Стереохимические номенклатуры

Глава 6

 

Изомерия

 

 

Общие положения

 

В первой половине XIX в. был обнаружен ряд соединений с одинаковой брутто-формулой, но с разными физическими и химическими свойствами. Такие вещества назвали изомерами. Только теория строения органических соединений А. Бутлерова, по одному из положений которой свойства органических веществ определяются не только природой, составляющих их атомов, и их количеством, но и химическим строением, позволила объяснить существование изомеров. Более того, вскоре были получены все три теоретически возможных изомера пентана, структуру которых предсказал А. Бутлеров.

пентан изопентан неопентан

 

Ø Изомеры – вещества с одинаковым количественным и качественным составом, но различающиеся по строению и, соответственно, по своим свойствам.

 

Во второй половине XIX в. химики, изучая оптические свойства органических соединений с помощью поляриметра, выявили изомерные вещества с одинаковым химическим строением, одинаковыми физическими константами, но различающиеся своим отношением к лучу плоскополяризованного света. Например, выделенная из мышц молочная кислота СН₃СН(ОН)СООН (часто называемая мясомолочной) вращала луч плоскополяризованного света вправо, молочная кислота того же состава, но полученная при сбраживании лактозы некоторыми бактериями, была левовращающей, а молочная кислота, образующаяся при молочнокислом брожении молока, квашении капусты или синтетическим способом, не проявляла оптической активности.

Оказалось, что право- и левовращающие молочные кислоты, которые можно назвать оптическими изомерами или оптическими антиподами, отличаются пространственной структурой, т.е. различным расположением атомов в пространстве. Оптически неактивная молочная кислота представляла собой смесь равных количеств оптических изомеров, называемую рацемической смесью или рацематом. Возможность существования таких изомеров удалось объяснить с помощью теории тетраэдрического строения атома углерода (Я. Вант-Гофф[1], Ж. Ле Бель[2], 1874 г.), которая легла в основу представлений о пространственном строении органических соединений.

 

· Поляриметр. Пропускание луча обычного света, представляющего собой электромагнитную волну с хаотически направленными колебаниями, через призму Николя, изготовленную из кристалла исландского шпата, приводит к образованию плоскополяризовонного луча света, в котором колебания осуществляются в одной плоскости. Оптически активные соединения способны отклонять плоскость луча плоскополяризовонного света вправо или влево. Определить величину угла можно с помощью прибора – поляриметра.

Рис. 6.1. Принципиальная схема поляриметра

 

Основными частями поляриметра являются источник света (на схеме обозначен - 1) с определенной длинной волны (обычно 589 нм, что соответствует D-линии спектра натрия), поляризатор (2) – призма Николя, в которой свет поляризуется, кювета с анализируемым веществом (3) и вторая призма Николя (4), играющая роль анализатора. При прохождении через оптически активное вещество луч плоскополяризовонного света отклоняется на определенный угол (a), который можно измерить, повернув призму-анализатор на тот же угол, что обеспечит совпадение оптических осей призмы-поляризатора и призмы-анализатора.

· Удельное и молярное вращение. На величину угла a влияет ряд факторов, в том числе, длина волны света, температура, толщина слоя анализируемого вещества, а при измерении оптической активности растворов веществ – еще концентрация и растворитель. Поэтому в качестве физической характеристики вещества используют не само значение угла a, а расчетное значение удельного вращения [a], которое определяется по формуле

[a] = ,

где a – значение угла вращения в град; l – толщина слоя жидкости в кювете в дм; с – концентрация раствора в г/100 мл.

 

При записи удельного вращения верхним индексом указывается температура (обычно 15-25 °С), а нижним – длина волны пропускаемого света (в случае D-линии спектра натрия ставится индекс). Концентрацию (г/100 мл) и растворитель приводят после значения удельного вращения. Например, для D-винной кислоты [a] +2,6° (с 10; метанол).

Так как в значение удельного вращения включена массовая характеристика концентрации, то ее нельзя применять, например, для сравнения оптической активности ряда соединений с различной молекулярной массой. В этих случаях используют молекулярное вращение [М], которое рассчитывается по формуле

[М] = .

 

6.1.1. Химическая структура, конфигурация, конформация

В настоящее время для описания строения органического соединения используются три основных понятия:

 

Ø Химическая структура (конституция) – порядок соединения атомов и типы связей в молекуле.

 

При упрощенной записи структур органических соединений химические связи обозначают прямыми линиями, подразумевая, что атомы углерода находятся в углах, образованных этими линиями.

химическая структура 1,4-диметилциклогексана

 

Ø Конфигурация –взаимное расположение в пространстве атомов и групп атомов, составляющих молекулу, без учета изменений, связанных с вращением вокруг одинарных связей.

 

Например, в молекуле 1,4-диметилциклогексана метильные группы могут находиться по одну сторону от плоскости цикла или – по разные.

цис- и транс-конфигурации 1,4-диметилциклогексана

 

Ø Конформация – пространственное расположении атомов и групп атомов молекулы определенной конфигурации, возникающее в результате поворота вокруг одинарной связи.

 

Например, в молекуле транс-1,4-диметилциклогексана атомы углерода цикла находятся не в плоскости, а образуют пространственную структуру, называемую «кресло».

конформации «кресло» для транс-1,4-диметилциклогексана

 

6.1.2. Изображение пространственного строения молекул

Для изображения пространственного строения молекул на плоскости используют ряд стереохимических и проекционных формул.

 

v Стереохимические формулы. Пространственное расположение заместителей у атомов углерода в sp³- и sp²-гибридизации (тетраэдрический и тригональный атомы углерода) можно показать с помощью клиновидных линий. Обычно закрашенный клин обозначает расположение заместителя перед плоскостью рисунка, а неокрашенный или заштрихованный клин – нахождение за плоскостью. Обычными линиями показывают связи находящиеся в плоскости рисунка.

Некоторыми авторами удаление заместителя за плоскость дополнительно подчеркивается направлением острия клина к заместителю. Часто в таких формулах центральный тетраэдрический атом углерода не указывается.

стереохимические формулы молочной кислоты

 

v Перспективные формулы. Они удобны для показа взаимного расположения заместителей у двух соседних атомов углерода. В таких формулах связь, соединяющая эти атомы углерода, удлинена.

перспективные формулы этана и бутана

 

v Проекционные формулы Фишера. Для удобства работы с пространственными формулами молекул, в состав которых входит асимметрический атом углерода, Э. Фишер[3] предложил использовать плоскостные проекции (проекция Фишера).

 

Ø Асимметрический атом углерода – атом углерода, имеющий четыре различных заместителя.

 

§ В правильно расположенной проекции Фишера:

а) асимметрический атом углерода обозначается пересечением взаимно перпендикулярных линий;

б) заместители, расположенные на горизонтальной линии, в пространстве находятся над плоскостью, а на вертикальной – под плоскостью;

в) наиболее окисленный атом углерода находится сверху;

г) наиболее длинная углеродная цепь представлена вертикально.

формулы молочной кислоты:

стереохимическая проекция Фишера

 

В настоящее время применяются и модернизированные изображения проекций Фишера, в которых используются клиновидное обозначение направления связей.

· Правила работы с проекциями Фишера:

1. Разрешено разворачивать проекцию в плоскости без изменения конфигурации на 180°.

Например, в полученной выше проекции Фишера наиболее окисленный атом углерода находится внизу. Поворот в плоскости на 180° приводит к правильному виду проекции.

2. Запрещены повороты на 90° и 270°.

3. Четное число перестановок заместителей не изменяет конфигурацию молекулы.

 

В приведенном примере в первоначально полученной проекции наиболее длинная углеродная цепь не расположена вертикально. Две перестановки заместителей привели к нормальному виду проекции Фишера без изменения конфигурации.

 

v Проекция Ньюмена[4] обычно используют для рассмотрения конформаций молекулы. Такие проекции наиболее удобны для показа расположения в пространстве заместителей двух соседних углеродных атомов. Получаются они при проецировании перспективных формул молекул на плоскость перпендикулярную рассматриваемой С-С связи. Ближний атом углерода изображают точкой, дальний – кругом.

 

Стереохимические номенклатуры

Первоначально для обозначения правовращающих и левовращающих изомеров использовали, соответственно, обозначения (+) или d (от латинского dextro – право) и (-) или l (от латинского laevo – лево). В свою очередь рацемат обозначался (±) или dl.

Однако такой способ наименования не имел дальнейшей перспективы. Во-первых, знак оптического вращения является физической характеристикой вещества, зависящей от длины волны света, концентрации, растворителя и других факторов. Например, (-)-яблочная кислота в водных растворах с концентрацией 8,4% имеет [a]_D –2,3°, а при концентрациях 34% и 70%, соответственно, [a]_D 0° и [a]_D +3,3°. Также одно и то же соединение в разных растворителях может быть как лево, так и правовращающим.

Во-вторых, и это более важно, знак вращения не дает нам представления о пространственном строении соединения. Для ряда производных с одинаковой конфигурацией асимметрического центра могут быть различными знаки оптического вращения.

[a]_D +2,6° (Н₂О) [a]_D -8,25° [a]_D -75,47° [a]₅₇₈ +91,8°

 

Все это обусловило разработку номенклатурных систем, позволяющих обозначить конфигурацию молекулы. Разберем основные виды стереохимических номенклатур, используемых в настоящее время.

 

v DL-номенклатура.Для обозначения конфигурации молекул Э. Фишером была предложена DL-номенклатура. По которой для определения конфигурации соединения его пространственную структуру необходимо сравнить со структурой стандартного вещества. В качестве такого стандарта в 1906 г. М. Розановым был предложен (+)-глицериновый альдегид, которому была приписана конфигурация, обозначаемая D. Соответственно, конфигурация его зеркального (-)-изомера обозначается как L.

Если некоторое соединение может быть получено из глицеринового альдегида химическими реакциями, не затрагивающими асимметрический атом углерода, то его конфигурация имеет то же обозначение, что и у стандарта. Например, последовательное окисление альдегидной функции и восстановление первичного гидроксила (+)-D-глицеринового альдегида приводит к D-молочной кислоте, которая является левовращающей.

(+)-D-глицериновый альдегид (-)-D-молочная кислота

 

Таким образом, определение конфигурации нового соединение проводилось путем его химического преобразование в соединение с известной конфигурацией. Установленную данным способом конфигурацию называют относительной. С появлением рентгеноструктурного метода анализа для большого числа органических соединений была определена абсолютная конфигурация – реальное расположение атомов в пространстве. В частности была подтверждена конфигурация D-винной кислоты, первоначально установленная относительно D-глицеринового альдегида, что в свою очередь подтвердило правильность пространственного строения, предложенного М. Розановым для этого стандарта.

В настоящее время DL-номенклатура применяется для построения названий углеводов, гидрокси- и аминокислот. Для других классов органических веществ используют RS-номенклатуру.

 

v RS-номенклатура.Р. Кан, К. Ингольд[5] и В. Прелог[6] предложили новую универсальную номенклатуру для обозначения конфигурации асимметрических центров. Для определения конфигурации необходимо:

1) установить старшинство атомов, окружающих асимметрический атом углерода.

§ Старшинство определяется порядковым номером элемента в Периодической системе. Чем больше порядковый номер элемента, тем старше атом. Ниже приведены примеры расстановки старшинства атомов.

§ Для одинаковых соседних атомов сравнивают старшинство присоединенных к ним атомов и т.д. Например, в структуре (3) атом углерода гидроксиметильной группы (одна связь на атом кислорода и две на атомы водорода) старше атома углерода этильного радикала (одна связь на атом углерода и две на атомы водорода), который старше атома углерода метильной группы (три связи на атомы водорода).

§ Кратные связи рассматривают как соответствующее количество одинарных связей (С=О = 2 С-О). Атом углерода в ароматическом цикле приравнивают к трем С-С связям. Поэтому в соединении (4) атом углерода карбоксильной группы (три связи на атомы кислорода) старше атома углерода карбонильной группы (две связи на атомы кислорода и одна на атом водорода), который в свою очередь старше атома углерода гидроксиметильной группы (одна связь на атом кислорода и две на атомы водорода).

2) Молекулу располагают в пространстве так, чтобы заместитель с наименьшим номером был заслонен от наблюдателя асимметрическим атомом.

или

3) При уменьшении старшинства трех наблюдаемых заместителей по часовой стрелке изомер обозначается буквой R (rectus - правый), а если против часовой стрелки - S (sinister - левый).

Соединение (2) по DL-номенклатуре однозначно назвать невозможно.

 

§ Возможно установление конфигурации по RS-номенклатуре и для проекций Фишера. После определения старшинства заместителей проекцию необходимо преобразовать таким образом, чтобы младший заместитель находился на вертикальной линии. В случае уменьшения старшинства трех оставшихся заместителей по часовой стрелке изомер имеет R-конфигурацию, в противном случае – S-конфигурацию.

 

v цис-,транс- и E,Z-Номенклатуры.Традиционно для геометрических изомеров расположение заместителей у связи С=С обозначают с помощью префиксов цис- (подобные заместители по одну сторону от двойной связи) и транс- (подобные заместители по разные стороны).

цис-пентен-2 транс-пентен-2

 

Однако такой способ описания конфигурации приемлем только для относительно простых соединений. В более сложных случаях используют E,Z-номенклатуру.

Конфигурация двойной связи по этой номенклатуре определяется следующим образом.

1) Устанавливается старшинство атомов, связанных с каждым из атомов углерода, соединенных двойной связью. Старшинство, как и в случае RS–номенклатуры, определяется по порядковому номеру соответствующего элемента в Периодической таблице. Чем больше порядковый номер элемента, тем он старше. У одинаковых атомов старшинство определяют по старшинству атомов, с которыми они связаны.

2) Оценивается взаимное положение старших атомов. Если они расположены по одну сторону плоскости двойной связи, то это Z-изомер (от нем. zusammen – вместе), а если по разные – Е-изомер (от нем. entgegen – напротив).

(Е)-2-хлорбутен-2-ол-1

(Z)-3-амино-4-метилгексен-3-овая кислота