Расщепление через диастереомерные соли

Этот метод требует наличия энантиомерно чистого "расщепляющего реагента". Он используется для расщепления рацематов аминов (тогда расщепляющим реагентом является оптически активная кислота) и для расщепления рацематов кислот, (тогда расщепляющим агентом является оптически активный амин).
В качестве оптически активных кислот чаще всего используют следующие соединения:

В качестве оптически активных аминов применяют:

 

Рассмотрим принцип данного метода на примере расцепления рацемата -фенилэтиламина, который легко получить из ацетофенона и формиата аммония. В качестве расщепляющего агента в данном случае используют - природную (+)-винную кислоту. Входящие в состав рацемата (+)-амин и (-)-амин являются энантиомерами. Все ихобычные физические свойства, в том числе и растворимость, идентичны. При добавлении ( + )-винной кислоты к рацемату образуются две соли: А и Б.

(+)-амин (-)-амин	(+) - винная кислота	соль А: (+)-амин • (+) -кислота соль Б: (-)-амин • (+) -кислота
рацемат	смесь

Соли А и Б уже не являются энантиомерами: при отражении в зеркале молекулы соли А мы увидели бы соль [(-)1-амин • (-)кислота] , являющуюся энантиомером соли А и отличную от соли Б , поскольку в молекуле соли Бсодержится (+)- кислота. Следовательно, соли А и Б - это диастереомеры.Они отлтчаются друг от друга по физическим свойствам и, в частности,по растворимости. При подходящем подборе растворителя полученныедиастереомерные соли А и Б можно разделить кристаллизацией. Так, соль Б растворима в метаноле гораздо хуже соли А. При перекристаллизации из метанола соль Б выпадает сразу почти чистой. Раствор же содержит в основном соль А.

Полученные таким путем энантиомерно чистые амины можно затем использовать для разделения рацематов кислот.

Биохимический метод

Этот метод основан на высокой избирательности работы ферментов. Ферменты, имеющиеся в живых организмах, способны катализировать превращения стереоизомера лишь с одной, вполне определенной конфигурацией хирального центра. Рассмотрим использование этого метода для разделения рацемата аминокислоты метионина. Вначале на рацемат действуют ацетилирующим реагентом (вводят ацетильную группу). При этом получают рацемат, состоящий из N-ацетильных производных (+) и (-)-метинина. Затем ацетильные производные подвергают ферментативному гидролизу в присутствии фермента ацилазы. Производное(+)- метионина гидролизуется в 1000 раз медленнее, чемпроизводное (-) - метионина.

Таким образом, рацемат метионина превращается в смесь N-ацетильного производного (+)-метионина и свободного (-)-метионина. Эту смесь легко разделить. Так, свободный метионин растворяется в воде и в разбавленных кислотах, в то время как N-ацетильное производное - не растворяется.
Помимо приведенных здесь методов разделения энантиомеров, в настоящее время в арсенале химков имеются и другие, о которых можно прочитать в специальной литературе.

IX. Стереоизомерия алкенов.

Атомы углерода молекулы этилена находятся в sp2-гибридном состоянии:

Двойную связь С -С можно рассматривать как состоящую из -связи (перекрывание гибридных орбиталей атомов углерода) и -связи, образованной боковым перекрыванием р-орбиталей:

Поворот CН2- гpynn молекулы этилена друг относительно друга должен привести к нарушению перекрывания р-орбиталей, то-есть к разрыву -связи. Энергетический барьер такого поворота по разным оценкам, составляет 60-65 ккал/ моль и при обычных условиях такой поворот не происходит (поворот возможен при фотохимическом возбуждении молекулы)
Сказанное в полной мере относится и к другим молекулам с двойной связью С=С. Поэтому для аляенов возможна стереоизомерия, обусловленная различным взаимным расположением заместителей при двойной связи:

Стереоиозмеры (22) и (23) не являются зеркальными антиподами. Согласно определению, приведенному на стр. 42, изомеры (22) и (23) - это диастореомеры. Иногда, с целью подчеркнуть причастность -связи к появлению этой изомерии, их называют -диастереоизомерами (раньше их называли геометрическими изомерами) в отличие от -диастереомеров, рассмотренных в разделе VI.

Конечно, этот вид изомерии невозможен, если хотя 6ы у одного из атомов углерода, образующих двойную связь, два заместителя одинаковы:

Для наименования -диастереомеров широко используется цис-транс-номенклатура. Ее применяют в тех случаях, когда у разных атомов углерода С = С-связи есть одинаковые заместители.

В сооветствии с этим, изомеры (22) и (23) следует назвать цис-бутен-2 и транс-бутен-2. Аналогично можно назвать приведенные ниже соединения.

Но что делать, если все четыре заместителя при двойной связи -разные? Какой, например, изомер изображен ниже: цис- или транс-?

В таком случае надо выбрать старший заместитель при одном атоме углерода, образующем двойную связь, и старший заместитель при другом атоме углерода. Сравнивая положение старших заместителей относительно двойной взязи, можно приписать изомеру ту или иную конфигурацию. На этом основана E,Z -номенклатура -диастереомеров.

Старшинство заместителей определяется точно так хе, как и при наименовании конфигурации асимметрического атома по Kaну - Ингольду -Прелогу. Старшим считается тот атом, который имеет больший номер в Периодической таблице Д.И.Менделеева (в случае сложных заместителей при двойной связи поступают так же, как это описано в разделе IV.2).

Если старшие заместители находятся по одну сторону относительно двойной связи, изомеру приписывают Z-конфигурацию (от немецкого "zusammen" - вместе)

Если старшие заместители расположены по разные стороны двойной связи, изомеру приписывают Е-конфигурацию (от немецкого "entgegen" - напротив):

Аналогично, цис-бутен-2 получает название: Z -бутен-2, а транс-бутен-2 будет называться: Е-бутен-2.

Следует иметь в виду, что когда говорят о Е- или Z- конфигурации, подразумевают относительную конфигурацию, поскольку при этом рассматривается взаимное расположенно заместителей при двух атомах углерода в молекулах диастереомеров.

 

X. Дополнительные сведения.
1.Особенности изображения циклических молекул

Молекулы алициклических соединений неплоские (за исключением трехчленных циклов) и могут существовать в различных конформациях. Поэтому, если важна реальная геометрия цикла, его изображает с помощью перспективной формулы (то есть рисунка его шаро-стержневой модели). Атомы углерода, как правило, не изображают, например:

Если же важно передать только взаимное расположение заместителей в цикле, можно воспользоваться клиновидной проекцией.При этом цикл искусственно уплощают и рассматривают его "сверху", то есть в направлении, перпендикулярном плоскости цикла. Относительную конфигурацию изомеров обозначают приставками цис- или транс- , в зависимости от того, находятся заместители по одну пли по разные стороны цикла, например:

В другом варианте цикл также считают плоским и располагают его почти перпендикулярно плоскости чертежа. Ближние к наблюдателю стороны цикла изобретают утолщенными линиями:

Однако, чаще молекулы алициклов рисуют в виде правильных многоугольников, подразумевая при этом, что цикл расположен перпендикулярно плоскости чертежа. Связи заместителей с атомами углерода цикла изображают вертикальными линиями, дополнительно искажая реальную геометрию молекулы:

Эти формулы удобны тем, что они подчеркивают взаимное расположение заместителей в цикле.
В случае конденсированных полициклических систем используют два варианта изображения. Один вариант: с помощбю клиновидной проекции изображают направление связей С-С, отходящих от общего ребра двух циклов:

Другой вариант: всю полициклическую систему уплощают и показывают направление связей С-Н или С-заместитель в местах сочленения циклов:

 

2.Конформационная энантиомерия

Рассмотрим молекулу мезо-формы 2,3-дибромбутана. Изобразим ее заслоненную и гош-конформации:

В отличие от заслоненной конформации, в гош-конформации мезо-формы нет ни одного элемента симметрии, кроме тривиального С1.(Иногда при рассмотрении конформации (25) "находят" зеркально-поворотную ось S6 , ошибочно поворачивая одну из групп C(CH3)HBr с последующим отражением в плоскости. Это неверно! Зеркально- поворотная ось предполагает поворот всей молекулы с последующим отражением в плоскости. В гош-конформации (25) нет оси S6). Следовательно, молекула в гош-конформации (25) хиральна. Тем не менее, известно, что мезо-формы оптически неактивны. На самом деле здесь нет противоречия. При переходе от заслоненной конформации (24) к гош-конформации (25) мы повернули фрагмент С(СН3)НВr в одну оторону. В реальной молекуле 2,3-дибромбутана указанный фрагмент млжет с равной вероятностью повернуться и в противоположную сторону. При этом образуются две гош-конформации: (25) и (25') в равном количестве и являющиеся энантиомерами. Они образуют рацемат, который оптически неактивен.

В случае мезо-формы 2,3-дибромбутана энантиомерные гош-конформации легко переходят друг в друга за счет врацения вокруг -связи и вследствие этого не могут быть выделены в индивидуальном состоянии.

Ecли создать условия, затрудняющие вращение вокруг -связи, то подобные конформационные энантиомеры не смогут превращаться друг в друга. Такой вариант возможен, например, при наличии в молекуле объемистых групп, "мешающих" повороту -связи. Классический пример - замещенные бифенилы. Изображенные ниже антиподы 6,6'-динитродифеновых кислот можно выделить в индивидуальной состоянии. Они не превращаются друг в друга, поскольку орто-заместители в фенильных кольцах мешают повороту вокруг -связи. Такие стереоизомеры называют атропоизомерами (от греч. "atropos" -неподвижный).

Если объем орто-заместителей в бифениле постепенно уменьшать, то наступит момент; когда взаимное превращение энантиомеров станет возможным вначале при повышенной температуре, а затем и при комнатной. При небольшом размере заместителей оптическая активность наблюдаться не будет, поскольку в этом случае будет существовать равновесная смесь конформаций, легко переходящих друг в друга.

Таким образом, в случае больших заместителей в бифенмле (6,б'-динитродифеновые кислоты) речь идет о реально выделяемых энантиомерах, а следовательно, об их конфигурациях. В случае же малых заместителей мы имеем дело с конформациями. Отсюда видно, что между понятиями "конфигурация" и "конформация" отсутствует четкая граница.

 

3. Проекции Фишера и для молекул с тремя и более асимметрическими атомами.

Принцип построения проекций Фишера для молекул с несколькими асимметрическими атомами тот же, что и для молекул с двумя такими атомами. При этом необходимо, чтобы каждый этановый фрагмент молекулы находился в заслоненной конформации.

Построим проекцию Фишера молекулы D-глюкозы. Если в D6Вашем распоряжении имеется шаро-стержневая модель молекулы, то нетрудно придать этой модели такую форму, в которой все этановые фрагменты будут в заслоненной конформации. Для этого надо "заставить" моделт свернуться так, чтобы Вы могли удержать её концы (СН=О и СН2ОН) в одной руке. При этом получится некое подобие позвоночника нагнувшегося вперед человека: атомы водорода и гидроксильнне группы, связанные с acимметрическими атомами, играют роль отростков позвонков:

"углеродный хребет": заслоненная конформация молекулы D -глюкозы

Через связи С-С проведем плоскости, перпендикулярные плоскости чертежа. При этом получится поверхность выпуклого многогранника,, ребра которого походят через атомы углерода. "Отростки позвонков" -Н и ОН при этом возвышаются над поверхностью многогранника. Спроектируем атомы Н и группы ОН на эту поверхность {точнее, на ее ребра), а затем развернем наш многогранник, превратив всю его поверхность в одну плоскость - получим искомую проекцию Фишера:

Чаще, однако, приходится переходить к проекции Фишера от клиновидной проекции зигзагообразной цепи молекулы, В этой случае можно использвать следующий алгоритм.

а) Разорвем связи между асимметрическими атомами (эти связи лежат в плоскости чертежа).
б) Развернем часть полученных фрагментов относительно вертикальной оси так, чтобы свободные валентности всех фрагментов молекулы "смотрели" в одну сторону (вправо или влево - безразлично).

в) Соединим свободные валвентности так, чтобы все aтомы углерода лежали на одной прямой (естественно, что при этом мы искажаем углы между связями).
г) Повернем молекулу вокруг вертикальной оси так, чтобы всe заместители при асимметрических атомах возвышались над плоскостью чертежа, и спроектируем их на эту плоскость.

Для того, чтобы от проекции Фишера перейти к изображению зигзагообразной цепи, все описанные операции чадо выполнить в обратной последовательности.

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 NH2 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 NH2 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: Dg -треонин ( Ls- треонин) и Lg-треонин ( Ds-треонин).

Углеводы.

В углеводах реперной группой является самая нижняя в проекции Фишера гидроксильная группа, связанная с аcиммтрическим 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 Sn. 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 СН2 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 бифениловтакже 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 СН3 (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 1Си 2С, следует "раскрыть" цикл по связи 2С- 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 1Си 2С, рассмотрев соответствующие слои атомов:

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

Рекомендуемая литература:

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.