В.П.Дядченко "Введение в стереохимию" (7). Органическая химия R s конфигурации

В.П.Дядченко "Введение в стереохимию" (7). Органическая химия R s конфигурации

Как обозначить конфигурацию соединения, чтобы по названию можно было изобразить пространственное расположение групп у хирального атома углерода? Для этого используют R,S -систему, предложенную К. Ингольдом, Р. Каном, З. Прелогом. R,S -система основана на определении старшинства заместителей вокруг хирального центра. Старшинство групп определяется следующим образом:

1). Атом с большим атомным номером является старшим относительно атома с меньшим атомным номером.

2). Если непосредственно соединенные с углеродом С* атомы одинаковы, то необходимо рассмотреть старшинство последующих атомов.

Например, как определить старшую из групп: -C 2 Н 5 и СН(СН 3) 2 в соединении

В этильной группе за атомом, соединённым с хиральным центром, следуют Н, Н и С, а в изопропильной группе - Н, С и С. Сравнивая эти группы между собой, устанавливаем, что изопропильная группа старше, чем этильная.

3). Если хиральный углерод С* соединён с атомом, имеющим кратную связь, то связи этого атома следует представить как простые связи.

4). Для того, чтобы установить конфигурацию молекулы, её располагают так, чтобы связь хирального центра с младшей группой под номером 4 была направлена от наблюдателя, и определяют расположение оставшихся групп (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Определение R,S -конфигураций

Если старшинство групп убывает (1®2®3) по часовой стрелке, то конфигурация хирального центра определяется как R (от латинского слова “rectus” - правый). Если старшинство заместителей убывает против часовой стрелки, то конфигурация хирального центра - S (от латинского “sinister” - левый).

Знак оптического вращения (+) или (-) определяется экспериментально и не связан с обозначением конфигурации (R ) или (S ). Например, правовращающий 2-бутанол имеет (S )-конфигурацию.

Для того, чтобы определить конфигурацию соединения, изображённого проекционной формулой Фишера поступают следующим образом.

1). Выполняют чётное число перестановок заместителей у хирального центра (нечётное число перестановок приведёт к энантиомеру) так, чтобы младший заместитель под номером 4 оказался вверху или внизу.



2). Определяют расположение оставшихся групп, обходя их в порядке убывания старшинства. Если старшинство заместителей убывает по часовой стрелке, то исходную конфигурацию определяют как R -конфигурацию, если против часовой стрелки, то конфигурацию определяют как S -конфигурацию.

Если преобразовать проекционную формулу непросто, можно установить порядок уменьшения старшинства, отбросив младший заместитель, стоящий сбоку, но выбрать для обозначения конфигурации «обратный» символ. Например, в исходном соединении

отбросив младший заместитель (H), устанавливаем порядок уменьшения старшинства: 1→2→3. Получаем обозначение (S ), меняем его на (R ) и получаем правильное название: (R )-2-хлорэтансульфоновая кислота.

Среди соединений, содержащих замкнутую сопряженную систему π-электронов, интересны ароматические соединения. Несмотря на высокую сте­пень ненасыщенности, ароматические соединения устойчивы к действию окислителей и температуры, они более склонны вступать в реакции замеще­ния, а не присоединения. Эти соединения обладают повышенной термодина­мической стабильностью по сравнению с сопряженными системами с откры­той цепью. Известна также тенденция некоторых циклических соединений превращаться при благоприятных условиях в ароматические.

К ароматическим соединениям прежде всего относятся бензол и вещест­ва, сходные с ним. Но могут иметь и существенно отличающуюся структуру. Замкнутая цепь может состоять не только из 12 С (карбоциклы), но и содержать гетероатомы (гетероциклы). Единая замкнутая система π-электронов может образовываться посредством как π,π-, так и р,π-сопряжения. Совокупность характерных свойств сопряженных систем была объеди­нена понятием ароматичности. В 1865 г. Ф. А. Кекуле предложил описывать бензол при помощи двух структур, между которыми ос­циллирует молекула бензола. Но индивидуальная структура Кекуле не может объяс­нить симметрию и характерную реакционную способность бензола. Бензол представляет собой плоский правильный шестиугольник с валентными углами 120°. Все 12 С- 12 С связи равноценны, длина их составляет 0,139 нм, т. е. является промежуточной между длинами одинарной и двойной связей. Все 12 С находятся в sp 2 -гибридизации, и все σ-связи С-С и С-Н в одной плоскости.

Каждый 12 С в молекуле бензола имеет одну негибридизованную р-орбиталь. Шесть этих орбиталей располагаются перпендикулярно плоскому σ-скелету и параллельно друг другу. При их взаимном перекрывании образуется единое π-электронное облако, т. е. осуществляется круговое сопряжение. π-Электронная плотность равномерно распределена по всей циклической системе.

Определение теплот сгорания или гидрирования циклических соединений и сравнение экспериментальных значений с рассчитанными, исходя из пред­положения, что соединение содержит только изолированные двойные связи, является одним из доказательств ароматичности. При гидрировании циклогексена до циклогексана выделяется 120 кДж/моль теплоты.

Если представить бензол структурой Кекуле с тремя двойными связями, то теплота гидрирования бензола должна быть в три раза больше теплоты гидрирования циклогексена:

Экспериментально определяемая величина намного меньше. Следователь­но, бензол обладает меньшей энергией, чем гипотетический циклогексатриен. 151 кДж/моль - эмпирическую энергию сопряжения (энергию делокализации). Для бензола энергия сопряжения на порядок выше, чем для бутадиена-1,3. Чтобы нарушить ароматическую систему бензола, нужно затратить количество энер­гии, равное этому значению.

Критерии ароматичности. На основании теоретических расчетов и экс­периментального изучения циклических сопряженных систем было установ­лено, что соединение ароматично, если оно имеет:

    плоский циклический σ-скелет;

    сопряженную замкнутую π-электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую 4п + 2π- электронов, где п = 0, 1, 2, 3 и т. д. – правило Хюккеля.

Критерии ароматичности позволяют отличать сопряженные ароматические системы от всех других. Бензол содержит секстет π-электронов и соответствует правилу Хюккеля при п = 1.

Конденсированные ароматические системы. Правило Хюккеля было сформулировано для плоских моноциклических систем. Но его можно приме­нить и к плоским конденсированным системам, в которых нет атомов, являю­щихся общими более чем для двух циклов. К таким системам относятся мно­гоядерные ароматические углеводороды - нафталин, антрацен, фенантрен:

В этих соединениях все атомы углерода находятся в состоянии sp 2 -гибри­дизации, циклический σ-скелет плоский, π-электронное облако охватывает все атомы углерода циклов, число π-электронов подчиняется правилу Хюкке­ля. В конденсированных аренах нет полной выравненности электронной плотности, и они менее термодинамически стабильны.

Многие ароматические полициклические углеводороды обладают канце­рогенными свойствами и интенсивно изучаются в связи с проблемами возник­новения и профилактики рака. Некоторые канцерогенные ароматические со­единения обнаружены в табачном дыме.

Небензоидные ароматические соединения. Существуют циклические сопряженные системы, не содержащие шестичленных циклов, но соответст­вующие критериям ароматичности и обладающие ароматическими свойства­ми. Правило Хюккеля не ограничивает проявление ароматичности только нейтральными частицами. Ароматическими могут быть карбанионы и карбокатионы.

Нейтральная молекула циклопентадиена не является ароматической, (один 12 С в sp 3 -гибридизации и не имеет р- АО, цикл не плоский). Атомы водорода метиленовой группы весьма подвижны. При дейст­вии на циклопентадиен натрием в тетрагидрофуране или гидридом натрия в 1,2-диметоксиэтане отщепляется протон и образуется циклопентадиенид-ион:

После разрыва связи С-Н у 12 С остается два электрона. Теперь все атомы углерода находятся в sp 2 -гибридном состоянии, в молекуле имеются плоский циклический σ-скелет и единая замкнутая сопряженная система, со­держащая на пяти p-орбиталях шесть π-электронов. Это соответствует всем критериям ароматичности. Чтобы отра­зить равномерное распределение «-» заряда, циклопентадиенид-ион изображают структурой с кружком и знаком «минус» в кружке:

Циклопентадиенид-ион это π-избыточная система, высту­пать донором электронной плотности по отношению к атомам или молекулам с вакантными орбиталями. Он образует с ионами металлов металлоцены (ферроцен). В ферроцене ион железа находится на равном расстоянии между двумя па­раллельными плоскостями циклопентадиенид-ионов - «сендвичевая структура». Производное ферроцена - ферроцерон - стимулирует процессы кроветворения и применяется при анемиях.

Циклогептатриен - циклическая система, содержащая семь 12 С и 6 π-электронов. И в этом случае 12 С метиленовой груп­пы находится в состоянии sp 3 -гибридизации и не имеет p-орбитали. При от­щеплении от метиленовой группы водорода в виде гидрид-иона образуется циклогептатриенил-катион (тропилий-катион):

В тропилий-катионе седьмая р-орбиталь вакантна и перекрывается с соседними p-орбиталями с образованием единой со­пряженной системы. Он удовлетворяет критериям ароматич­ности. Положительный заряд равномерно распределяется по всей системе. Се­мичленное кольцо лежит в одной плоскости, расстояния С-С равны 0,140 нм. В природе распространена семичленная ароматическая система трополона. Некоторые производные трополона являются природны­ми антибиотиками - фунгицидами.

Еще одним примером небензоидных ароматических соединений - азулен. Это углеводород, содержащий конденсирован­ные семичленный и пятичленный циклы. Каждый из 10 12 С находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Единая сопряженная систе­ма содержит 10 π-электронов. Азулен ароматичен и обладает высокой энерги­ей стабилизации (180 кДж/моль). В отличие от других ароматических углево­дородов, азулен (I) обладает дипольным моментом. Наличие дипольного момента заставляет предполагать, что значительный вклад в строение азулена вносит структура (II), в которой одно кольцо представляет собой циклопентадиенид-ион, а второе - ароматический тропилий-катион:

4.D, L -Система обозначения стереоизомеров.

В ряде случаев предпочитают пользоваться не R,S -системой обозначения абсолютной конфигурации, а другой, D,L -системой. Выбор D или L обоpyачения изомера основан на определенном расположении регерной группы в проекции Фишера. D , L -Номенклатура широко используется в названиях -амино, -гидроксикислот и углеводов.

По этой системе L -конфигурация приписывается стереозомеру, у которого в проекций Фишера реперная группа находится слева от вертикальной линии (от лат. "laevus" -левый). Соответственно, если реперная группа расположена в проекции Фишера справа, стереоизомер имеет D - конфигурацию (от лат. "dexter" - правый):

Конечно, надо помнить, что в проекции Фишера вверху располагает наиболее окисленный атом углерода (то есть, группу СООН в амино- и гидроксилкслотах и группу СН=О в углеводах).

Амино и гидроксикислоты

В -амино- и -гидроксикислотах реперными группами служат, соответственно, группы NH 2 и ОН:

Если в амино- или гидроксикислоте есть несколько амино- или гидрокси-групп, то указывают их взаимное расположение, пользуясь приставками "эритро", "трео" и.п. Отнесение кислоты к D- или L-ряду при этом определяет NH 2 или ОН-группа, находящаяся в - положении к СООН-группе, расположенной вверху в проекции Фишера:

В этом случае буквы D и L, указывающие положение реперной группы, снабжены индексом "S". Это делается во избежание путаницы. Индекс "S" подчеркивает, что указана конфигурация именно верхнего хирального центра, находящегося относительно карбоксильной группы в - положении, как и в аминокислоте серине ("S" - от слова "serine").

Для гидроксикислот с несколькими ОН-группами, а также аминогидроксикислот используют и альтернативный вариант обозначения конфигурации, в котором реперной группой является самая нижняя в проекции Фишера НО- группа. При этом конфигурационные дескрипторы D и L снабжаются подстрочным индексом "g" (от "glyceric aldehyde"). В этом случае изображенные на рис.123 и 124 аминокислоты получают названия: D g -треонин ( L s - треонин) и L g -треонин ( D s -треонин).

Углеводы .

В углеводах реперной группой является самая нижняя в проекции Фишера гидроксильная группа, связанная с аиммтрическим атомом углерода

Очевидно, что в случае молекул с одним асимметрическим атомом D,L -номенклатура, как и R,S -номенклатура однозначно говорит об абсолютной конфигурации центра хиральности. То же самое относится к применению D,L -наименования стереоизомеров с несколькими асимметрическими атомами, поскольку в этом случае конфигурация остальных центров хиральности задается приставками эритро-, трео-, рибо-, ликсо- и т.п. Так, если мы скажем "треоза", то зададим только относительную конфигурацию асимметрических атомов в молекуле. Тогда будет неясно, о каком именно энантиомере идет речь: (26) или (27), Если же мы скажем "D-треоза", то однозначно укажем, что имеется в виду изомер (26), поскольку в нем реперная группа ОН расположена справа в проекции Фишера:

Таким образом, название "D-треоза" (как и "L-треоза") говорит об абсолютной конфигурации обоих асимметрических атомов в молекуле.
Как и R,S -номенклатура, D,L-система обозначения стереоизомеров не связана со знаком оптического вращения.
Следует отметить, что ранее для обозначения направления вращения плоскости поляризации света использовались строчные буквы d (вправо) и l (влево). Не следует путать применение этих букв с использованием прописных букв D и L для обозначения конфигурации молекул. В настоящее время направление вращения плоскости поляризации света принято обозначать символами (+) и (-).

5.Хиральные молекулы без асимметрических атомов

В предыдущих разделах были рассмотрены молекулы, хиральность которых обусловлена определенным npocтранственным расположением четырех разных атомов или групп атомов относительно некоторого центра, называемого центром хиральности.

Возможны случаи, когда подобных центров в молекуле нет, но тем не менее молекула хиральна, поскольку в ней отсутствуют элементы симметрии группы S n . В таких случаях энантиомеры различаются расположением атомов относительно некоторой оси или плоскости, которые называют осью хиральности или плоскостью хиральностию. Ось хиральности встречается, например, в молекулах кумуленов.
Строение молекулы простейшего кумулена - аллена - такого, что два его фрагмента СН 2 находятся в двух взаимно перлендикулярных плоскостях:

Молекула аллена ахиральна: в ней есть две плоскости симметрии (показаны на рисунке). Ахиральны также молекулы бутадиена-1,2 и 3-метил-бутадиена-1,2

Если же мы рассмотрим молекулу пентадиена-2,3, то увидим, что в ней нет плоскостей симметрии (как нет и других элементов симметрии группы Sn). Этот диен существует в виде пары энантиомеров:

Хиральность молекул (28) и (29) обусловлена определенным простарственным расположением заместителей относительно оси (показана на рисунке), проходящей через атомы углерода, связанные двойными связями. Эту ось называют осью хиральности . О молекулах, подобных (28) и (29) говорят, что они обладают осевой хиральностью.

Оси хиральности имеются и в молекулах некоторых других соединений, например, спиросоединениях (спиранах):

Упомянутые антропоизомеры орто-дизамещенных бифенилов также представляют собой молекулы с осевой хиральностью.Примерами молекул с плоскостью хиральности могут служить молекулы пара-циклофанов:

Изображенные здесь энантиомеры не могут превратиться друг в друга за счет поворота вокруг -связей в силу пространственых требованй входящих в состав этих молекул фрагментов.

Для обозначения конфигурации молекул с осевой и плоскостной хиральностью можно использовать R,S-номенклатуру. Интересующиеся могут найти описание принципов отнесения конфигурации к R или S для таких молекул в издании ВИНИТИ: Hoмeнклатурные правила ИЮПАК по химии, т.3, полутом2, М., 1983.

6.К правилу последовательности в R,S - номенклатуре.

В ряде случаев при определении порядка старшинства заместителей встречаются осложнения.Рассмотрим некоторые из них.

Пример 1.

Очевидно, что в данном случае младшими заместителями при асимметрическом атоме углерода, отмеченном звездочкой, являются Н (d) и СН 3 (с). Рассмотрим два оставшихся сложных заместителя, расположив в них атомы по слоям.

В первом слое обоих заместителей атомы одинаковы. Во втором слое набор атомов также одинаков. (Н,С,О). Поэтому нам необходимо обратиться к третьему слою атомов. При этом в левом и правом заместителях следует в первую очередь сравнивать атомы Ш слоя, связанные со старшими атомами II- слоя (то есть рассматривать "старшие ветви " обоих заместителей). В данном случае речь идет об атома, связанных с атомом кислорода П слоя. Поскольку в правом заместителе с атомом кислорода связан атом С, а в левом - атом Н, правый заместитель получает преимущество в сташинстве:

Соединению следует приписать R-конфигурацию:

Если бы атомы "старшей ветви" в третьем слое оказались одинаковы, например, оба С, то надо было бы сравнивать атомы того же III слоя, но уже в младшей ветви. Тогда подучил бы преимущество левый заместитель. Однако, мы не достигаем этого пункта в наших сравнениях, так как можем сделать выбор уже на основании различия атомов Ш слоя старшей ветви.

Совершенно аналогично выбор порядка старшинства осуществляется, например, между такими заместителями:

Пример 2.
Может встретиться ситуация, когда для выбора старшего заместителя необходимо "пройди" через кратную связь. В таком случае прибегают к помощи так называемых фантомных атомов, имеющих нулевой атомный номер (то есть априорно самых младших) и валентность, равную 1.

В этом примере примере надр сделать выбор между левым и правим углеродсодержащими заместителями. Рассмотрим их, предварительно "раскрыв" двойную С=С связь первого заместителя. При этом появятся дублированнве атомы (выделены кружками). К дубликатам атомов присоединим фантомные атосмы (обозначим их буквой ф) так, чтобы довести валентность каждого до 4:

Теперь мы можем провести сравнение левого и правого заместителей:

Различие в третьем слое атомов позволяет отдать предпочтение в старшинстве правому заместителю:

Следовательно, соединение имеет R-конфигурацию.

Пример 3. В ряде случаев два заместителя при асимметрическом атоме структурно одинаковы, но различаются лишь абсолютной конфигурацией хиральных центров. Тогда принимают, что-R-конфигурация старше S-конфигурации . В соответствии с этим, центральному атому углерода в приведенном ниже примере следует приписать S-конфигурацию:

Пример 4 . Изложенные выше принципы применимы также для описания абсолютной конфигурации асимметрических атомов с тремя заместителями (атомы азота, фосфора, серы). При этом в качестве четвертого заместителя используют фантомный атом, который всегда является самым младшим (в роли фантомного атома можно рассматривать неподеленную пapy электронов):

Пример 5. Иногда для выбора старшинства заместителей приходится "раскрывать" цикл, подобно тому, как производят "раскрытие" кратной связи.

В данном случае легко определить самый старший (О) и самый младший (Н) заместители при атоме углерода, отмеченном звездочкой. Для того, чтобы сделать выбор между атомами углерода 1 Си 2 С, следует "раскрыть" цикл по связи 2 С- О согласно следующей схеме (дубликаты атомов выделены кружками):

В этом случае, в отличие от "раскрытия" кратных связей, дублированные атомы уже не представляют собой "тупиковые" ветви, а находят продолжение в повторении атома, отмеченного звездочкой. То есть, процедура "раскрытия" цикла заканчивается тогда, когда на концах обеих ветвей оказывается один и тот же атом (вернее, его дубликат). Теперь мы можем сравнить атомы 1 Си 2 С, рассмотрев соответствующие слои атомов:

Различие в третьем слое позволяет отдать преимущество в старшинстве - атому углерода 2 С. Следовательно, рассматриваемый центр хиралъноети имеет S-конфигурацию:

1.Э.Илиел, Основы стереохимии. М.: Мир, 1971, 107 с,
2.В.М.Потапов, Стереохимия. М.: Химия, 1988, 463 с.
3.В.И.Соколов, Введение в теоретическую стереохимию, М., Наука, 1979, 243 с.

6801 0

s-Элементами называют элементы I и II групп (+ Не , находящийся в группе 0 (VIII) периодической таблицы). Все они, кроме H и Не , металлы. Металлы I группы называют щелочными , так как реагируют с водой с образованием щелочей. Металлы II группы, кроме Be , называют щелочноземельными . Термин «щелочная земля» обозначает оксиды этих металлов. Эти оксиды реагируют с водой с образованием щелочей.

Для s-элементов характерна конфигурация валентных электронов ns 1 (1 группа) или ns 2 (2 группа). Важнейшее химическое свойство металлов 1 группы — способность к образованию положительных однозарядных катионов. Высокие значения окислительно-восстановительных потенциалов металлов I и II групп свидетельствуют об их значительной реакционной способности, поэтому в обычных условиях они встречаются только в виде ионов. Эти ионы, в зависимости от рН, могут находиться в свободном виде или в виде комплексов, чаще всего с водой, углекислотой, ионами галогенов.

С водой щелочные металлы реагируют, выделяя большое количество теплоты (экзотермическая реакция). По мере увеличения атомного номера реакционная способность повышается настолько, что, начиная с К , образующийся в реакции Н 2 возгорается, часто со взрывом. Значительная восстановительная способность щелочных металлов объясняется легкостью отдачи ими электрона.

Таблица 1. Металлы с электронной конфигурацией s

1(главная)

2 (главная)

Н


Li

Вe

Na

Mg

К

Ca

Rb

Sr

Cs

Ba

Fr

Ra

Во внешней оболочке атомов всех s-металлов содержатся один (у элементов I группы — Li, Na, К, Rb, Cs, Fr ) или два (у элементов II группы — Be, Mg, Са, Sr, Ва, Ra ) электрона, очень легко отделяемых с образованием ионов, которые по конфигурации электронных оболочек аналогичны благородным газам. Изотопы всех щелочных металлов содержат некомпенсированный ядерный спин, то есть парамагнитны. В цельной крови эти изотопы распределяются согласно следующему правилу: чем больше радиус иона, тем выше его содержание в клетках крови (табл. 6).

Таблица 2. Соотношение коэффициента распределения К р и радиуса ионов щелочных металлов

Атомный Номер

Поскольку ионы металлов I группы крупные, но не содержат d-электронов, комплексные соединения они образуют слабо, причем их способность к комплексообразованию с увеличением атомного номера уменьшается. Если хелатные комплексы все же образуются, их лиганды чаще всего оказываются кислородсодержащими.

Металлы II группы образуют комплексные соединения легче. Как правило, лигандами в этом случае оказываются сильные комплексообразователи с кислородными и азотными электроннодопорными атомами. Например, хелатный лиганд ЭДТА (рис. 1) часто используют для титриметрического определения концентрации ионов Са 2+ и Mg 2+ при анализе жесткости воды.

Рис. 1. Комплекс этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА, "трилон Б") с Са 2+

Завершая описание s-металлов, отметим особенности свойств Li и Be , объясняемую расположением этих элементов в верхней части I и II групп, соответственно, Периодической системы:

1) высокие по сравнению с другими членами групп энергии ионизации. Это объясняет ковалентный, а не ионный характер образуемых этими элементами соединений;

2) меньшие, чем у других членов групп, радиусы ионов, обусловливающие:

а) высокую плотность заряда, следовательно, повышенную поляризующую способность, что проявляется в увеличенной ковалентности их соединений;

б) повышенные энергии решетки соединений этих элементов, объясняющие их пониженную растворимость;

3) меньшую электроположительность по сравнению с другими членами групп. Однако Li обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом, обусловленным большей энергией гидратации.

Для биохимии и медицины существенно, что свойства Li и его соединений во многом сходны со свойствами Mg и его соединений. Известно, что Mg 2+ играет в обмене веществ в живом организме очень большую роль, активируя АТФ и многие важные ферменты.

Подобное диагональное соотношение между элементами в периодической таблице отмечено также для пары Be и Al с их соединениями, хотя Be (II группа) по электронной конфигурации относится к s-элементам, а Аl (III группа) — к р-элементам. Кроме того, диагональное соотношение описано для пары В — Si и для ионов Na + — Са 2+ — Y 3+ .

Биологическая роль s-элементов очень велика. Ионы Na + , К + , Са 2+ , Mg 2+ , Cl - и НС О 3 - содержатся во всех биологических жидкостях. В частности, Na + и Сl - в большом количестве содержатся в плазме крови и обеспечивают ее осмотическое давление. В нервных клетках резкие изменения концентрации ионов Na + и К + вызывают электрические импульсы, обеспечивающие передачу сигналов в нервной системе.

В плазмалемме нервных клеток действует натриевый насос, обеспечивающий высокую концентрацию ионов К + внутри нервных клеток, и ионов Na + — в межклеточной жидкости. Когда ионы К + диффундируют за пределы клетки, на ее плазмалемме возникает разность потенциалов, обусловленная избытком внутри клетки ионов Сl - , имеющих отрицательный заряд. После стимулирования клетки через плазмалемму начинают проходить ионы Na + , в результате чего знак разности потенциалов изменяется на противоположный. После этого начинает распространяться электрический импульс.

Одним из проявлений гомеостаза считается также то, что хлорид натрия входит в состав потовой жидкости, выделение которой помогает охлаждать организм.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

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.

Похожие публикации