Проекция трёхмерной молекулы на плоскость

Проекция Фишера (проекционная формула Фишера , формула Фишера ) - способ изображения трёхмерной молекулы в виде проекции , в которой вертикальные связи удаляются за проекционную плоскость, а горизонтальные связи выступают перед этой плоскостью . Данные формулы были предложены Э. Фишером в 1891 году для изображения структур углеводов . Использование проекций Фишера для неуглеводных молекул может ввести в заблуждение и не рекомендуется ИЮПАК .

Построение

В проекции Фишера химические связи изображаются в виде горизонтальных и вертикальных линий, на перекрестьях которых находятся стереоцентры. Углеродный скелет изображают вертикально, при этом сверху находится атом углерода, с которого начинается нумерация скелета (например, альдегидный -атом для альдоз). Кроме того, в проекции Фишера все горизонтальные связи направлены в сторону наблюдателя, а вертикальные - удалены от наблюдателя. Данное условие важно для правильного построения проекции Фишера, а также при восстановлении трёхмерной структуры молекулы из её проекции. По этой причине проекцию Фишера нельзя вращать на 90° или 270°, так как это приведёт к изменению конфигурации стереоцентров. Согласно рекомендациям ИЮПАК, атомы водорода следует изображать в явном виде, однако структуры без атомов водорода также считаются приемлемыми .

Восстановление трёхмерной записи

Для восстановления пространственной формы молекулы из проекции Фишера необходимо горизонтальные связи изобразить направленными в сторону наблюдателя (жирными клинышками), а вертикальные - уходящими за плоскость изображения (штриховыми клинышками). Далее можно изобразить молекулу в любом трёхмерном представлении.

Использование

Проекции Фишера наиболее широко используются для построения структурных формул моносахаридов , а также аминокислот . Они также лежат в основе d/l -номенклатуры, используемой для различения энантиомеров этих природных соединений.

ГЛАВА 7. СТЕРЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

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.

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.

Преобразования, сохраняющие исходную формулу

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.

Преобразования, приводящие к энантиомеру

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".

Стандартная проекция Фишера

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

Этими формулами обычно пользуются для пространственного изображения молекул, содержащих асимметрический атом углерода : это тетраэдрический (sp 3 -гибридный) атом углерода, связанный с четырьмя разными атомами или группами атомов.

Для изображения проекционной формулы тетраэдрическую модель молекулы располагают так, чтобы асимметрический атом находился в плоскости чертежа, а две связи от асимметрического атома углерода лежали в горизонтальной плоскости, выступающей к наблюдателю из плоскости чертежа. Две другие связи должны располагаться в вертикальной плоскости, уходящей от наблюдателя за плоскость чертежа.

При использовании проекций Фишера символ асимметрического атома углерода обычно опускают:

Следует всегда учитывать, что формулы Фишера являются проекциями на плоскость и их не следует рассматривать как пространственные модели.

Поэтому необходимо соблюдать следующие правила:

­ проекционную формулу, отвечающую конкретному стереоизомеру, нельзя выводить из плоскости чертежа и нельзя поворачивать в плоскости на 90 о и 270 о;

­ возможен поворот формулы на 180 о

­ если положение одной атомной группы не менять, то остальные три можно вращать по часовой или против часовой стрелки:

4.2. Оптическая активность* и хиральность

Под оптической активностью подразумевают свойство, способность вещества вращать (отклонять на определённый угол) плоскость поляризованного света.

Поворот плоскости поляризации происходит либо по часовой стрелке (правое вращение), либо против хода часовой стрелки (левое вращение).

Для соединения, содержащего один асимметрический атом углерода возможны два изомера, которые соотносятся между собой как предмет и его зеркальное отражение, что видно на примере молочной кислоты.

Два изомера, каждый из которых является зеркальным отражением другого, называются оптическими или зеркальными изомерами .

Такая пара зеркальных изомеров называется энантиомерами или оптическими антиподами .

Энантиомерам присущи одинаковые физические свойства, за исключением направления вращения плоскости поляризации: они отклоняют поляризованный свет на один и тот же угол, но в противоположных направлениях.

Соединения, которые несовместимы со своим зеркальным отражением, принято называть хиральными .

Хиральность (от cheir – рука) – это основное понятие стереохимии, обозначающее свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отображением; является обязательным условием оптической активности молекул.

Смесь веществ, состоящая из равных количеств обоих энантиомеров, называется рацемической смесью . Оптическая активность такой смеси равна 0.

Стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами (подробно см. ниже, разд. 4.4.).

Таким образом, все хиральные молекулы являются молекулами оптически активных соединений.

Между хиральностью и оптической активностью существует однозначное соответствие. Характерной особенностью хиральных молекул является отсутствие оси, центра и плоскости симметрии, которые являются элементами симметрии .

Ось симметрии. Если вращение вокруг оси, проходящей через молекулу, на угол 2π/n=360 o /n вновь приводит её в исходное состояние, то такую ось называют осью симметрии n-го порядка С n . Понятно, что при значении n=1 в любом случае поворот вокруг оси возвращает молекулу в первоначальное состояние.

Например, молекула воды (а) имеет ось симметрии второго порядка (n=2), хлорметана (б) – третьего порядка, а в бензоле (в) наряду с шестью осями, располагающимися в плоскости цикла (n=2), имеется ещё одна ось (n=6), которая перпендикулярна плоскости цикла.

Плоскость симметрии. Если плоскость, проходящая через молекулу (объект) делит её на две части, соотносящиеся между собой как зеркальные изомеры, то её называют плоскостью симметрии . Вода имеет две плоскости симметрии, а хлорметан – три.

Центр симметрии i – это точка в центре молекулы, на равном расстоянии от которой на одной прямой располагаются две эквивалентные, равноценные точки данной молекулы.

В молекуле не может быть более одного центра симметрии.

Таким образом, с точки зрения наличия или отсутствия в молекулах элементов симметрии принято говорить о хиральности и ахиральности . В большинстве случаев по смыслу они совпадают с понятиями «асимметричность» и «симметричность». Вместе с тем хиральность – это понятие гораздо шире, чем асимметричность, поскольку хиральная молекула может содержать некоторые элементы симметрии. По этой же причине в стереохимии термин «асимметрический» атом очень часто заменяют термином «центр хиральности». Следовательно, под хиральностью следует подразумевать свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отображением. Ахиральная молекула содержит по крайней мере один элемент симметрии (либо центр, либо плоскость симметрии). Частным случаем ахиральности является прохиральность: способность, свойство ахиральной молекулы переходить в хиральную путём одноразового изменения одного какого-либо структурного фрагмента. Как правило, такая операция возможна при наличии прохирального центра – то есть центра, содержащего два различных и два одинаковых заместителя. Замещение одного из таких одинаковых заместителей на другой, отличающийся от всех имеющихся, превращает этот центр в хиральный:

Конфигурация и конформация

Стереоизомеры могут различаться конфигурациями (конфигурационные изомеры) или конформациями (конформационные изомеры).

Конфигурация – пространственное расположение атомов и/или атомных групп вокруг хирального центра, плоскости двойной связи или плоскости цикла и характеризующее определённый стереоизомер. Это понятие в большей степени имеет качественный характер и по сути отражает стереохимическую особенность конкретного расположения атомов в пространстве вокруг хирального центра данной молекулы.

Ниже показаны пары соединений, представляющие собой кофигурационные изомеры:

Конформация* - определённая геометрия молекулы, обусловленная внутренним вращением атомов или атомных групп вокруг простых связей. При этом стереохимическая конфигурация молекулы остаётся неизменной.

Для изображения конформаций пользуются проекциями Ньюмена. Для этана возможны две граничные конформации – заслоненная (I) и заторможенная (II).

Бутан отличается от этана наличием двух метильных групп, в связи с чем для данной молекулы возможно большее число заторможенных конформаций, что показано ниже. Более устойчивая конформация I обозначается как анти- : здесь метильные группы максимально удалены друг от друга (двугранный угол равен 180 о). Две другие конформации – скошенные, или иначе гош-конформации (II и III), в которых метильные группы образуют угол 60 о:

3.Проекционные формулы Фишера

Для изображения на iплоскости молекул с асимметрическими атомами углерода часто используют проекции, предложенные в 18Э1 году Э. Фишером.

Рассмотрим принцип их построения на примере молекулы бромфторхлорметана. Исходным пунктом при построении проекций Фишеоа служит пространственная модель молекулы или ее клиновидная проекция.
Расположим молекулу таким образом, чтооы в плоскости чертежа остался только атом углерода молекулы бромфторхлорметана, как это показано на рисунке:

Спроектируем на плоскость чертежа все атомы (Вг и CL снизу вверх, так как они расположены под плоскостью чертежа, а F и H- сверху вниз). Для того, чтобы полученная проекция отличалась от структурной формулы, условимся не изображать асимметрический атом углерода. Он подразумевается в проекции Фишера на месте пересечения вертикальной и горизонтальной линий:

Как видно из приведенного примера, проекция Фишера строится таким образом, чтобы связи асимметрического атома с заместителями изображались вертикальными и горизонтальными (но не наклонными!) линиями.

При пользовании проекциями Фишера важно помнить, что вертикальная линия в них изображает связи, удаляющиеся от нас, а горизонтальнаялиния - связи, направленные к нам. Отсюда вытекают правила пользования проекциями Фишера:

Перечисленные операции с проекциями Фишера нельзя проводить, так как они приводят к проекции антипода.

Примеры .
а} Четное число парных перестановок. Поменяем местами атомы F и CI, Br и Н в молекуле бромфторхлорметана:

б) Круговая перестановка трех заместителей. Произведем круговую перестановку атомов галогенов. Атом водорода оставляем нетронутым:

При построении проекционных формул Фишера молекул, в состав которых входят несколько атомов углерода, молекулу располагают таким образом, чтобы углеродная цепь была расоложена вертикально. Вверху помещают наиболее окисленный атом углерода (как правило, этот атом входит в состав карбонильной СН=О или карбоксильной СОOН групп.):

IV. R,S -Номенклатура стереоизомеров.

Поскольку энантиомеры имеют различную абсолютную конфигурацию, это различие необходимо передать в их названиях. Наиболее общий подход к номенклатуре стереозомеров был предложен Р.Каном, К.Ингольдом и В. Прелогом (R.S.Cahn, C.Ingold, V.Prelog , Angew.Chem.(1966), B.78, S.413-447, V.Prelog, G.Helmehen, Angew.Chem (1982), B.94,S.614-631). Их подход основан на так называемом правиле последовательности, в соответствии с которым заместителям при асимметрическом атоме присваивается разное старшинство. Затем рассматривается направление падения старшинства заместителей при определенной ориентации молекулы относительно наблюдателя. В зависимости от того, как падает старшинство (по часовой стрелке или против часовой стрелки), конфигурация центра хиральности обозначается как R или как S.

1.Принципы R,S-номенклатуры

Основные этапы процедуры наименования абсолютной конфигурации рассмотрим на примере энантиомеров бромфторхлорметана (12) и (13).
Первым этапом является определение порядка старшинства заместителей при асимметрическом атоме.

Старшинство изотопов данного элемента возрастает с увеличением их массового числа.
В соответствии с этим, имеем следующий порядок старшинства заместителей в молекулах бромфторхлорметанов:

Br > CI> F> Н

Самый старший заместитель обозначим буквой а, следующий по старшинству - буквой b и т.д. (то есть, при переходе а b c d старшинство убывает):

Второй этап . Располагаем молекулу таким образом, чтобы самый младший заместитель был удален от наблюдателя (при этом он будет заслонен атомом углерода) и рассматриваем молекулу вдоль оси связи углерода с младшим заместителем:

Третий этап . Определяем, в каком направлении ПАДАЕТ старшинство заместителей, находящихся в нашем поле зрения. Если падение старшинства происходит по часовой стрелке, обозначаем буквой R (от латинского "rectus"правый). Если старшинство падает против часовой стрелки, то конфигурацию обозначаембуквой S(от латинского "sinister"-левый).

Существует также мнемоническое правило, в соответствии с которым падение старшинства заместителей в R-изомере происходит в том же направлении, в котором пишется верхняя часть буквы R, а в S-изомере - в том же направлении, в котором пишется верхняя часть буквы S:

Теперь мы можем написать полные названия энантиомеров, которые однозначно говорят об их абсолютной конфигурации:

Следует подчеркнуть, что обозначение конфигурации стерзоизомера как R или S зависит от порядка старшинства всех четырех заместителей при асимметрическом атоме. Так, в изображенных ниже молекулах пространственное расположение атомов F, CI и Вг относительно группы X одинаково:

В приведенных примерах нельзя говорить об обращении абсолютной конфигурации , поскольку исходное соединение и продукт реакции не являются изомерами (см. выше, стр.20). В то же время, превращение одного энантиомера в другой - это обращение абсолютной конфигурации: