфигурацией), либо, наоборот, из d- или l -глицеринового альдегида получают исследуемое вещество. Разумеется, что в ходе всех этих реакций не должна изменяться конфигурация асимметрического атома углерода.

Произвольное приписание лево- и правовращающему глицериновому альдегиду условных конфигураций было вынужденным шагом. В то время абсолютная конфигурация не была известна ни для одного хирального соединения. Установление абсолютной конфигурации стало возможным только благодаря развитию физико-химических методов, особенно рентгеноструктурного анализа, с помощью которого в 1951 г. впервые была определена абсолютная конфигура,ция хиральной молекулы - это была соль (+)-винной кислоты. После этого стало ясно, что абсолютная конфигурация d- и l-глицериновых альдегидов действительно такая, какая им была первоначально приписана.

d,l-Система в настоящее время применяется для α-аминокислот, гидроксикислот и (с некоторыми дополнениями) для углеводов

(см. 11.1.1).

R,S-Система обозначения конфигурации. d,L-Система имеет весьма ограниченное применение, так как часто невозможно соотнести конфигурацию какого-либо соединения с глицериновым альдегидом. Универсальной системой обозначения конфигурации центров хиральности является R,S-система (от лат. rectus - прямой, sinister - левый). В ее основе лежит правило последовательности, основанное на старшинстве заместителей, связанных с центром хиральности.

Старшинство заместителей определяется атомным номером элемента, непосредственно связанного с центром хиральности, - чем он больше, тем старше заместитель.

Так, группа ОН старше NH 2 , которая, в свою очередь, старше любой алкильной группы и даже СООН, поскольку в последней с асимметрическим центром связан атом углерода. Если атомные номера оказываются одинаковыми, старшей считается группа, у которой следующий за углеродом атом имеет больший порядковый номер, причем, если этот атом (обычно кислород) связан двойной связью, он учитывается дважды. В результате следующие группы так располагаются в порядке падения старшинства: -СООН > -СН=О > -СН 2 ОН.

Для определения конфигурации тетраэдрическую модель соединения располагают в пространстве так, чтобы самый младший замес- титель (в большинстве случаев это атом водорода) был наиболее удален от наблюдателя. Если старшинство трех остальных заместителей убывает по часовой стрелке, то центру хиральности приписывают R-конфигурацию (рис. 7.4, а), если против часовой стрелки - S -конфигурацию (см. рис. 7.4, б), как это видно водителю, находящемуся за рулем (см. рис. 7.4, в).

Рис. 7.4. Определение конфигурации энантиомеров молочной кислоты по R,S- системе (объяснение в тексте)

Для обозначения конфигурации по RS-системе можно применить проекции Фишера. Для этого проекцию преобразуют так, чтобы младший заместитель разместился на одной из вертикальных связей, что соответствует его положению за плоскостью чертежа. Если после преобразования проекции старшинство остальных трех заместителей убывает по часовой стрелке, то асимметрический атом имеет R-конфигурацию, и наоборот. Применение такого способа показано на примере l-молочной кислоты (цифрами обозначено старшинство групп).

Существует более простой способ определения R- или S-конфигу- рации по проекции Фишера, в которой младший заместитель (обычно атом Н) расположен на одной из горизонтальных связей. В этом случае не проводят указанных выше перестановок, а сразу определяют старшинство заместителей. Однако, поскольку атом Н находится «не на месте» (что равносильно противоположной конфигурации), падение старшинства будет означать теперь не R-, а S-конфигурацию. Этот способ показан на примере l-яблочной кислоты.

Указанный способ особенно удобен для молекул, содержащих несколько хиральных центров, когда для определения конфигурации каждого из них потребовались бы перестановки.

Между d,l- и RS-системами отсутствует корреляция: это два разных подхода к обозначению конфигурации хиральных центров. Если в d,L-системе сходные по конфигурации соединения образуют стерео- химические ряды, то в RS-системе хиральные центры в соединениях, например, l-ряда, могут иметь как R-, так и S-конфигурацию.

7.1.3. Диастереомерия

Диастереомерами называют стереоизомеры, не относящиеся друг к другу, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение, т. е. не являющиеся энантиомерами.

Наиболее важными группами диастереомеров являются σ-диастереомеры и π-диастереомеры.

σ-Диастереомеры. Многие биологически важные вещества содержат в молекуле более одного центра хиральности. При этом возрастает число конфигурационных изомеров, которое определяется как 2 n , где n - число центров хиральности. Например, при наличии двух асимметрических атомов соединение может существовать в виде четырех стереоизомеров (2 2 = 4), составляющих две пары энантиомеров.

2-Амино-3-гидроксибутановая кислота имеет два центра хиральности (атомы С-2 и С-3) и, следовательно, должна существовать в виде четырех конфигурационных изомеров, один из которых является природной аминокислотой.

Структуры (I) и (II), соответствующие l- и d-треонину, а также (III) и (IV), соответствующие l- и d-аллотреонину (от греч. alios - другой), относятся друг к другу, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение, т. е. они представляют собой пары энантиомеров. При сопоставлении структур (I) и (III), (I) и (IV), (II) и (III), (II) и (IV) видно, что в этих парах соединений у одного асимметрического центра конфигурация одинаковая, а у другого - противоположная. Такие пары стереоизомеров представляют собой диастереомеры. Подобные изомеры называют σ-диастереомерами, так как заместители в них связаны с центром хиральности σ-связями.

Аминокислоты и гидроксикислоты с двумя центрами хиральности относят к d- или l -ряду по конфигурации асимметрического атома с наименьшим номером.

Диастереомеры, в отличие от энантиомеров, различаются физическими и химическими свойствами. Например l-треонин, входящий в состав белков, и l-аллотреонин имеют разные значения удельного вращения (как показано выше).

Мезосоединения. Иногда в молекуле содержатся два асимметрических центра и более, но молекула в целом остается симметричной. Примером таких соединений может служить один из стереоизомеров винной (2,3-дигидроксибутандиовой) кислоты.

Теоретически эта кислота, в которой имеется два центра хиральности, могла бы существовать в виде четырех стереоизомеров (I)-(IV).

Структуры (I) и (II) соответствуют энантиомерам d- и l-ряда (отнесение проведено по «верхнему» центру хиральности). Может показаться, что структуры (III) и (IV) также соответствуют паре энантиомеров. В действительности это формулы одного и того же соединения - оптически неактивной мезовинной кислоты. В идентичности формул (III) и (IV) легко убедиться, повернув формулу (IV) на 180?, не выводя ее из плоскости. Несмотря на два центра хиральности, молекула мезовинной кислоты в целом является ахиральной, так как имеет плоскость симметрии, проходящую по середине связи С-2-С-3. По отношению к d- и l-винным кислотам мезовинная кислота является диастереомером.

Таким образом, существует три (а не четыре) стереоизомера винных кислот, не считая рацемической формы.

При использовании R,S-системы не возникает трудностей с описанием стереохимии соединений с несколькими хиральными центрами. Для этого определяют конфигурацию каждого центра по R,S-системе и указывают ее (в скобках с соответствующими локантами) перед полным названием. Так, d-винная кислота получит систематическое название (2R,3R)-2,3-дигидроксибутандиовая кислота, а мезовинная кислота будет иметь стереохимические символы (2R,3S)-.

Подобно мезовинной кислоте существует мезоформа α-аминокислоты цистин. При двух центрах хиральности число стереоизомеров цистина равно трем вследствие того, что молекула внутренне сим- метрична.

π-Диастереомеры. К ним относятся конфигурационные изомеры, содержащие π-связь. Этот вид изомерии характерен, в частности, для алкенов. Относительно плоскости π-связи одинаковые заместители у двух атомов углерода могут располагаться по одну (цис) или по разные (транс) стороны. В связи с этим существуют стереоизомеры, известные под названием цис- и транс -изомеров, как показано на примере цис- и транс-бутенов (см. 3.2.2). π-Диастереомерами являются простейшие ненасыщенные дикарбоновые кислоты - малеиновая и фумаровая.

Малеиновая кислота является термодинамически менее стабильным цис -изомером по сравнению с транс -изомером - фумаровой кислотой. Под действием некоторых веществ или ультрафиолетовых лучей между обеими кислотами устанавливается равновесие; при нагревании (~150 ?C) оно смещено в сторону более стабильного транс -изомера.

7.2. Конформации

Вокруг простой связи С-С возможно свободное вращение, в результате которого молекула может принимать различные формы в пространстве. Это видно на стереохимических формулах этана (I) и (II), где отмеченные цветом группы СН 3 расположены по-разному относительно другой группы СН 3.

Поворот одной группы СН 3 относительно другой происходит без нарушения конфигурации - изменяется лишь взаимное расположение в пространстве атомов водорода.

Геометрические формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг σ-связей, называют конформациями.

В соответствии с этим конформационными изомерами являются стереоизомеры, различие между которыми вызвано поворотом отдельных участков молекулы вокруг σ-связей.

Конформационные изомеры обычно нельзя выделить в индивидуальном состоянии. Переход различных конформаций молекулы друг в друга происходит без разрыва связей.

7.2.1. Конформации ациклических соединений

Простейшим соединением со связью С-С является этан; рассмотрим две из множества его конформаций. В одной из них (рис. 7.5, а) расстояние между атомами водорода двух групп СН 3 наименьшее, поэтому находящиеся друг против друга связи С-Н отталкиваются. Это приводит к увеличению энергии молекулы, а следовательно, к меньшей устойчивости этой конформации. При взгляде вдоль связи С-С видно, что три связи С-Н у каждого атома углерода попарно «заслоняют» друг друга. Такую конформацию называют заслоненной.

Рис. 7.5. Заслоненная (а, б) и заторможенная (в, г) конформации этана

В другой конформации этана, возникающей при повороте одной из групп СН 3 на 60? (см. рис. 7.5, в), атомы водорода двух метильных групп максимально удалены друг от друга. При этом отталкивание электронов связей С-Н будет минимальным, энергия такой конформации также будет минимальной. Эту более устойчивую конформацию называют заторможенной. Разница в энергии обеих конформаций невелика и составляет ~12 кДж/моль; она определяет так называемый энергетический барьер вращения.

Проекционные формулы Ньюмена. Эти формулы (проще - проекции Ньюмена) используют для изображения конформаций на плоскости. Для построения проекции молекулу рассматривают со стороны одного из атомов углерода вдоль его связи с соседним атомом углерода, вокруг которой происходит вращение. При проецировании три связи от ближнего к наблюдателю атома углерода к атомам водорода (или в общем случае - к другим заместителям) располагают в виде трехлучевой звезды с углами 120?. Удаленный от наблюдателя (невидимый) атом углерода изображают в виде круга, от которого также под углом 120? отходят три связи. Проекции Ньюмена также дают наглядное представление о заслоненной (см. рис. 7.5, б) и заторможенной (см. рис. 7.5, г) конформациях.

При обычных условиях конформации этана легко переходят друг в друга, и можно говорить о статистическом наборе различных конформаций, незначительно различающихся по энергии. Выделить в инди- видуальном виде даже более устойчивую конформацию невозможно.

В более сложных молекулах замена атомов водорода при соседних атомах углерода на иные атомы или группы приводит к их взаимному отталкиванию, что сказывается на увеличении потенциальной энергии. Так, в молекуле бутана наименее выгодной будет заслоненная конформация, а самой выгодной - заторможенная конформация с максимально удаленными группами СН 3 . Разница между энергиями этих конформаций составляет ~25 кДж/моль.

По мере удлинения углеродной цепи в алканах быстро возрастает число конформаций в результате расширения возможностей враще- ния вокруг каждой связи С-С, поэтому длинные углеродные цепи алканов могут принимать множество разнообразных форм, например зигзагообразную (I), нерегулярную (II) и клешневидную (III).

Предпочтительна зигзагообразная конформация, в которой все связи С-С в проекции Ньюмена образуют угол 180?, как в затормо- женной конформации бутана. Например, фрагменты длинноцепочечных пальмитиновой C 15 H 31 COOH и стеариновой C 17 H 35 COOH кислот в зигзагообразной конформации (рис. 7.6) входят в состав липидов клеточных мембран.

Рис. 7.6. Скелетная формула (а) и молекулярная модель (б) стеариновой кислоты

В клешневидной конформации (III) сближаются атомы углерода, удаленные друг от друга в иных конформациях. Если на достаточно близком расстоянии оказываются функциональные группы, например Х и Y, способные реагировать друг с другом, то в результате внутримолекулярной реакции это приведет к образованию циклического продукта. Такие реакции распространены довольно широко, что связано с выгодностью образования термодинамически устойчивых пяти- и шестичленных циклов.

7.2.2. Конформации шестичленных циклов

Молекула циклогексана не является плоским шестиугольником, так как при плоском строении валентные углы между атомами углерода составляли бы 120?, т. е. существенно отклонялись от величины нормального валентного угла 109,5?, и все атомы водорода находились в невыгодном заслоненном положении. Это привело бы к неустойчивости цикла. В действительности шестичленный цикл наиболее устойчив из всех циклов.

Различные конформации циклогексана возникают в результате частичного вращения вокруг σ-связей между атомами углерода. Из нескольких неплоских конформаций наиболее энергетически выгодна конформация кресла (рис. 7.7), так как в ней все валентные углы между связями С-С равны ~110?, а атомы водорода при соседних атомах углерода не заслоняют друг друга.

В неплоской молекуле можно только условно говорить о расположении атомов водорода «над и под плоскостью». Вместо этого используют другие термины: связи, направленные вдоль вертикальной оси симметрии цикла (на рис. 7.7, а показаны цветом), называют аксиаль- ными (а), а связи, ориентированные от цикла (как бы по экватору, по аналогии с земным шаром), называют экваториальными (е).

При наличии в кольце заместителя более выгодна конформация с экваториальным положением заместителя, как, например, конформация (I) метилциклогексана (рис. 7.8).

Причина меньшей устойчивости конформации (II) с аксиальным расположением метильной группы заключается в 1,3-диаксиальном отталкивании группы СН 3 и атомов Н в положениях 3 и 5. В таком

Рис. 7.7. Циклогексан в конформации кресла:

а - скелетная формула; б - шаростержневая модель

Рис. 7.8. Инверсия цикла молекулы метилциклогексана (показаны не все атомы водорода)

случае цикл подвергается так называемой инверсии, принимая более устойчивую конформацию. Особенно велико отталкивание в про- изводных циклогексана, имеющих положениях 1 и 3 объемные группы.

В природе встречается множество производных циклогексанового ряда, среди которых важную роль играют шестиатомные спирты - инозиты. В связи с наличием в их молекулах асимметрических центров инозиты существуют в виде нескольких стереоизомеров, из которых наиболее распространен миоинозит. Молекула миоинозита имеет стабильную конформацию кресла, в которой пять из шести групп ОН находятся в экваториальных положениях.