Пространственное строение органических молекул

План

1. Структурная изомерия. Таутомерия

2. Стереоизомерия

а) оптическая

б) геометрическая

в) конформационная

 

1. Структурная изомерия и её виды

Ответить на «наивный» вопрос: что такое строение химического соединения и как его можно описать не так просто, как кажется на первый взгляд. Ответ обязательно будет неполным. Нач­нём с конца: строение химического соединения можно описать с помощью формулы. Первыми химикам стали известны брутто-формулы (XVIII – XIXв.в.), содержащие информацию о том, атомы каких элементов и в каком количестве входят в молекулу данного соединения: а) С₄Н₁₀ – бутан; 2) С₂Н₆О – этиловый спирт; 3) С₄Н₁₀О – бутиловый спирт.

С4Н10

Этой информации вполне достаточно для неорганиче­ских соединений, а вот для органиче­ских – явно не хватает. Сейчас мы знаем, что одну и ту же брутто-формулу могут иметь разные соединения. В 1830г. Я. Берцелиус назвал их изомерами (др.-греч. изос – равный, подобный и мерос – доля, часть). Необходимость объяснения явления изомерии привела к пониманию того, что свойства соединений зависят не только от их состава, но и от относительного расположения атомов, порядка их связывания между собой. Формулы, которые описывают этот порядок, на­зываются структурными. Структурные формулы ясно показывают, почему брутто-формуле С₄Н₁₀ соответствует 2 соединения

		н-бутан

 

 

Это пример изомерии углеродного скелета

 

С4Н8

Изомерия положения кратной связи

 

 

С2Н6О

Межклассовая изомерия (метамерия)

	этиловый спирт (одноатомные спирты)		диметиловый эфир (простые эфиры)

 

Изомерия положения функциональной группы

 

Все эти изомеры отличаются разным порядком связывания атомов и их называют структур­ными изомерами.

В одном из определений изомерами называют «вещества, имеющие одинаковый молекуляр­ный состав, но разные свойства. Вещества, которые можно поместить в разные склянки». Но чем дальше развивается химическая наука, тем менее полным является это определение. При обычных условиях превращение изомеров друг в друга отсутствует.

Структурной изомерии родственно явление таутомерии (подвижной изомерии), которое имеет исключительное значение в процессах жизнедеятельности.

Таутомерия – это подвижное равновесие между взаимопревращающимися друг в друга структурными изомерами – таутомерами.

Таутомерия связана с переносом какого-либо атома, чаще всего протона (прототропная таутомерия). К ней относится

 

кето-енольная таутомерия

 

лактим-лактамная таутомерия

 

енамино-иминная

Причиной прототропной таутомерии ялвяется возможность стабилизации аниона (образовавшегося после отщепления Н+) за счёт сопряжения. Возвращение Н+ может происходить как на «старое» место, так и по другому концу сопряжённой системы с перемещением двойной связи.

 

Очень распространённым видом таутомерии в химии моносахаридов является цикло-оксо-таутомерия, т.е. равновесие между циклической и открытой, цепной формой моносахарида.

 

 

2. Стереоизомерия

Не успели химики привыкнуть к структурным формулам, как появились новые проблемы, связанные с существованием «лишних» изомеров, которые имели и одинаковый состав и одина­ковую структурную формулу, а по свойствам тем не менее различались. Поиск причины этих различий привёл к появлению пространственных представлений о строении химических соеди­нений и созданию стереохимии.

Моментом её рождения можно считать 1874 г, когда 22-летний швед Я. Вант-Гофф и 27-лет­ний француз Ле-Бель независимо друг от друга выдвинули гипотезу о тетраэдрическом строе­нии насыщенного атома углерода и, исходя из этого, сформулировали теорию пространствен­ного строения органических соединений. Ход рассуждений Вант-Гоффа помогает понять эту теорию.

У насыщенного атома углерода все четыре связи совершенно одинаковы. Это может быть только в двух случаях:

1) если все четыре заместителя расположены по углам квадрата, в центре которого нахо­дится атом углерода (плоская модель) или

2) если все заместители находятся в вершинах тетраэдра, а атом углерода в его центре (тетра­эдрическая модель)

Выбор между ними можно сделать, рассмотрев число возможных изомеров для метана. Для монозамещённых производных CH₃R обе модели допускают существование только одного изомера.

Для дизамещённых производныхCH₂R₁R₂ для плоской модели должны существовать два изомера, для тетраэдрической – один

 

Для тризамещённых соединений CHR₁R₂R₃ в плоской модели можно изобразить 3 изо­мера, в тетраэдрической – два.

 

 

Справедливость выбора тетраэдрической модели строения атома углерода следовала из практики: двузамещённые производные метана имели один изомер, а три- и тетразамещённые – по два изомера.

Эти два изомера CHR₁R₂R₃ называются пространственными изомерами или стереоизомерами. На пер­вый взгляд эти изомеры ничем не отличаются. Но как только мы попытаемся наложить друг на друга центральные атомы углерода и два любых заместителя, два оставшихся заместителя не совпадут. Эти два изомера относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркаль­ное изображение, как правая и левая рука, как пара перчаток или ботинок.

Такое свойство объекта, заключающееся в невозможности его совмещения с зеркальным изображением путём перемещения или вращений называется хиральностью (греч. heir хайр - рука). Любая хиральная молекула должна иметь пару – зеркальный антипод. Поэтому эти изо­меры называют зеркальными изомерами (антиподами) или энантиомерами.

 

	Хиральность левой и правой руки и молекулы органического соединения

 

Простейший случай появления у молекулы хиральности мы уже рассмотрели – это наличие насыщенного атома углерода (sp³-гибридизированного), содержащего четыре разных замести­теля. Такой атом принято называть ассиметричным и обозначать С*.

Энантиомеры имеют одинаковые физические и химические свойства: одинаковые темпера­туры кипения и плавления, с одинаковой скоростью вступают в одни и те же реакции. Отличить их можно только одним способом: если через их растворы пропустить пучок плоскополяризо­ванного света, то один изомер повернёт плоскость поляризации влево (-), а другой – на такой же угол вправо (+), т.е. энантиомеры обладают оптической активностью, отсюда их первое назва­ние – оптические изомеры.

Примерами молекул, обладающих оптической активностью и имеющих зеркальные изо­меры, являются CHFClBr, молочная кислота, аминокислота аланин. Смесь равных количеств энантиомеров называется рацемической (±). Рацемат не обладает оптической активностью, т.к. происходит компенсация знака вращения.

Для изображения стереоизомеров на плоскости потребовались формулы, отражающие их пространственное строение. Для этого используют стереохимические формулы

 

1. Заместители в плоскости изображают сплошными линиями.

2. Заместители, выходящие из плоскости к зрителю, зачернённым клином.

3. Заместители, уходящие за плоскость – пунктирной линией.

 

*

Рисовать тетраэдр каждый раз неудобно. Поэтому оптические изомеры принято изображать с помощью проекционных формул, предложенных Фишером. Изобразим оптические изомеры на примере молочной (2-гидроксипропановой) кислоты.

 

При написании формул часто встречающихся оптически активных окси- и аминокислот придерживаются следующих правил:

1. Ассиметрический атом углерода (С*) изображают пересечением двух прямых, на концах кото­рых находятся четыре разных заместителя.

2. Углеродная цепь располагается вертикально.

3. Сверху располагается наиболее старшая группа

4. Атомы водорода и функциональные группы с гетероатомом изображаются у горизон­тальных концов

5. Формула с функциональной группой, находящейся справа, соответствует Д-изомеру, слева – L-изомеру.

 

 

 

 

Между отнесением молекул к Д и L-ряду и знаком оптического вращения никакой связи не существует. Знак вращения можно определить только экспериментально.

Вопрос об абсолютной конфигурации оптически активных соединений, т.е. о действитель­ном расположении групп в пространстве, долгое время не был решен. Условно было принято сравнивать структуру оптических изомеров с конфигурацией оптического стандарта – глицерино­вого альдегида.

*

 

Его абсолютная конфигурация была установлена с помощью рентгеноструктурного анализа. Оптически активные соединения, конфигурацию которого надо установить, превращают в гли­цериновый альдегид с помощью ряда химических реакций, не затрагивающих хиральный центр. В зависимости от того, какой глицериновый альдегид получают Д- или L-, такова и абсолютная конфигурация исходного изомера. Так было установлено, что левовращающая молочная ки­слота брожения относится к Д-ряду, а правовращающая мясомолочная кислота – к L-ряду, т.е. не всегда отношение к Д- или L-ряду совпадает с правым или левым вращением плоскости по­ляризации.

*

Все природные аминокислоты, образующие белки, содержат аминогруппу у углеродного атома, соединённого с карбоксильной группой (α-С), т.е. являются α-аминокислотами

 

Этот атом углерода является ассиметрическим. В молекуле аминокислоты могут быть и другие хиральные центры, но именно конфигурация этого атома углерода сравнивается с глице­риновым альдегидом и определяет принадлежность α-аминокислоты к Д или L-ряду. Все природные аминокислоты относятся к L-ряду.

*

Изобразим на примере аланина.

 

 

Если в молекуле вещества имеется несколько ассиметрических атомов углерода, в количестве n, то такая молекула существует в видеN = 2ⁿ стереоизомеров. Так, Д-глюкоза, изображенная с помощью формулы Фишера (I), имеет 4 ассиметрических атомов углерода. Для нее можно изобразить 16 (2⁴) фомул стереоизомеров. Её зеркальный изомер (энантиомер) L-глюкоза (II) отличается от Д-глюкозы конфигурацией всех хиральных центров. Это два разных вещества

				III

 

 

Стереоизомеры могут отличаться конфигурацией только одного ассиметрического атома углерода – это эпимеры. Так, Д-манноза (III) – это эпимер Д-глюкозы по С-2. Д-маннозе соотвествует зеркальный стереоизомер L-манноза (IV). Другие стереоизомеры, отличающиеся конфигурацией более, чем одного хирального центра, называются диастереомерами (соединения II и III). Следовательно, 16 стереоизомеров образуют 8 пар энантиомеров.

Для определения принадлежности моносахарида к Д- или L-ряду принято сравнивать конфигурацию его ассиметрического атома углерода, имеющего наибольший номер, с конфигурацией ассиметрического атома углерода глицеринового альдегида – конфигурационного стандарта.

Практически все природные моносахариды являются Д-изомерами.

 

Химические вещества, имеющие хиральный центр, при получении их синтетическим путём in vitro, не обладают оптической активностью, т.к. в этих условиях образуется рацемат, т.е. рав­ная смесь энантиомеров. В живом организме эти же реакции протекают стереоселективно, т.е. с образованием только одного оптического изомера. Причина этого в том, что реакции in vivo протекают с участием ферментов. А ферменты – это белковые вещества, построенные из хи­ральных молекул α-аминокислот. Если в синтезе участвует оптически активный реагент, то и продукт реакции тоже будет обладать оптической активностью.

Такой ассиметрический синтез проводят в настоящее время и вне организма для получения лекарственных препаратов, т.к. среди лекарственных препаратов очень часто встречаются слу­чаи, когда только один энантиомер обладает биологическим действием, а второй совершенно неактивен. Конфигурацию биологически активного энантиомера наиболее точно соответствует конфигурации активного центра рецептора клетки и он прочнее связывается с ним.

Кроме ассиметрического синтеза для получения одного из энантиомеров используют обыч­ный синтез, когда образуется рацемат, но затем его разделяют на оптические изомеры физиче­ским, биологическим или химическим (с помощью вспомогательных оптически активных ве­ществ) методом.

Для превращения двух энантиомеров, обязанных своей хиральностью наличием ассиметри­ческого атома углерода, нужно или разорвать одну из связей или очень существенно деформи­ровать углеродный тетраэдр (выворачивание зонтика ветром). И в том, и в другом случае за­траты энергии достаточно велики, поэтому энантиомеры обычно стабильны.

 

Геометрическая (цис-транс-) изомерия

Этот вид пространственной изомерии существует в соединениях с кратными связями, в которых заместители при каждом атоме углерода двойной связи попарно различны. Классическим примером цис-транс-изомерии являются малеиновая и природная фумаровая ки­слоты.

 

 

Эти два изомера отличаются расположением заместителей в пространстве относительно π-электронного облака двойной связи

 

 

 

 

Эти стереоизомеры нельзя совместить в пространстве, хотя они и не являются зеркальными антиподами. Такие изомеры называются диастереомерами. В отличие от энантиомеров они об­ладают различными физическими и химическими свойствами. Например, природная фумаровая кислота имеет температуру плавления 287°С, а искусственная малеиновая имеет более низкую температуру плавления 130°С.

Для перехода одного изомера в другой требуется разрыв π-связи, а это требует затрат энер­гии (обычно сотен килоджоулей на моль), т.е. при нагревании или УФ-облучении.

Геометрическая изомерия может быть связана с различным положением заместителей отно­сительно плоскости какого-либо цикла (обычно трёх-четырёхчленных).

	цис-1,2-диметилпропан

 

 

Конформационная (поворотная) изомерия

Это ещё один вид стереоизомерии. Ещё в середине XIXв. стало ясно, что внутри молекул возможно вращение вокруг одинарных σ-связей и что вращение происходит быстро. Причём это вращение не совсем свободно и возможны более или менее предпочтительные формы молекул в зависимости от того, как меняется взаимная ориентация групп при повороте вокруг оси простой связи. Но в XIXв. не было такого инструмента, чтобы обнаружить такие изомеры вращения. И только в 30е годы XXв. физики-спектроскописты получили доказательства существования таких поворотных изомеров, которые трудно выделить. Изучая колебательные спектры (точнее, спектры комбинационного рассеяния) 1,2-дихлорэтана в зависимости от температуры, учёные обнаружили, что в твёрдом дихлорэтане всегда меньше линий, чем в жидком и газообразном. Они предположили, что у твёрдого дихлорэтана имеется устойчивая транс-форма, а с повышением температуры за счёт вращения появляется менее выгодная цис-форма. Впоследствии оказалось, что новые линии принадлежат не цис-форме, а более выгодной скошенной (или гош-)форме

 

Пространственные формы, которые возникают при вращении групп атомов вокруг простой σ-связи как вокруг оси называют поворотными изомерами или конформациями.

Среди рассмотренных конформаций энергетически выгодной является транс (анти)-форма. Её называют заторможенной конформацией. Затем идёт скошенная (гош-) конформация и менее выгодная заслонённая (цис-конформация). Разница в энергиях очень небольшая и поэтому взаимные переходы происходят легко и такие поворотные изомеры в обычных условиях в индивидуальном виде выделить невозможно.

Принятые изображения в формулах Ньюмена

Поворотные изомеры или конформации изображают с помощью проекционных формул Ньюмена, направляя проекцию вдоль связи, вокруг которой происходит вращение.

 

 

 

В длинных углеводородных цепях вращение может происходить вокруг нескольких углерод-углеродных связей и вся цепь может принимать разнообразные конформации

Зигзагообразная конформация – наиболее выгодная анти-конформация

Клешневидная конформация. В ней облегчается пространственное взаимодействие функциональных групп у 1 и 5 (или 6) атомов. При этом могут образоваться устойчивые пяти- или шестичленные циклы

 

Поворотная изомерия существует и для алициклических соединений. Это особенно важно для циклогексана. В правильном плоском кольце циклогексана должно существовать сильное угловое напряжение (угол должен быть 120° вместо 109°28^/ для углерода в sp³-гибридизации). Напряжение в кольце можно снять, изогнув это кольцо в пространстве, причём только двумя способами. Эти ненапражённые изомеры циклогексана сейчас называют «креслом» и «ванной».

			«ванна»

 

 

Из этих двух конформаций энергетически более выгодна конформация кресла. Скорость их взаимопревращений высока, поэтому выделить их невозможно при нормальных условиях.

Заместители в циклогексане могут занимать аксиальное (связи параллельны оси молекулы) или экваториальное положение.

	Аксиальное расположение

Экваториальное расположение

 

 

Энергетически предпочтительной является экваториальная ориентация заместителя, т.к. в этом случае он находится в заторможенной или анти-конформации.

Конформации шестичленного цикла приобретают особое значение в химии углеводов, т.к. тетрагидропирановый (пиранозный) цикл является структурной единицей моносахаридов.

 

Многие необычные свойства глюкозы и других углеводов можно понять, анализируя их конформационное строение.

Таким образом, по определению Берцелиуса изомеры – это соединения с одинаковым качественным и количественным составом, но отличающиеся последовательностью связывания атомов в молекуле или расположением их в пространстве