Проекційні формули фішера. Практичний посібник з хімії Структурна формула фішера

Речовини, здатні повертати площину поляризації світла, що проходить через них, називають оптично активними. Саме це явище називається оптичною активністю. Оптично активні речовини існують у вигляді пар оптичних антиподівабо енантіомерів, які відрізняються (за інших рівних умов - однаковою концентрацією, однаковою довжиною пробігу світлового променя в речовині) знаком повороту площини поляризації світла.

Молекули оптично активних речовин мають властивість хіральності- енантіомери ставляться один до одного як оригінал та його дзеркальне відображення (несумісні за жодного повороту). Найчастіше для виникнення хіральності потрібна присутність у молекулі хіральногоатома вуглецю ( хіральногоабо асиметричногоцентру) - знаходиться в стані sp 3 -гібридизації і має чотири різних заступника:

Еквімолярна суміш енантіомерів не має оптичної активності. Така суміш називається рацемічною сумішшюабо рацематом.

Якщо молекула містить кілька хіральних центрів, зобразити її в проекції, аналогічній попередньому малюнку, дуже важко. У цьому випадку користуються проекційними формулами Е. Фішера.

Число стереоізомерів у разі декількох хіральних центрів можна визначити за формулою 2 n де n - число хіральних атомів вуглецю. У разі альдотетроз, у яких два хіральні, центри існує 4 стереоізомери:

Молекули 1 і 2, 3 та 4 являють собою енантіомери. Молекули 2 і 4, 1 і 3, 2 і 3енантіомерами не є, проте це - стереоізомери.

Стереоізомери, які не є енантіомерами, називаються діастереомірами.

Діастереомери відрізняються за хімічними та фізичними властивостями, їх можна розділити звичайними хімічними методами.

Число стереоізомерів може бути меншим, ніж 2 n у разі існування мезоформи. Мезоформа виникає, якщо молекулі є внутрішні площини симетрії. Наприклад, у винної кислоти існує три стереоізомери:

Якщо ізомери 1 і 2 являють собою пару енантіомерів, то 3 і 4 - те саме - в молекулі є внутрішня площина симетрії, показана пунктиром. Мезоформа – це, по суті, внутрішньомолекулярний рацемат. Справді, верхня частина 3 (вище за пунктир) є дзеркальним відображенням нижньої частини. Оптичною активністю мезоформу не має.

Номенклатура оптичних ізомерів

Першими речовинами, для яких було відкрито та вивчено явище оптичної ізомерії, були вуглеводи та амінокислоти. Тому історично склалося так, що стереоізомери цих сполук визначають приналежністю до того чи іншого стеричного ряду та до еритро-трео-ізомерів. Для сполук інших класів використовують поняття абсолютної Зміни хірального центру.

Проекційні формули Фішера

Формули Фішера - це один із способів зображення на площині тривимірної структури хірального центру. Візьмемо пару енантіомерів і збудуємо проекцію Фішера для правої молекули:

Виберемо напрям, з якого розглядатимемо молекулу - воно показано стрілкою:

У цьому випадку зв'язки С-А та С-Е спрямовані до нас, вони відповідно до правил запису формули Фішера зображуються горизонтальною лінією. Зв'язки C-B та C-D спрямовані від нас, вони зображуються вертикальною лінією. В результаті проекція Фішера виглядатиме як (1):

В даний час і вертикальна і горизонтальна лінії зображуються як суцільні, атом вуглецю не малюється - перетин ліній і має на увазі хіральний центр, в результаті загальноприйнятої є проекція (2).

Якщо розглядати цю ж молекулу з іншого боку, можна отримати ще одну проекцію Фішера:

Загалом можна намалювати дванадцять проекцій Фішера для цієї молекули. Для того, щоб порівняти отримані проекції, необхідно врахувати, що проекції Фішера допускають над собою ряд перетворень.

Перетворення, що зберігають вихідну формулу

1. Парне число перестановок. Під перестановкою мається на увазі обмін місцями двох будь-яких заступників. Наприклад, у формулі 2b можна поміняти спочатку D і A (перша перестановка), апотом E і D (який тепер стоїть на місці А) - це буде друга перестановка, в результаті 2b перетворилося на 2. Помітно, що це - те саме.

2. Поворот проекції у площині креслення на 180, 360, 540 і т.д. градусів:

3. Циклічна перестановка: один заступник (будь-який) залишаємо на місці, три залишилися переставляємо по колу - за або проти годинникової стрілки. Ця операція еквівалентна двом перестановкам, але іноді виявляється зручніше.

Перетворення, що призводять до енантіомеру

1. Непарне число перестановок - міняємо місцями D і E - одна перестановка, за допомогою дзеркала, зображеного вертикальним пунктиром, легко переконатися, що це - енантіомери.

2. Поворот у площині креслення на 90, 270, 450 і т.д. градусів. Повернемо 2b на 90 o проти годинникової стрілки:

В отриманій формулі зробимо парне число перестановок - поміняємо місцями В і Е, А і D. Порівнявши2b і те, що вийшло, спостерігаємо, що це енантіомер.

3. Відображення у дзеркалі або розгляд "на просвіт".

Стандартна проекція Фішера

У стандартному записі проекції Фішера головний ланцюг або цикл зображуються вертикальною лінією, нумерація атомів вуглецю (ІЮПАК) в ланцюгу йде зверху вниз.

Цими формулами зазвичай користуються для просторового зображення молекул, що містять асиметричний атом вуглецю : це тетраедричний ( sp 3-гібридний) атом вуглецю, пов'язаний з чотирма різними атомами чи групами атомів.

Для зображення проекційної формули тетраедрическую модель молекули мають у своєму розпорядженні так, щоб асиметричний атом знаходився в площині креслення, а два зв'язки від асиметричного атома вуглецю лежали в горизонтальній площині, що виступає до спостерігача з площини креслення. Два інші зв'язки повинні розташовуватися у вертикальній площині, що уникає спостерігача за площину креслення.

При використанні проекцій Фішера символ асиметричного атома вуглецю зазвичай опускають:

Слід завжди враховувати, що формули Фішера є проекціями на площину і їх слід розглядати як просторові моделі.

Тому необхідно дотримуватися таких правил:

проекційну формулу, що відповідає конкретному стереоізомеру, не можна виводити з площини креслення і не можна повертати в площині на 90 і 270 про;

можливий поворот формули на 180 о

якщо положення однієї атомної групи не змінювати, то решту трьох можна обертати за годинниковою або проти годинникової стрілки:

4.2. Оптична активність* та хіральність

Під оптичною активністю мають на увазі властивість, здатність речовини обертати (відхиляти на певний кут) площину поляризованого світла.

Поворот площини поляризації відбувається або за годинниковою стрілкою (праве обертання) або проти ходу годинникової стрілки (ліве обертання).

Для сполуки, що містить один асиметричний атом вуглецю, можливі два ізомери, які співвідносяться між собою як предмет та його дзеркальне відображення, що видно на прикладі молочної кислоти.

Два ізомери, кожен з яких є дзеркальним відображенням іншого, називаються оптичними або дзеркальними ізомерами .

Така пара дзеркальних ізомерів називається енантіомерами або оптичними антиподами .

Енантіомерам притаманні однакові фізичні властивості, за винятком напрямку обертання площини поляризації: вони відхиляють поляризоване світло на той самий кут, але в протилежних напрямках.

З'єднання, які несумісні зі своїм дзеркальним відображенням, прийнято називати хіральними .

Хіральність (від cheir – рука) – це основне поняття стереохімії, що означає властивість об'єкта бути несумісним зі своїм дзеркальним відображенням; є обов'язковою умовою оптичної активності молекул.

Суміш речовин, що складається з рівних кількостей обох енантіомерів, називається рацемічною сумішшю . Оптична активність такої суміші дорівнює 0.

Стереоізомери, які не є енантіомерами, називаються діастереомірами (Докладно див. нижче, розд. 4.4.).

Таким чином, усі хіральні молекули є молекулами оптично активних сполук.

Між хіральністю та оптичною активністю існує однозначна відповідність. Характерною особливістю хіральних молекул є відсутність осі, центру та площини симетрії, які є елементами симетрії .

Вісь симетрії.Якщо обертання навколо осі, що проходить через молекулу, на кут 2π/n=360 o /n знову наводить її на вихідний стан, то таку вісь називають віссю симетрії n-го порядку З n . Зрозуміло, що за значення n=1 у разі поворот навколо осі повертає молекулу в початковий стан.

Наприклад, молекула води (а) має вісь симетрії другого порядку (n=2), хлорметану (б) – третього порядку, а в бензолі (в) поряд з шістьма осями, що розташовуються в площині циклу (n=2), є ще одна вісь (n=6), яка перпендикулярна до площини циклу.

Площина симетрії.Якщо площина, що проходить через молекулу (об'єкт) ділить її на дві частини, що співвідносяться між собою як дзеркальні ізомери, то її називають площиною симетрії . Вода має дві площини симетрії, а хлорметан три.

Центр симетрії i- Це точка в центрі молекули, на рівній відстані від якої на одній прямій розташовуються дві еквівалентні, рівноцінні точки цієї молекули.

У молекулі може бути більше центру симетрії.

Таким чином, з точки зору наявності чи відсутності в молекулах елементів симетрії прийнято говорити про хіральності і ахіральності . Найчастіше за змістом вони збігаються з поняттями «асиметричність» і «симетричність». Натомість хіральність – це поняття набагато ширше, ніж асиметричність, оскільки хіральна молекула може містити деякі елементи симетрії. З цієї причини в стереохімії термін «асиметричний» атом часто замінюють терміном «центр хиральности». Отже, під хіральністю слід мати на увазі властивість об'єкта бути несумісним зі своїм дзеркальним відображенням. Ахіральна молекула містить принаймні один елемент симетрії (або центр, або площину симетрії). Приватним випадком ахіральності є прохірність: здатність, властивість ахіральної молекули переходити в хіральну шляхом одноразової зміни одного будь-якого структурного фрагмента. Як правило, така операція можлива за наявності прохірального центру – тобто центру, що містить два різні і два однакові заступники. Заміщення одного з таких однакових заступників на інший, який відрізняється від усіх наявних, перетворює цей центр на хіральний:

Конфігурація та конформація

Стереоізомери можуть відрізнятися конфігураціями (конфігураційні ізомери) або конформаціями (Конформаційні ізомери).

Конфігурація– просторове розташування атомів та/або атомних груп навколо хірального центру, площини подвійного зв'язку або площини циклу та характеризує певний стереоізомер. Це поняття переважно має якісний характері і по суті відбиває стереохімічну особливість конкретного розташування атомів у просторі навколо хірального центру цієї молекули.

Нижче показані пари сполук, що являють собою кофігураційні ізомери:

Конформація*- Певна геометрія молекули, обумовлена внутрішнім обертанням атомів або атомних груп навколо простих зв'язків. У цьому стереохімічна зміна молекули залишається постійною.

Для зображення конформацій користуються проекціями Ньюмена. Для етану можливі дві граничні конформації – заслонена (I) та загальмована (II).

Бутан відрізняється від етану наявністю двох метильних груп, у зв'язку з чим для даної молекули можливо більше загальмованих конформацій, що показано нижче. Більш стійка конформація I позначається як анти-: тут метильні групи максимально віддалені одна від одної (двогранний кут дорівнює 180 о). Дві інші конформації - скошені, або інакше гош-конформації (II і III), в яких метильні групи утворюють кут 60 про:

3.Проекційні формули Фішера

Для зображення на плоскості молекул з асиметричними атомами вуглецю часто використовують проекції, запропоновані в 18Е1 році Е. Фішером.

Розглянемо принцип їх побудови з прикладу молекули бромфторхлорметана. Вихідним пунктом при побудові проекцій Фішео служить просторова модель молекули або її клиноподібна проекція.
Розташуємо молекулу таким чином, що в площині креслення залишився тільки атом вуглецю молекули бромфторхлорметану, як це показано на малюнку:

Спроектуємо на площину креслення всі атоми (Вг і CL знизу вгору, оскільки вони розташовані під площиною креслення, а F і H зверху вниз). Для того щоб отримана проекція відрізнялася від структурної формули, умовимося не зображати асиметричний атом вуглецю. Він мається на увазіу проекції Фішера на місці перетину вертикальної та горизонтальної ліній:

Як видно з наведеного прикладу, проекція Фішера будується таким чином, щоб зв'язки асиметричного атома із заступниками зображувалися вертикальними та горизонтальними (але не похилими!) лініями.

При користуванні проекціями Фішера важливо пам'ятати, що вертикальна лінія в них зображує зв'язки, що віддаляються від нас, а горизонтальна лінія - зв'язки, спрямовані до нас . Звідси випливають правила користування проекціями Фішера:

Перелічені операції з проекціями Фішера не можна проводити, оскільки вони призводять до проекції антиподу.

Приклади.
а) Чітне число парних перестановок. Поміняємо місцями атоми F та CI, Br та Н у молекулі бромфторхлорметану:

б) Кругова перестановка трьох заступників. Зробимо кругову перестановку атомів галогенів. Атом водню залишаємо недоторканим:

При побудові проекційних формул Фішера молекул, до складу яких входять кілька атомів вуглецю, молекулу мають таким чином, щоб вуглецевий ланцюг був розкладений вертикально. Вгорі поміщають найбільш окисленийатом вуглецю (як правило, цей атом входить до складу карбонільної СН=О або карбоксильної СООН груп.):

IV. R,S-Номенклатура стереоізомерів.

Оскільки енантіомери мають різну абсолютну конфігурацію, цю відмінність необхідно передати в їх назвах. Найбільш загальний підхід до номенклатурою стереозомірів було запропоновано Р. Каном, К. Інгольдом і 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). Їхній підхід заснований на так званому правилі послідовності, відповідно до якого заступникам при асиметричному атомі. надається різне старшинство. Потім розглядається напрямок падіння старшинства заступників за певної орієнтації молекули щодо спостерігача. Залежно від того, як падає старшинство (за годинниковою або проти годинникової стрілки), конфігурація центру хіральності позначається як R або як S.

1.Принципи R,S-номенклатури

Основні етапи процедури найменування абсолютної конфігурації розглянемо з прикладу енантіомерів бромфторхлорметана (12) і (13).
Першим етапомє визначення порядку старшинства заступників при асиметричному атомі.

Старшинство ізотопів даного елемента зростає зі збільшенням їхнього масового числа.
Відповідно, маємо наступний порядок старшинства заступників у молекулах бромфторхлорметанів:

Br > CI > F > Н

Найстарший заступник позначимо літерою а, наступний за старшинством - літерою b і т.д. (тобто, при переході а b c d старшинство зменшується):

Другий етап. Маємо молекулу таким чином, щоб наймолодший заступник був віддалений від спостерігача (при цьому він буде заслонений атомом вуглецю) і розглядаємо молекулу вздовж осі зв'язку вуглецю з молодшим заступником:

Третій етап. Визначаємо, у якому напрямку ПАДАЄстаршість заступників, що у нашому полі зору. Якщо падіння старшинства відбувається за годинниковою стрілкою, позначаємо буквою R (від латинського "rectus" правий). Якщо старшинство падає проти годинникової стрілки, то конфігурацію позначаємо буквою S (від латинського "sinister"-лівий).

Існує також мнемонічне правило, відповідно до якого падіння старшинства заступників у R-ізомері відбувається в тому ж напрямку, в якому пишеться верхня частина букви R, а в S-ізомері - в тому ж напрямку, в якому пишеться верхня частина букви S:

Тепер ми можемо написати повні назви енантіомерів, які однозначно говорять про їхню абсолютну конфігурацію:

Слід наголосити, що позначення конфігурації стерзоізомеру як R або S залежить від порядку старшинства всіх чотирьох заступників при асиметричному атомі. Так, у зображених нижче молекулах просторове розташування атомів F, CI та Вг щодо групи X однаково:

У наведених прикладах не можна говорити про звернення абсолютної конфігурації, оскільки вихідне з'єднання та продукт реакції не є ізомерами (див. вище, стор.20). У той же час, перетворення одного енантіомеру на інший - це звернення абсолютної конфігурації:

ЗСеред органічних сполук зустрічаються речовини, здатні обертати площину поляризації світла. Це явище називають оптичною активністю, а відповідні речовини - оптично активними. Оптично активні речовини зустрічаються у вигляді пар оптичних антиподів- ізомерів, фізичні та хімічні властивості яких у звичайних умовах однакові, за винятком одного - знака обертання площини поляризації: один з оптичних антиподів відхиляє площину поляризації в право (+, правообертальний ізомер), інший - вліво (-, лівообертальний).

Оптична ізомерія з'являється тоді, коли в молекулі є асиметричний атом вуглецю. Так називають атом вуглецю, пов'язаний із чотирма різними заступниками. Можливі два тетраедричні розташування заступників навколо асиметричного атома. Обидві просторові форми не можна поєднати жодним обертанням; одна з них є дзеркальним зображенням іншого.

Розглянутий вид ізомерії називають оптичною ізомерією , дзеркальною ізомерією або енантіомерією . Обидві дзеркальні форми складають пару оптичних антиподів або енантіомерів .
Число просторових ізомерів визначають за формулою Фішера N = 2 n де n - число асиметричних центрів.

Проекційні формули

Для умовного зображення асиметричного атома на площині користуються проекційними формулами Е.Фішера. Їх одержують, проецируя на площину атоми, із якими пов'язаний асиметричний атом. При цьому сам асиметричний атом, як правило, опускають, зберігаючи лише лінії, що перехрещуються, і символи заступників. Щоб пам'ятати про просторове розташування заступників, часто зберігають у проекційних формулах уривчасту вертикальну лінію (верхній та нижній заступник видалені за площину креслення), проте часто цього не роблять. Нижче наведено різні способи запису проекційної формули, що відповідає лівій моделі на попередньому малюнку:

Наведемо кілька прикладів проекційних формул:

При назвах речовин наведено їх знаки обертання. Це означає, наприклад, що лівообертальний антипод бутанолу-2 має просторову конфігурацію, що виражається саме наведеною вище формулою, а її дзеркальне зображення відповідає правообертального бутанолу-2. Визначення зміни оптичних антиподів проводиться експериментально.

Суміш, що складається з рівної кількості обох антиподів, називається рацематом. Вона оптично неактивна, має відмінні значення фізичних констант.

У принципі, кожен оптичний антипод може бути зображений дванадцятьма (!) різними проекційними формулами - в залежності від того, як розташована модель при побудові проекції, з якого боку ми дивимося на неї. Щоб стандартизувати проекційні формули, запроваджено певні правила їх написання. Так, головну функцію, якщо вона знаходиться в кінці ланцюга, прийнято ставити нагорі, головний ланцюг зображати вертикально.

Правила перетворення проекційних формул:

1. Формули можна обертати у площині креслення на 180 о, не змінюючи їх стереохімічного сенсу:

2. Дві (чи будь-яке парне число) перестановки заступників в одного асиметричного атома не змінюють стереохімічного змісту формули:

3. Одна (або будь-яка непарна кількість) перестановок заступників у асиметричного центру призводить до формули оптичного антипода:

4. Поворот у площині креслення на 90 про перетворює формулу на антипод, якщо при цьому одночасно не змінити умову розташування заступників щодо площини креслення, тобто. не вважати, що тепер бічні заступники знаходяться за площиною креслення, а верхній та нижній – перед нею. Якщо користуватися формулою з пунктиром, то орієнтація пунктира, що змінилася, прямо нагадає про це:

5. Замість перестановок проекційні формули можна перетворювати шляхом обертання будь-яких трьох заступників за годинниковою стрілкою або проти неї; четвертий заступник у своїй положення не змінює (така операція еквівалентна двом перестановкам):

6. Проекційні формули не можна виводити із площини креслення.

Інші типи оптично активних речовин

У цьому розділі перелічені деякі інші класи органічних сполук, які також мають оптичну активність (тобто існують у вигляді пар оптичних антиподів).

Атом вуглецю не має монополії на створення хіральних центрів у молекулах органічних сполук. Центром хіральності можуть бути атоми кремнію, олова, чотириковалентного азоту в четвертинних амонієвих солях і окисах третинних амінів:

У цих сполуках центр асиметрії має тетраедричну конфігурацію, як і асиметричний атом вуглецю. Існують, однак, і з'єднання з іншою просторовою структурою хірального центру.

Пірамідальнуконфігурацію мають хіральні центри, утворені атомами тривалентного азоту, фосфору, миш'яку, сурми, сірки. В принципі, центр асиметрії можна вважати тетраедричним, якщо як четвертий заступник прийняти неподілену електронну пару гетероатома:

Оптична активність може виникати і без хірального центру, за рахунок хіральності структури всієї молекули в цілому ( молекулярна хіральність або молекулярна асиметрія ). Найбільш характерними прикладами є наявність хіральної осі або хіральної площини .

Хіральна вісь виникає, наприклад, в аленах, що містять різні заступники при sp 2-гібридних вуглецевих атомах Легко бачити, що наведені нижче сполуки є несумісними дзеркальними зображеннями, а отже, оптичними антиподами:

Інший клас сполук, що мають хіральну вісь - оптично активні біфеніли, які мають орто-положеннях об'ємні заступники, що ускладнюють вільне обертання навколо С-З зв'язку, що з'єднує бензольні ядра:

Хіральна площинахарактеризується тим, що в неї можна розрізнити "верх" і "низ", а також "праву" та "ліву" сторони. Прикладом з'єднань з хіральною площиною можуть бути оптично активний транс-циклооктен та оптично активне похідне ферроцену:

Діастереомерія

З'єднання з декількома асиметричними атомами мають важливі особливості, що відрізняють їх від розглянутих раніше більш простих оптично активних речовин з одним центром асиметрії.

Припустимо, що в молекулі якоїсь речовини є два асиметричні атоми; позначимо їх умовно А та Б. Легко бачити, що можливі молекули з наступними комбінаціями (N=2 2 =4):

Молекули 1 та 2 являють собою пару оптичних антиподів; те саме відноситься і до пари молекул 3 і 4. Якщо ж порівнювати один з одним молекули з різних пар антиподів - 1 і 3, 1 і 4, 2 і 3, 2 і 4, то ми побачимо, що перелічені пари не є оптичними антиподами: конфігурація одного асиметричного атома вони збігається, конфігурація іншого - не збігається. Це пари діастереомірів , тобто. просторових ізомерів, не складових один з одним оптичних антиподів

Діастереомери відрізняються один від одного не тільки оптичним обертанням, а й усіма іншими фізичними константами: у них різні температури плавлення і кипіння, різні розчинності та ін.

Прикладом сполуки даного типу може бути хлоряблучна кислота (2 різних хіральних центри):

Її стереоізомерні форми мають такі проекційні формули:

еритро-форми

трео-форми

Назви еритро- І трео- походять від назв вуглеводів еритрози та треози. Ці назви використовують із зазначення взаємного становища заступників у сполук із двома асиметричними атомами: еритро -ізомерами називають ті, у яких два однакових бічних заступники стоять у стандартній проекційній формулі на одній стороні (праворуч або ліворуч, два кінці літери Е); трео -ізомери мають однакові бічні замісники на різних сторонах проекційної формули. Два еритро-ізомеру являють собою пару оптичних антиподів, при їх змішуванні утворюється рацемат. Парою оптичних ізомерів є і трео-форми; вони теж дають при змішуванні рацемат, що відрізняється за властивостями від рацемату. еритро-форми. Таким чином, всього існують чотири оптично активні ізомери хлорябкової кислоти і два рацемати.

Число стереоізомерів може зменшуватися через часткову симетрію, що з'являється в деяких структурах. Прикладом може бути винна кислота, яка має кількість індивідуальних стереоізомерів скорочується до трьох. Їхні проекційні формули:

Іа

III

Формула I ідентична з формулою Iа, так як перетворюється на неї при повороті на 180 про площині креслення і, отже, не зображує нового стереоізомеру. Це оптично неактивна модифікація називається мезо-форма . Мезоформи є у всіх оптично активних речовин з декількома однаковими (тобто пов'язаними з однаковими замісниками) асиметричними центрами. Проекційні формули мезо-форм завжди можна дізнатися з того, що їх можна розділити горизонтальною лінією на дві половини, які за записом на папері формально ідентичні, насправді ж дзеркальні (площина внутрішньої симетрії):

Формули II та III зображують оптичні антиподи винної кислоти; при їх змішуванні утворюється оптично неактивний рацемат – виноградна кислота.

Номенклатура оптичних ізомерів

Найпростіша, найстаріша, проте й нині ще вживана система номенклатури оптичних антиподів, заснована на порівнянні проекційної формули званого антипода з проекційною формулою якоїсь стандартної речовини, обраної як "ключ". Так, для -оксикислот і -амінокислот ключем є верхня частина їх проекційної формули (у стандартному записі):

Конфігурацію всіх α-оксикислот, що мають у стандартно написаній проекційній формулі Фішера гідроксильну групу зліва, позначають знаком L; якщо ж гідроксил розташований у проекційній формулі праворуч – знаком D

Ключем для позначення конфігурації сполук є гліцериновий альдегід:

У молекулах цукрів позначення D-або L-відноситься до конфігурації нижньогоасиметричний центр.

Система D-,L-позначень має суттєві недоліки: по-перше, позначення D-або L-вказує конфігурацію тільки одного асиметричного атома, по-друге, для деяких сполук виходять різні позначення, залежно від того, чи взятий як ключ гліцериновий альдегід або оксикислотний ключ, наприклад:

Ці недоліки системи ключів обмежують її застосування нині трьома класами оптично активних речовин: цукрами, амінокислотами та оксикислотами. На загальне застосування розрахована R,S-система Кана, Інгольда та Прелога.

Для визначення R або S-конфігурації оптичного антипода необхідно розташувати тетраедр замісників навколо асиметричного вуглецевого атома таким чином, щоб молодший заступник (зазвичай це водень) мав напрямок "від спостерігача". Якщо рух при переході по колу трьох інших заступників від старшого до середнього за старшинством і потім до наймолодшого відбувається проти годинникової стрілки - це S -ізомер (асоціюється з таким самим рухом руки при написанні літери S), якщо за годинниковою стрілкою - це R- ізомер (асоціюється з рухом руки під час написання літери R).

Для визначення старшинства заступників у асиметричного атома використовуються правила підрахунку атомних номерів, вже нами розглянуті у зв'язку з Z,E-номенклатурою геометричних ізомерів.

Для вибору R,S-позначень за проекційною формулою необхідно шляхом парного числа перестановок (що не змінюють стереохімічного змісту формули) розмістити заступники так, щоб молодший з них (зазвичай водень) виявився внизу проекційної формули. Тоді старшинство решти трьох заступників, що падає за годинниковою стрілкою, відповідає позначенню R, проти годинникової стрілки - позначенню S:

ІІ.1. Конформації (поворотна ізомерія)

Перехід від найпростішого органічного вуглеводню - метану, для його найближчого гомологу - етану ставить проблеми просторової будови, на вирішення яких недостатньо знати розглянуті розділ параметри. Справді, не змінюючи ні валентних кутів, ні довжин зв'язків, можна уявити безліч геометричних форм молекули етану, що відрізняються один від одного взаємним поворотом вуглецевих тетраедрів навколо зв'язку С-С, що з'єднує їх. Внаслідок такого обертання виникають поворотні ізомери (конформери) . Енергія різних конформерів неоднакова, але енергетичний бар'єр, що розділяє різні поворотні ізомери, більшість органічних сполук невеликий. Тому за звичайних умов, як правило, не можна зафіксувати молекули в одній строго певній конформації: зазвичай у рівновазі співіснують кілька поворотних форм, що легко переходять одна в одну.

Способи графічного зображення конформацій та його номенклатура такі. Розгляд почнемо із молекули етану. Для неї можна передбачати існування двох конформацій, що максимально розрізняються по енергії. Вони зображені нижче у вигляді перспективних проекцій (1) ("лісопильні козли"), бічних проекцій (2) та формул Ньюмена (3).

У перспективній проекції (1а, 1б) зв'язок С-С треба уявити собі вдалину; вуглецевий атом, що стоїть зліва, наближений до спостерігача, стоїть праворуч - віддалений від нього.

У бічній проекції (2а, 2б) чотири Н-атоми лежать у площині креслення; атоми вуглецю насправді дещо виходять із цієї площини, але зазвичай спрощено вважають їх також лежать у площині креслення. "Жирні" клиноподібні зв'язки потовщенням клина показують на вихід з площини до спостерігача того атома, до якого звернено потовщення. Пунктирні клиноподібні зв'язки відзначають віддалення від спостерігача.

У проекції Ньюмена (3а, 3б) молекулу розглядають уздовж зв'язку С-С (у напрямку, вказаному стрілкою на формулах 1а, б). Три лінії, що розходяться під кутом 120 про з центру кола, позначають зв'язки найближчого до спостерігача вуглецевого атома; лінії, що "висовуються" через коло - зв'язки віддаленого вуглецевого атома.

Зображену ліворуч конформацію називають заслоненою : назва ця нагадує про те, що атоми водню обох СН 3 -груп знаходяться один проти одного. Затулена конформація має підвищену внутрішню енергію, і тому невигідна. Конформацію, зображену праворуч, називають загальмованою , Маючи на увазі, що вільне обертання навколо зв'язку С-С "гальмується" у цьому становищі, тобто. молекула існує переважно у цій конформації.

Мінімум енергії, необхідний для повного обертання молекули навколо певного зв'язку називається бар'єром обертання для зв'язку. Бар'єр обертання в молекулі, подібній до етану, може бути виражений через зміну потенційної енергії молекули як функції зміни двогранного (торсійного) кута системи. Двогранний кут (тау, що позначається) зображений на малюнку, наведеному нижче:

Енергетичний профіль обертання навколо зв'язку С-С в етані показано на малюнку. Обертання "заднього" атома вуглецю зображено зміною двогранного кута між двома показаними атомами водню. Для простоти інші атоми водню опущені. Бар'єр обертання, що розділяє дві форми етану, становить лише 3 ккал/моль (12.6 кДж/моль). Мінімуми кривої потенційної енергії відповідають загальмованим конформаціям, максимуми – заслоненим. Оскільки при кімнатній температурі енергія деяких зіткнень молекул може досягати 20 ккал/моль (близько 80 кДж/моль), цей бар'єр в 12.6 кДж/моль легко долається і обертання в етані розглядають як вільне.

Наголосимо, що кожна точка на кривій потенційної енергії відповідає певній конформації. Крапки, що відповідають мінімумам, відповідають конформаційним ізомерам, тобто переважним компонентам у суміші всіх можливих конформацій .

З ускладненням молекули число можливих конформацій, що помітно відрізняються по енергії, зростає. Так, для н-бутану можна зобразити вже шість конформацій, що відрізняються взаємним розташуванням СН 3 -груп, тобто. поворотом навколо центрального зв'язку С-С. Нижче конформації н-бутану зображені у вигляді проекцій Ньюмена. Зображені зліва (заслонені) конформації енергетично невигідні, практично реалізуються лише загальмовані.

Різні заслонені та загальмовані конформації бутану неоднакові щодо енергії. Відповідні енергії всіх конформацій, що виникають при обертанні навколо центрального С-З зв'язку, представлені нижче:

У міру ускладнення молекули кількість можливих конфомацій зростає.

Отже, конформації - це різні неідентичні просторові форми молекули, мають певну конфігурацію. Конформери - це стереоізомерні структури, що знаходяться в рухомій рівновазі та здатні до взаємоперетворення шляхом обертання навколо простих зв'язків.

Іноді бар'єр таких перетворень стає досить високим, щоб розділити стереоізомерні форми (приклад – оптично активні дифеніли; ). У таких випадках говорять уже не про конформери, а про реально існуючі стереоізомерах .

ІІ.2. Геометрична ізомерія

Важливе наслідок жорсткості подвійного зв'язку (відсутності обертання навколо неї) – існування геометричних ізомерів . Найпоширеніші з них – це цис-транс-ізомери сполук етиленового ряду, що містять у ненасичених атомів неоднакові замісники. Найпростішим прикладом можуть бути ізомери бутена-2.

Геометричні ізомери мають однакову хімічну будову (однаковий порядок хімічного зв'язку), розрізняючись за просторовим розташуванням атомів, конфігурації . Ця різниця і створює різницю у фізичних (а також хімічних властивостях). Геометричні ізомери, на відміну конформерів, можуть бути виділені в чистому вигляді і існують як індивідуальні, стійкі речовини. Для взаємного перетворення необхідна зазвичай енергія порядку 125-170 кДж/моль (30-40 ккал/моль). Цю енергію можна повідомити нагріванням чи опроміненням.

У найпростіших випадках номенклатура геометричних ізомерів не становить труднощів: цис- формами називають геометричні ізомери, у яких однакові замісники лежать по один бік від площини пі-зв'язку, транс- ізомери мають однакові замісники на різних сторонах від площини пі-зв'язку. У складніших випадках застосовується Z,E-номенклатура . Її головний принцип: для позначення конфігурації вказують цис-(Z, від німецької Zusammen - разом) або транс-(Е, від німецької Entgegen - навпаки) розташування старших заступників при подвійному зв'язку.

У Z,E-системі старшими вважаються заступники з великим атомним номером. Якщо атоми, безпосередньо пов'язані з ненасиченими вуглецями, однакові, то переходять до "другого шару", у разі потреби - до "третього шару" тощо.

Розглянемо застосування правил Z,E-номенклатури двох прикладах.

Почнемо з формули I, де все вирішується атомами "першого шару". Розставивши їх атомні номери, отримаємо, що старші заступники кожної пари (бром у верхній частині формули та азот у нижній) знаходяться в транс-положенні, звідси випливає стереохімічне позначення Е:

Е-1-бром-1-хлор-2-нітроетен

Для визначення стереохімічного позначення структури II необхідно шукати різницю у "вищих шарах". По першому шару групи СН 3 З 2 Н 5 З 3 Н 7 не відрізняються. У другому шарі у групи СН 3 сума атомних номерів дорівнює трьом (три атоми водню), у груп С 2 Н 5 і С 3 Н 7 - по 8. Значить, група СН 3 не розглядається - вона молодша за два інші. Таким чином, старші групи - це С 2 Н 5 і С 3 Н 7, він знаходяться в цис-положенні; стереохімічне позначення Z.

Z-3-метилгептен-3

Якби знадобилося визначити, яка група старша - З 2 Н 5 або З 3 Н 7 довелося б перейти до атомів "третього шару", сума атомних номерів у цьому шарі для обох груп виявилися б відповідно рівними 3 і 8, тобто. З 3 Н 7 старше, ніж З 2 Н 5 . У складніших випадках визначення старшинства треба враховувати додаткові умови, а саме: атом, пов'язаний подвійним зв'язком, вважається двічі, пов'язаний потрійний - тричі; у складі ізотопів старше тяжчий (дейтерій старше водню) та інших.

Зазначимо, що позначення Z не є синонімами цис-позначень, як і позначення Е не завжди відповідають розташуванню транс-, наприклад:

цис- 1,2-дихлорпропен-1 цис- 1,2-дихлор-1-бромпропен-1

Z-1,2-дихлорпропен-1 Е-1,2-дихлор-1-бромпропен-1

Контрольні завдання

1. Бомбікол - феромон (статевий атрактант) тутового шовкопряда - являє собою E-10-Z-12-гексадекадієнол-1. Зобразіть його структурну формулу.

2. Назвіть за Z, E-номенклатурою такі з'єднання:

ІІ.3. Оптична ізомерія (енантіомерія)

Серед органічних сполук зустрічаються речовини, здатні обертати площину поляризації світла. Це явище називають оптичною активністю, а відповідні речовини - оптично активними . Оптично активні речовини зустрічаються у вигляді пар оптичних антиподів - ізомерів, фізичні та хімічні властивості яких у звичайних умовах однакові, за винятком одного – знака обертання площини поляризації. (Якщо один із оптичних антиподів має, наприклад, питоме обертання [ПРИМ.1] +20 про, то інший - питоме обертання -20 про).

ІІ.4. Проекційні формули

Для умовного зображення асиметричного атома на площині користуються проекційними формулами Е.Фішера . Їх одержують, проецируя на площину атоми, із якими пов'язаний асиметричний атом. При цьому сам асиметричний атом, як правило, опускають, зберігаючи лише лінії, що перехрещуються, і символи заступників. Щоб пам'ятати про просторове розташування заступників, часто зберігають у проекційних формулах уривчасту вертикальну лінію (верхній та нижній заступник видалені за площину креслення), проте часто цього не роблять. Нижче наведено різні способи запису проекційної формули, що відповідає лівій моделі на попередньому малюнку:

Наведемо кілька прикладів проекційних формул:

(+)-аланін (-)-бутанол (+)-гліцериновий альдегід

При назвах речовин наведено їх знаки обертання: це означає, наприклад, що лівообертальний антипод бутанолу-2 має просторову конфігурацію , що виражається саме наведеною вище формулою, а її дзеркальне зображення відповідає правообертального бутанолу-2. Визначення конфігурації оптичних антиподів проводиться експериментально [ПРИМ.3] .

У принципі, кожен оптичний антипод може бути зображений дванадцятьма (!) різними проекційними формулами - залежно від того, як розташована модель під час проекції, з якого боку ми дивимося на неї. Щоб стандартизувати проекційні формули, запроваджено певні правила їх написання. Так, головну функцію, якщо вона стоїть наприкінці ланцюга, прийнято ставити нагорі, головний ланцюг зображати вертикально.

Щоб зіставляти " нестандартно " написані проекційні формули, треба знати такі правила перетворення проекційних формул.

1. Формули можна обертати у площині креслення на 180 о, не змінюючи їх стереохімічного сенсу:

4. Поворот у площині креслення на 90 про перетворює формулу на антиподну, якщо при цьому одночасно не змінити умову розташування заступників щодо площини креслення, тобто. не вважати, що тепер бічні заступники знаходяться за площиною креслення, а верхній та нижній – перед нею. Якщо користуватися формулою з пунктиром, то орієнтація пунктира, що змінилася, прямо нагадає про це:

6. Проекційні формули не можна виводити з площини креслення (тобто не можна, наприклад, розглядати їх "на просвіт" зі зворотного боку паперу – при цьому стереохімічний зміст формули зміниться).

ІІ.5. Рацемати

Якщо у формулі речовини є асиметричний атом, це зовсім не означає, що така речовина матиме оптичну активність. Якщо асиметричний центр виникає під час нормальної реакції (заміщення групи СН 2 , приєднання з подвійного зв'язку тощо.), то можливість створення обох антиподних змін однакова. Тому, незважаючи на асиметрію кожної окремої молекули, речовина, що виходить, виявляється оптично неактивним. Такі оптично неактивні модифікації, що складаються з рівної кількості обох антиподів, називаються рацематами [ПРИМ.4] .

ІІ.6. Діастереомерія

Припустимо, що в молекулі якоїсь речовини є два асиметричні атоми; позначимо їх умовно А та Б. Легко бачити, що можливі молекули з наступними комбінаціями:

Молекули 1 та 2 являють собою пару оптичних антиподів; те саме відноситься і до пари молекул 3 і 4. Якщо ж порівнювати один з одним молекули з різних пар антиподів - 1 і 3, 1 і 4, 2 і 3, 2 і 4, то ми побачимо, що перелічені пари не є оптичними антиподами: конфігурація одного асиметричного атома вони збігається, конфігурація іншого - не збігається. Все це пари діастереомірів , тобто. просторових ізомерів, не складових один з одним оптичних антиподів

Прикладом сполуки даного типу може бути хлоряблочна кислота

Її стереоізомерні форми мають такі проекційні формули:

еритро-форми трео-форми

Два еритро-ізомеру являють собою пару оптичних антиподів, при їх змішуванні утворюється рацемат. Парою оптичних ізомерів є і трео-форми; вони теж дають при змішуванні рацемат, що відрізняється за властивостями від рацемату. еритро-форми. Таким чином, всього існують чотири оптично активні ізомери хлорябкової кислоти і два рацемати.

При подальшому зростанні числа асиметричних центрів кількість просторових ізомерів зростає, причому кожен новий асиметричний центр удвічі збільшує кількість ізомерів. Воно визначається формулою 2 n де n - число асиметричних центрів.

Формула I ідентична з формулою Iа: перетворюється на неї при повороті на 180 про площині креслення і, отже, не зображує нового стереоізомеру. Це оптично неактивна модифікація. мезо-форма . На відміну від рацемату, який може бути розщеплений на оптичні антиподи, мезо-форма принципово нерозщеплювана: кожна її молекула має один асиметричний центр однієї конфігурації, другий - протилежної. Через війну відбувається внутримолекулярная компенсація обертання обох асиметричних центрів.

Мезо-форми є у всіх оптично активних речовин з декількома однаковими (тобто пов'язаними з однаковими замісниками) асиметричними центрами [ПРИМ.6]. Проекційні формули мезо-форм завжди можна дізнатися з того, що їх завжди можна розділити горизонтальною лінією на дві половини, які за записом на папері формально ідентичні, насправді ж дзеркальні:

ІІ.7. Номенклатура оптичних ізомерів

Найпростіша, найстаріша, проте й нині ще вживана система номенклатури оптичних антиподів заснована на порівнянні проекційної формули званого антипода з проекційною формулою якоїсь стандартної речовини, обраної як "ключ". Так, для альфа-оксикислот та альфа-амінокислот ключем є верхня частина їх проекційної формули (у стандартному записі):

L-оксикислоти (Х = ВІН) D-оксикислоти (Х = ВІН)

L-амінокислоти (Х = NH 2) D-амінокислоти (Х = NH 2)

Конфігурацію всіх альфа-оксикислот, що мають у стандартно написаній проекційній формулі Фішера гідроксильну групу зліва, позначають знаком L; якщо ж гідроксил розташований у проекційній формулі праворуч – знаком D[ПРИМ.7] .

Ключем для позначення конфігурації цукрів служить гліцериновий альдегід:

L-(-)-гліцериновий альдегід D-(+)-гліцериновий альдегід

У молекулах цукрів позначення D-або L-відноситься до конфігурації нижньогоасиметричний центр.

Ці недоліки системи ключів обмежують її застосування нині трьома класами оптично активних речовин: цукрами, амінокислотами та оксикислотами. На загальне застосування розрахована "R,S-система Кана, Інгольда та Прелога [ПРИМ.8] .

Для визначення R або S-конфігурації оптичного антипода необхідно розташувати тетраедр замісників навколо асиметричного вуглецевого атома таким чином, щоб молодший заступник (зазвичай це водень) мав напрямок "від спостерігача". Тоді якщо рух при переході по колу трьох інших заступників від старшого до середнього за старшинством і потім до наймолодшого відбувається проти годинникової стрілки - це R -ізомер (асоціюється з таким самим рухом руки при написанні літери R), якщо за годинниковою стрілкою - це S- ізомер (асоціюється з таким самим рухом руки при написанні літери S).

Для визначення старшинства заступників у асиметричного атома використовуються правила підрахунку атомних номерів, які вже розглядалися у зв'язку з Z,E-номенклатурою геометричних ізомерів (див. ).

Для вибору R,S-позначень за проекційною формулою необхідно шляхом парного числа перестановок (що не змінюють стереохімічного змісту формули) розмістити заступники так, щоб молодший з них (зазвичай водень) виявився внизу проекційної формули. Тоді старшинство інших трьох заступників, що падає за годинниковою стрілкою, відповідає позначенню R, проти годинникової стрілки - позначенню S [ПРИМ.9] :

Контрольні завдання

3. Визначте конфігурацію асиметричного центру аскорбінової кислоти (вітаміну С) (по R,S-номенклатурі та порівняно з гліцериновим альдегідом):

4. Алкалоїд ефедрин має формулу:

Дайте назву цього з'єднання, використовуючи R,S-Номенклатуру.

5. Цистеїн - замінна амінокислота, що бере участь у регуляції процесів обміну речовин, є L-1-аміно-2-меркаптопропіонову кислоту. Зобразіть його структурну формулу і дайте назву за R,S-номенклатурі.

6. Левоміцетин (антибіотик широкого спектра дії) є D(-)-трео-1-пара-нітрофеніл-2-дихлорацетиламіно-пропандіол-1,3. Зобразіть його структуру як проекційної формули Фішера.

7. Синестрол – синтетичний естрогенний препарат нестероїдної будови. Дайте його назву із позначенням стереохімічної конфігурації:

ІІ.8. Стереохімія циклічних сполук

При замиканні ланцюга вуглецевих атомів плоский цикл валентні кути атомів вуглецю змушені відхилятися від свого нормального тетраедричного значення, причому величина цього відхилення залежить від числа атомів в циклі. Чим більший кут відхилення валентних зв'язків, тим більше має бути запас енергії молекули, тим менша стійкість циклу. Однак, плоска будова має лише тричленний циклічний вуглеводень (циклопропан); починаючи з циклобутану молекули циклоалканів мають хорошу будову, що знижує "напругу" в системі.

Молекула циклогексану може існувати у вигляді кількох конформацій, у яких зберігаються "нормальні" валентні кути (для спрощення показані лише атоми вуглецю):

Енергетично найвигіднішою є конформація I - так звана форма "крісла". Конформація II - "твіст" - займає проміжне становище: вона менш вигідна, ніж конформація крісла (через наявність у ній заслонено розташованих атомів водню), але вигідніша, ніж конформація III. Конформація ІІІ - "ванна" - найменш вигідна з трьох внаслідок значного відштовхування спрямованих верхів атомів водню.

Розгляд дванадцяти зв'язків С-Н у конформації крісла дозволяє поділити їх на дві групи: шість аксіальних зв'язків, спрямованих по черзі то вгору, то вниз і шість екваторіальних зв'язків, спрямованих у сторони. У монозаміщених циклогексанах заступник може бути або в екваторіальному, або в аксіальному положенні. Ці дві конформації зазвичай перебувають у рівновазі і швидко переходять одна в одну через конформацію твіст:

Екваторіальна конформація (е) зазвичай бідніша за енергію і тому вигідніша, ніж аксіальна (а).

З появою в циклах заступників (бічних ланцюгів) крім проблеми конформації самого циклу перед дослідником постають проблеми зміни заступників : так, у разі наявності двох однакових чи різних заступників з'являються цис-транс-ізомеру. Зазначимо, що говорити про цис-транс-конфігурації заступників має сенс лише у додатку до насичених малих і середніх циклів (до З 8): в кільцях з великою кількістю ланок рухливість стає настільки значною, що міркування про цис-або транс- Положення заступників втрачають сенс.

Так, класичним прикладом є стереоізомерні циклопропан-1,2-дикарбонові кислоти. Існують дві стереоізомерні кислоти: одна з них, що має т.пл. 139 про, здатна утворювати циклічний ангідрид і є, отже, цис-ізомером. Інша стереоізомерна кислота з т.пл. 175 про, циклічного ангідриду не утворює; це транс-ізомер [ПРИМ.10] :

У таких же відносинах один з одним знаходяться дві стереоізомерні 1,2,2-триметилциклопентан-1,3-дикарбонової кислоти. Одна з них камфорна кислота, т.пл. 187 про З, утворює ангідрид і, отже, є цис-ізомером. Інша – ізокамфорна кислота, т.пл. 171 про С - ангідриду не утворює, це транс-ізомер:

цис-транс-

Хоча молекула циклопентана насправді непогана, для наочності зручно зображати її в плоскому вигляді, як на наведеному вище малюнку, маючи на увазі, що в цис-ізомері два заступники знаходяться по один бік циклу , а в транс-ізомері - по різні боки циклу .

Дизаміщені похідні циклогексану також можуть існувати в цис- або транс-формі:

Пірамідальну конфігурацію мають хіральні центри, утворені атомами тривалентного азоту, фосфору, миш'яку, сурми, сірки. В принципі, центр асиметрії можна вважати тетраедричним, якщо як четвертий заступник прийняти неподілену електронну пару гетероатома:

Оптична активність може виникати і без хірального центру, за рахунок хіральності структури всієї молекули в цілому ( молекулярна хіральність або молекулярна асиметрія ). Найбільш характерними прикладами є наявність хіральної осі або хіральної площини .

Хіральна вісь виникає, наприклад, в аленах, що містять різні заступники при sp 2-гібридних вуглецевих атомах Легко бачити, що наведені нижче сполуки є дзеркальними зображеннями, а отже, оптичними антиподами:

Вісь хіральності показано на малюнках стрілкою.

Інший клас сполук, що мають хіральну вісь - оптично активні біфеніли, що мають орто-положеннях об'ємні заступники, що ускладнюють вільне обертання навколо С-З зв'язку, що з'єднує аренові кільця:

Хіральна площина характеризується тим, що в неї можна розрізнити "верх" і "низ", а також "праву" та "ліву" сторони. Прикладом з'єднань з хіральною площиною можуть бути оптично активний транс-циклооктен та оптично активне похідне ферроцену.