Стереохимия органических молекул

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТЕРЕОХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ

ЧЕРЕВАТОВА Н.К., профессор ЗКГУ

Одним из положений классической теории структурного строения органических молекул А.М.Бутлерова является вопрос о изомерии.

Изомерия бывает структурная, которая выражается изомерией углеродного скелета, а также положением функциональных групп в этом углеродном, и пространственная изомерия или стереоизомерия.

Стереоизомеры - это соединения с одинаковым строением, то есть с одним и тем же порядком соединения атомов, но отличающиеся расположением тех же атомов в пространстве.

Стереоизомерия бывает конфигурационная, конформационная и оптическая.

Конфигурационная изомерия характеризуется тем, что вещества могут существовать в виде индивидуальных форм, то есть они устойчивы и обладают своими физико-химическими свойствами. Конфигурационная изомерия связана, например, с цис-, транс-конфигурацией молекул у этиленовых углеводородов.

Конформационная стереоизомерия связана с конформациями молекул, возникающими при вращении отдельных фрагментов молекул вокруг простых связей. Конформации существуют только все вместе в виде единого множества форм молекул с различным взаимным расположением в пространстве отдельных атомов и групп атомов. Например, син- и анти-конформации н-бутана:

Барьер вращения этильных групп относительно С - С-связи в н-бутане столь мал, что невозможно в обычных условиях выделить указанные конформационные изомеры в качестве индивидуальных соединений.

Оптическая изомерия связана с наличием в молекуле асимметричного атома.

Асимметрический атом находится в sp³- гибридизации и связан с четырьмя различными заместителями. Такой атом называют хиральным атомом или хиральным центром (от латинского слова «хир»-рука). Молекулу, содержащую хиральный атом, называют хиральной. Молекулу, не имеющую хирального атома, называют ахиральной.

Ниже показаны примеры хиральных молекул, асимметричные атомы углерода в них показаны звездочкой:

С позиции представлений симметрии все стереоизомеры разделяют на энантиомеры и диастереомеры.

Энантиомеры - это стереоизомеры, молекулы которых относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение. Например, бромхлорфторметан:

Превращение одного изомера в другой возможно лишь при разрыве соответствующих ковалентных связей.

Диастереомеры - это стереоизомеры, молекулы которых не относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

В виде диастереомеров могут существовать соединения, молекулы которых имеют два и более центра хиральности (см. ниже).

Хиральными могут быть не только органические молекулы. Категория хиральности является универсальной для окружающего нас мира. В частности, правая и левая руки человека, относящиеся между собой как зеркальные изображения, несовместимы и являются поэтому хиральными объектами.

Универсальным признаком хиральности является отсутствие у данного объекта (предмета или молекул) элементов симметрии.

Центом симметрии считается точка внутри молекулы, характеризующаяся тем, что проведенная через нее прямая от любого элемента при продолжении на равное расстояние от этой точки встречает идентичный элемент.

Определение центра симметрии показано на примере одного из конформеров 1,2-дихлорэтана:

Плоскостью симметрии называют плоскость, проходящую через молекулу таким образом, что половина молекулы по одну сторону плоскости оказывается зеркальным изображением другой половины:

Многие органические молекулы ахиральны. Такие молекулы - симметричны; они имеют или центр, или плоскость симметрии. Например, 1,2-дихлорэтан, транс-1,3-циклобутандикарбоновая кислота и 2-хлорпропан - ахиральные молекулы и не могут существовать в виде пары энантиомеров.

Напротив, показанные ниже два изомера пентадиена-2,3 представляют собой индивидуальные соединения, которые относятся между собой как энантиомеры. Они являются зеркальными изображениями и несовместимы, то есть не могут быть превращены друг в друга без разрыва связей:

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

Уникальным свойством хиральных молекул является то, что они обладают оптической активностью, то есть способностью вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света (оптическое вращение).

Плоскополяризованным светом называют монохроматический свет, колебания волн которого совершаются только в одной из возможных плоскостей. Такой свет получают, пропуская луч света через призму Николя. При этом призма Николя играет роль поляризатора света.

Оптическое вращение измеряют с помощью поляриметра, принципиальная схема которого показана ниже:

Величину оптического вращения, измеряемую поляпиметром и выражаемую в градусах, называют наблюдаемым оптическим вращением и обозначают буквой б. Величина б зависит от ряда факторов:

1) длины кюветы поляриметра, в которую помещают раствор исследуемого соединения;

2) структуры и концентрации оптически активного вещества;

3) природы растворителя;

4) температуры раствора;

5) длины волны плоскополяризованного света, используемого в опыте.

Оптическую активность обычно выражают в единицах удельного вращения.

Угол, на который 1 г вещества (находящийся в 100 мл раствора, помещенного в кювету длиной 1 дм) вращает плоскополяризованный свет, называют удельным вращением ([б] ^t_л ).

[б]^t_л = 100 б/lc,

где б - наблюдаемое оптическое вращение, град; t - температура, при которой измеряется удельное вращение (как правило, эта температура равна комнатной, 25⁰С); л - длина волны света (как правило, это D - линия натрия; её длина волны составляет 589 нм); l - длина кюветы, дм; с - концентрация вещества, равная числу граммов вещества в 100 мл раствора.

Энантиомеры имеют много одинаковых физических свойств: температуры плавления и кипения, плотность, показатель преломления, растворимость в обычных растворителях. Однако энантиомеры различаются своим взаимодействием с поляризованным светом.

Энантиомеры имеют одинаковые абсолютные величины углов оптического вращения, но противоположные знаки оптического вращения. Поэтому энантиомеры называют оптическими изомерами.

Энантиомер, вращающий плоскость поляризованного света вправо (по отношению к наблюдателю), называют правовращающим энантиомером. Это вращение обозначают (+).

Энантиомер, вращающий плоскость поляризованного света влево (по отношению к наблюдателю), называют левовращающим энантиомером. Это вращение обозначают (-).

Право- и левовращающие энантиомеры всегда вращают плоскость поляризованного света на равную величину, но в противоположных направлениях.

Например, удельное вращение [б]²⁵_D (+) бутанола-2 +13,52⁰,

удельное вращение [б]²⁵_D (-) бутанола-2 -13,52⁰.

Если энантиомеры содержатся в смеси в равномолекулярном количестве, то за счет взаимной компенсации оптического вращения они образуют оптически неактивную смесь, которую называют рацемической формой или рацемической модификацией и используют символ ( + ).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОЙ КОНФИГУРАЦИИ ПО ПРОЕКЦИОННЫМ ФОРМУЛАМ ФИШЕРА

Существует определенная процедура определения абсолютной конфигурации по формуле Фишера. Она складывается из следующих этапов:

1) В проекционной формуле Фишера выполняют ряд перестановок так, чтобы заместитель, имеющий номер 4, оказался внизу у вертикальной линии. Связь по вертикали направлена от наблюдателя.

2) Производят оценку снижения старшинства трех заместителей: 1> 2 > 3. Если после четного числа перестановок старшинство заместителей снижается по ходу часовой стрелки, то исходную конфигурацию определяют как R-конфигурацию, а если против хода часовой стрелки, то исходную конфигурацию определяют как S-конфигурацию.

Как видно, L-бутанол-2 и D-глицериновый альдегид имеют одинаковую абсолютную R-конфигурацию.

СОЕДИНЕНИЯ С ДВУМЯ ХИРАЛЬНЫМИ ЦЕНТРАМИ

Число стереоизомеров возрастает при увеличении числа хиральных центров в молекуле.

Количество оптических изомеров соединения, имеющего n хиральных центров, определяют как 2ⁿ. В частности, число оптических изомеров соединения с двумя хиральными центрами составляет 2² = 4.

Четыре стереоизомера молекулы, имеющей два хиральных центра, изображены ниже, где G¹ - первый стереоизомер, G² - второй стереоизомер:

Стереоизомеры 1 и 2, 3 и 4 - пары энантиомеров. Пары стереоизомеров 1 и 3, 1 и 4, 2 и 3, 2 и 4 являются диастереомерами.

Диастереомерами называют стереоизомеры, молеклы которых не являются зеркальными изображениями друг друга (энантиомерами). Диастереомеры в отличие от энантиомеров имеют различные физические свойства и различные величины удельного вращения.

Схема стереоизомерных отношений для соединений с двумя различными хиральными центрами:

Правила номенклатуры стереоизомеров с несколькими хиральными центрами иллюстрируют названия стереоизомеров 2,3-дибромпентана: (2S, 3R)- 2,3-дибромпентан (1), (2R, 3S)- 2,3-дибромпентан (2), (2S, 3S)- 2,3-дибромпентан (3), (2R, 3R)- 2,3-дибромпентан (4).

Стереоизомеры 1 и 2 являются эритро-энантиомерами, а стереоизомеры 3 и 4 - трео-энантиомерами.

Энантиомер, в проекционной формуле Фишера которого идентичные или родственные группы расположены по одну сторону от вертикальной линии (главной углеродной цепи), а в проекционных формулах Ньюмена - заслоняют одна другую, называются эритро-энантиомерами.

Энантиомер, в проекционной формуле Фишера которого идентичные или родственные группы расположены по разные стороны от вертикальной линии (главной углеродной цепи), называется трео-энантиомером.

Соответствующие конформационные изменения не влияют на конфигурацию стереоизомера.

СОЕДИНЕНИЯ С ДВУМЯ ОДИНАКОВЫМИ ХИРАЛЬНЫМИ ЦЕНТРАМИ

Стереохимия соединений с двумя одинаковыми хиральными центрами имеет ряд особенностей. Например, соединение 2,3-дибромбутан:

В этом соединении каждый из асимметричных атомов углерода связан с четырьмя различными группами, однако они одинаковы для каждого из хиральных центров (Н-, Br-, С- и СН₃ и Н-, Br-, С- и СН₃). Стереоизомеры ряда 2 и 3 являются энантиомерами. В эритро-ряду существует только один пространственный изомер, который к тому же оптически неактивен, так как имеет плоскость симметрии. Этот стереоизомер является мезо-формой (мезо-соединением).

Стереоизомер, имеющий идентичные хиральные центры и обладающий элементом симметрии хотя бы в одной из конформаций, нахывают мезо-формой (мезо-соединением).

Показанные выше стереоизомеры 2,3-дибромбутана названы по правилам номенклатуры ИЮПАК: (2R,3S)-2,3-дибромбутен (1), (2S,3S)-2,3-дибромбутен (2), (2R,3R)-2,3-дибромбутен (3).

Примером соединения с двумя идентичными хиральными центрами является и 2,3-дигидроксибутандиовая кислота (винная кислота), также существующая в виде трех пространственных изомеров (4-6).

Для карбоновых кислот с несколькими хиральными центрами принадлежность к D- или L - ряду определяют по верхнему асимметрическому атому углерода.

Проекционные формулы Фишера винных кислот:

Стереоизомеры 4 и 5 являются энантиомерами, а стереоизомер 6 - мезо-формой, так как имеет плоскость симметрии и не обладает поэтому оптической активностью.

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ И СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ

Пространственные закономерности появления или изменения оптической активности органических соединений в ходе химических реакций изучает динамическая стереохимия.

Рассмотрим для примера реакцию взаимодействия бутана с бромом, в результате которой из ахиральной молекулы образуется хиральная молекула.

Молекула бутана содержит прохиральный атом углерода. Прохиральным называют атом углерода, который становится хиральным при замещении одного из двух идентичных атомов (водорода или других групп) на ахиральный заместитель.

Молекула, в которой имеется прохиральный атом углерода, называется прохиральной. Замещаемый атом называют энантиотопным.

В результате радикального бромирования бутана образуется рацемическая форма - эквимолярная смесь (R)- и (S)-2-бромбутанов.

Результат реакции объясняется следующим образом. В процессе бромирования бутана в качестве промежуточного соединения образуется свободный радикал - вторичный бутил-радикал, который за счет инверсии является практически плоским относительно атома углерода, у которого наблюдается замещение. Атака такой частицы по атому углерода молекулой брома равновероятна как с одной (1), так и с другой (2) стороны плоскости, что и приводит к образованию энантиомеров в равномолекулярных количествах. Каждая сторона бутильного радикала является энантиотопной.

Любой ахиральный реагент, имеющий одинаковую возможность атаковать энантиотопные атомы другого реагента, дает рацемическую модификацию.

стереоизомер реакция химический

МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ ЭНАНТИОМЕРОВ

Рацематы, образующиеся в ходе химических реакций, разделяются на энантиомеры несколькими методами.

1. Механическое разделение кристаллов при визуальном контроле. Такое разделение возможно в тех случаях, когда рацемическая форма представляет собой конгломерат кристаллов лево- и правовращающих форм. Именно этот метод был применен Луи Пастером, который в 1848 г. разделил рацемическую смесь винных кислот. Благодаря тому, что натрийаммониевые соли (+) и (-)-винных кислот имеют разную форму кристаллов, ему удалось выделить каждый энантиомер в индивидуальном виде.

2. Биохимический метод, основанный на стереоспецифичности ферментативных реакций (см. ниже).

3. Химический метод (наиболее универсальный), заключающийся в том, что на рацемическую форму (+)(-) - НА (кислота) действуют оптически активным реагентом, например

(-)-В (основанием), в результате чего образуется новая пара веществ - диастереомеров, которые легко могут быть разделены вследствие различия их физических свойств (например, растворением в различных растворителях). Из полученных таким образом индивидуальных диастереомеров выделяют затем индивидуальные энантиомеры (+)-НА и (-)- НА.

4. Хроматографирование рацематов на оптически активных стационарных фазах.

Наибольшее практическое применение имеют методы 2 - 4.

ХИРАЛЬНОСТЬ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

Энантиомеры одинаковы как по химическим, так и по физическим свойствам, за исключением способности вращать плоскополяризованный свет. Для многих превращений и областей применения пригодны и соответствующие рацемические формы.

Но в биологических системах наблюдается иная картина. Для биохимического синтеза, в целом, характерна высокая энантиоселективность, то есть природа синтезирует индивидуальные энантиомеры, а не их смеси. Например, в живых организмах встречаются почти исключительно L-аминокислоты и лишь некоторые бактерии способны синтезировать D-энантиомеры. Причина заключается в том, что биологические субстраты хиральны, способны различать энантиомеры одного и того же хирального соединения и по-разному с ними реагировать. В частности, имеются ферменты, которые реагируют лишь с одним из энантиомеров, оставляя второй энантиомер незатронутым. Одним из таких ферментов является липаза. Этот фермент катализирует гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот:

Если гидролиз сложного эфира, имеющего хиральный центр в заместителе R, проводится в условиях основного или кислотного катализа, но в отсутствие липазы, то оба энантиомера реагируют с одинаковой скоростью и неразличимы. Однако если проводить гидролиз в присутствии липазы, в реакцию вступает лишь один из энантиомеров:

По-видимому, R-энантиомер не способен контактировать с активным хиральным центром фермента, поэтому не подвергается гидролизу и остается после гидролиза S-энантиомера в первоначальном виде.

Другим примером различной биологической активности энантиомеров являются различные запахи энантиомеров карвона. (+)-Карвон и (-)-карвон выделены из природных душистых масел и имеют одинаковые структурные формулы:

Однако каждый из энантиомеров обладает характерным, лишь ему присущим, запахом. Очевидно, что рецепторы организма, ответственные за ощущение запаха, также хиральны, и каждый их них способен контактировать лишь с определенным энантиомером карвона.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Потапов В.М. Стереохимия. - М.,1976.

2. Травень В.Ф. Органическая химия. Тома 1,2. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2008.

3. Яновская Л.А. Современные теоретические основы органической химии.- М.:Изд-во «Химия», 1978.

4. Белобородов В.Л. и др. Органическая химия.- М.: «Дрофа», 2003.

Размещено на Allbest.ru