Введение Стереохимия – наука о пространственном строении
реклама
Введение Стереохимия – наука о пространственном строении молекул и влиянии его на физические, химические свойства, на направление и скорость химических реакций. Обьекты стереохимии – органические вещества, неорганические (чаще всего комплексные соединения), химия высокомолекулярных синтетических и природных соединений, биохимия, фармхимия и др. Физиологическая активность большинства веществ связана с их пространственным строением. Так например, L-лейцин имеет горький вкус, а его изомер D–лейцин – сладкий, только один из восьми пространственых изомеров 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексанов обладает сильной инсектицидной активностью, (+)-изопропилнорадреналин обладает в 800 раз более сильным бронхорасширяющим действием чем его (-)-изомер и таких примером можно привести много. Стереохимический подход помогает также в решении проблем теоретической органической и неорганической химии. Давно известный пример из этой области — вальденовское обращение как критерий механизма реакций замещения; более новый — использование результатов изучения асимметрического синтеза оптически активных веществ для глубокого проникновения в процессы химических превращений. Физические методы исследования дали возможность с большой точностью определять геометрические параметры молекул: межатомные расстояния (длины связей), валентные углы, двугранные углы (называемые также диэдральными или торсионными). Эти параметры зависят прежде всего от природы атомов и типа связи между ними, однако определенное влияние (иногда весьма сильное) оказывает и ближайшее окружение — соседние атомы и связи. Точные определения геометричеких параметров молекул позволяют заметить индивидуальные различия у разных соединений. Эти различия определенным образом связаны со строением и являются выражением взаимного влияния атомов, понимаемого как проявление пространственных и электронных эффектов. Современная стереохимия включает в себя четыре основные раздела. Статическая или конфигурационая стереохимия. Главная задача – определение пространственной конфигурации энантиомеров хиральных молекул, установление зависимости знака и величины оптического вращения от структуры молекулы. Конформационный анализ исследует «внутренную жизнь» молекул в отсутствии реакций, конформации молекул, их устойчивость, зависимость реакционной способности молекул от их конформации. Динамическая стереохимия – стереохимическая часть современной теории механизмов органических реакций. Теоретическая стереохимия исследует основные понятия и концепции стереохимии математическими основаниями, описывает формальные стороны стереохимических процессов, которые мало связаны с химической природой частных молекулярных объектов. Теоретическая стереохимия базируется на теории групп, матричной алгебре, геометрической топологии позволяющих описывать молекулярную структуру веществ. Краткая история стереохимии История стереохимии началась с центральной проблемы – симметрии и асимметрии в природе. Здесь нас будет интересовать, однако, не простое перечисление фактов в их последовательности и не вопросы приоритета, а история идей, точнее, развитие взглядов определенного направления, которое привело, в конце концов, к возникновению теоретической стереохимии. Развитие на протяжении последних лет отчетливо показало, что существует определенная система, которая составляет основу стереохимии, к какого бы рода молекулярным объектам она ни была приложена. Истоки теоретической стереохимии следует искать как в самой химии, так и в некоторых разделах математики. Предмет стереохимии составляет пространственное строение молекул и его влияние на их физические и химические свойства. Следуя Вант-Гоффу и Ле-Белю, можно сказать, что стереохимия — это химия в пространстве. Как известно, экспериментальная химия прошла уже значительный путь, прежде чем она смогла сформулировать самое понятие молекулы. После этого важного шага, сделанного в начале XIX в., происходит формирование двух основных разделов химии: органической и неорганической. Стереохимия, в указанном выше понимании, не представляет собою раздела, укладывающегося в эту классификацию. Скорее ее следует рассматривать как специальный подход, применяемый ко всем, без исключения, молекулярным объектам. Необходимость учитывать пространственное строение впервые встретилась в естествознании при изучении кристаллов. Среди обилия природных пространственных форм были найдены пары, которые относились друг к другу, как предмет к своему зеркальному отображению; так была обнаружена гемиэдрия кристаллов. Такие пары стали называть энантиоморфами. Еще более существенным, чем факт существования гемиэдрии, было открытие Араго естественной оптической активности кристаллов. Оказалось, что разные энантиоморфы отклоняют плоскость поляризации света в разные стороны. Таким образом, впервые была отмечена связь физического свойства и пространственного строения — еще не молекулы, а макроскопического тела. Наконец, в 1815 г. Био открыл оптическую активность в растворах. Отсутствие кристаллической структуры теперь отодвигало проблему оптической активности на более глубокий уровень — молекулярный. История стереохимии уже началась, причем с самой •центральной проблемы — проблемы симметрии и асимметрии, но о возникновении стереохимии еще никто не подозревал. Интересно, что стереохимия возникла независимо примерно тогда же, что и органическая химия. В укреплении и расширении экспериментальной базы будущей науки стереохимии важнейшую роль сыграли работы Луи Пастера, который в 1848—1860 гг., в первый период своей научной деятельности, разработал методы получения оптически активных соединений из неактивных — рацемических. До этого все известные оптически деятельные в растворе соединения выделялись из природных источников. Три метода Пастера: микробиологический, химический и самопроизвольная кристаллизация энантиомеров— заложили прочную основу экспериментальной стереохимии. Не менее важным было понимание Пастором природы оптической активности. В двух лекциях перед Парижским химическим обществом в 1860 г., т. е. еще до становления классической теории химического строения, окончательно оформленной Бутлеровым в 1861 г., он пришел к выводу, что оптическая активность является следствием и отражением молекулярной дне-симметрии. Эта идея настолько опередила свое время, что дальнейшее развитие смогла получить только во второй половине XX в. В то время еще отсутствовали экспериментальные методы изучения структуры молекул, а многие химики вообще сомневались в возможности познать их действительное строение. Выдающийся, экспериментальный и теоретический, вклад прочно связывает имя Пастера с возникновением стереохимии. Идея о молекулярной диссимметрии как причине оптической активности в то время выглядела настолько абстрактно, что не могла найти отклика. Это было время возникновения и первых успехов классической структурной теории. Основанная на понятии валентности, она сконцентрировала внимание на порядке связи атомов в молекуле и числе атомов, связанных с данным. Структурная теория вначале пренебрегала фактом существования молекул в пространстве трех измерений, по не противоречила ему. Позже ей пришлось учесть это существенное обстоятельство для того, чтобы объяснить число существующих изомеров, включая оптические. В 1874 г. Вапт-Гофф и Ле-Бель одновременно и независимо предложили тетраэдрическую модель атома углерода. Они показали, как на основе структурной теории можно объяснить пространственное строение молекул органических соединений. Так возникла конфигурационная стереохимия. Тетраэдрическая модель постулировала геометрию ближайшего окружения атома углерода, п = 4. Варианты, предложенные Ле-Белем и Вант-Гоффом, несколько различались, первый считал тетраэдр углерода неправильным, а второй — правильным. Более идеализированная и упрощенная гипотеза Вант-Гоффа позволила ему особенно последовательно и далеко развить свою систему. Однако существенно, что для конфигурационной стереохимии это различие между двумя вариантами не имеет особого значения. Длины связей и валентные углы тетраэдра могут изменяться в довольно широких пределах, а стереохимическая конфигурация при этом сохраняется. В этом отношении нашему времени ближе проницательность Ле-Беля. Здесь стоит только отметить характерное для стереохимии пренебрежение к метрическим, численным отношениям. В этом проявляется сходство стереохимии с топологией, одним из нечисленных разделов математики. Для практического развития стереохимии тетраэдрическая модель углеродного атома сыграла решающую роль. После того как была найдена предсказанная оптическая активность алленов стереохимические представления получили широкое распространение среди химиков-органиков. Еще более важным был следующий шаг, когда стереохимия вышла за пределы органической химии и доказала свою универсальность. Непосредственным развитием подхода Вант-Гоффа и Ле-Беля явилась координационная теория Вернера, построенная на основе октаэдра, п = 6. Прежде хаотический мир комплексных соединений стал понятен и логичен. Теория Вернера в принципе совершенно аналогична тетраэдрцческой модели, только на другой геометрической основе. Отсюда прямой путь вел к многогранникам, соответствующим другим координационным числам. Однако отсутствие непосредственной необходимости замедлило прогресс в этой области, поскольку соответствующие химические структуры стали доступны только за последние 15—20 лет. Важное значение имел прогресс, достигнутый в конце прошлого века в изучении физической природы оптической активности. Угол оптического вращения — первая по времени и важнейшая характеристика энантиомерных соединений. Зависимость его от длины водны падающего света для плавных кривых дисперсии оптического вращения была выражена уравнением Друде. Систематическое применение дисперсии оптического вращения к изучению строения органических соединений было проведено Л. А. Чугаевым, который установил первые эмпирические закономерности. Это было начало спектрополяриметрии. В 1895 г. А, Коттон открыл аномальное поведение оптически активных веществ в полосе поглощения — круговой дихроизм, оказавшийся еще более важным для теоретической трактовки оптической активности. На протяжении почти столетия стереохимия имела дело только с нереагирующими молекулами, т. е. развивался тот раздел, который теперь называется статической стереохимией. Разумеется, в ходе развития органической химии изучались многие реакции оптически активных соединений, преимущественно природного происхождения. Во многих случаях продукты реакций были оптически активны. Однако в то время исследователи не придавали этому особого значения, считая оптическое вращение не более чем еще одной константой, присущей веществу. Новый большой раздел — динамическая стереохимия — начался работой Вальдена [17], который в 1895г. исследовал стереохимию реакций замещения в ряду яблочной кислоты. Это исследование сразу же стало значительным событием благодаря открытию двух типов замещения: с обращением и сохранением конфигурации. Поскольку в то время сохранение конфигурации казалось естественным, «аномальное» направление реакции получило название «вальденовского обращения». Начиная с этого времени стереохимические методы становятся неотъемлемой частью исследования механизмов реакций. Для самой стереохимии открылся путь корреляции относительных конфигураций различных оптически активных соединений. Важным пунктом в последнем периоде динамической стереохимии было построение полной теории стереохимических реакционных циклов. В 30-х годах начались важные спектроскопические, а затем электронографические исследования сравнительно простых молекул типа дихлорэтана или циклогексапа, показавшие, что они существуют в виде поворотных изомеров. Вскоре это привело к возникновению конформационного анализа, оформившегося как самостоятельное направление в стереохимии к 1950 г. Решающими здесь были чисто химические доказательства того, что молекула имеет различную реакционную способность в зависимости от изменения своей внутренней геометрии. При этом была введена одна из основных стереохимических категорий — конформация. Создание конформационного анализа было одним из проявлений нового расцвета стереохимии, который начался после второй мировой войны. Основополагающее значение для стереохимии в целом имело введение Бийвутом в 1951 г. метода аномального рассеяния рентгеновских лучей, которое впервые дало возможность установить абсолютную конфигурацию молекул оптически активных соединений, т. е. действительно определить, какие энантиомеры в трехмерном пространстве являются правыми и какие левыми. Многочисленные корреляции относительных конфигураций получили достоверную точку отсчета, стало возможным сравнение теоретических расчетов абсолютных конфигураций с экспериментом. Важные последствия для стереохимии имел «инструментальный взрыв» в области приборостроения. Необычайно быстрый темп стереохимических исследований был бы невозможен без бурного развития физических методов: как совершенно нового — спектроскопии ядерного магнитного резонанса, так и классических — дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, возможности которых значительно расширились благодаря прогрессу техники. В этот же период сфера влияния стереохимии распространяется на новые классы и типы молекул. Прежде всего это оптически активные производные с асимметрическим неуглеродным атомом: азота, серы, фосфора, мышьяка и др. Обширный материал предоставила новая металлоорганическая химия. Она явилась богатейшим источником новых стереохимических идей и сильно способствовала уничтожению «провинциализма» и превращению стереохимии углерода в общую стереохимию. Внесла свой вклад в этот процесс и химия координационных соединений. Она предоставила новые координационные числа, вплоть до 12, и стимулировала изучение условий возникновения оптической активности в таких структурах. Особенно плодотворным оказалось исследование пентакоординации и открытие легких внутримолекулярных изомеризации — псевдовращения. В начале 60-х годов возникло целое направление — исследование стереохимически нежестких молекул с широким применением аппарата современной математики. Не будет преувеличением сказать, что именно обращение к материалу металлоорганической и координационной химии сыграло решающую роль в процессе становления общей стереохимии, сфера действия которой теперь распространяется на все молекулярные объекты. Наконец, крайне важным событием, особенно для формирования основ теоретической стереохимии, явилось введение фундаментального понятия хиральности. Внешним поводом для этого - послужила разработка Крамом, Ингольдом и Прелогом новой, общей системы стереохимической номенклатуры. При этом выяснилась необходимость уточнения самых основных концепций стереохимии. Для стереохимии пришло время, как оно приходит для любой науки на определенном этапе,— время познать собственную внутреннюю структуру, свою точную логику. Потребовалось более глубоко и пристально рассмотреть соотношения симметрии—асимметрии, математические основы стереохимии. Однажды начавшись в области конфигурационной стереохимии, этот процесс охватил конформационный анализ и динамическую стереохимию. Более глубокое познание логических основ и структуры стереохимии, широкое применение идей и методов современной математики для описания стереохимических структур и процессов — вот круг вопросов, который составляет сейчас то, что можно назвать теоретическими основами стереохимии. Формирование теоретической стереохимии за столь короткий, десятилетний срок было бы невозможно без давно существовавшей связи между химией и математикой. Эта линия развития, послужившая вторым истоком теоретической стереохимии, менее известна. Между тем она имеет более чем 100-летнюю историю. Началом следует считать 1857 год, когда английский математик Кэли исследовал задачу о числе изомеров предельных ациклических углеводородов. Это был первый пример плодотворного и взаимовыгодного контакта между химией и математикой. Исходя из структурной проблемы органической химии, Кэли открыл новый класс ациклических графов — деревья, а математическая теория позволила ему рассчитать число изомеров для первых членов ряда алканов. Крупным достижением на этом направлении явилась знаменитая теорема Пойа, доказанная в 1937 г., которая дает возможность на основе теории групп симметрии вычислять число изомеров для структур всех типов. Интерес к задаче о перечислении изомеров не исчерпан до настоящего времени. Это лишь одно, притом не основное приложение теории графов к химии вообще. Начиная с работы Балабана, появившейся в 1966 г., методы теории графов широко применяются для описания внутримолекулярных перегруппировок, ароматических структур и т. д. Во многих случаях возможно эквивалентное применение топологических матриц. Выше уже было отмечено, что структурная теория органической химии на первом этапе носила принципиально топологический характер, она учитывала только факт и порядок связи между определенными атомами в молекуле. Поэтому неудивительно, что хюккелевские матрицы, введенные при рассмотрении молекулярных орбиталей сопряженных π-элек-тронных систем, оказались топологическими. Топологические матрицы специального вида применены в оригинальной трактовке химических реакций в работе Уги, который наиболее энергично развивает подход к химии как логической структуре с позиций теоретико-множественной топологии. Необходимо отметить также работы выдающегося советского химика А. А. Баландина, начатые в 1935 г. На протяжении ряда лет он развивал совершенно оригинальные взгляды относительно формального описания органических молекулярных структур и реакций с помощью матричной алгебры. Эти работы, собранные вместе, составили третий том его избранных сочинений под названием «Структурная алгебра». Теперь ясно видно, что их автор как по уровню идей, так и по математической вооруженности опередил своих современников-химиков на 35—40 лет. Поэтому работы Баландина не были восприняты и не смогли оказать влияния на исследования в этой области, развитие которой началось в 1960-х годах заново и пошло по несколько иному пути. Важное значение для современной стереохимии имеет геометрическая топология. Координационная и металлоорганическая химия оперируют многочисленными молекулярными многогранниками, подчиняющимися теореме Эйлера В + Г == Р + 2, которая является первой теоремой топологии и тесно связана с теорией графов. В топологии давно известны фигуры, молекулярные аналоги которых построены только недавно,— катенаны и ротаксаны с топологической связью; возникло новое направление — химическая топология. Таким образом, в результате длительного развития сложилась следующая структура. В настоящее время стереохимия состоит из четырех основных разделов Статическая, или конфигурационная, стереохимия имеет своей главной задачей определение абсолютных конфигураций энантиомеров хиральпых молекул и установление зависимости знака и величины оптического вращения от структуры. Конформационный анализ концентрирует внимание на внутренней жизни» молекул в отсутствие химической реакции. Динамическая стереохимия представляет собой стереохимическую часть современной теории механизмов химических реакций. Теоретическая стереохимия имеет дело с основными понятиями и концепциями, математическими основаниями стереохимии и описанием формальной стороны стереохимических процессов, которые носят максимально общий характер и потому в минимальной степени связаны с химической природой частных молекулярных объектов. Разумеется, нельзя провести резких границ между этими разделами. Так, конформационный анализ включает в качестве важной части изучение влияния конформаций на реакционную способность. Изменение конфигурации может происходить как при конформационных процессах, так и в ходе реакции. Что же касается сферы действия теоретической стереохимии, то по самому смыслу она частично перекрывается с остальными тремя разделами. Однако условность такого деления никоим образом не противоречит существованию определенного круга проблем, составляющих центр тяжести каждого раздела. Основные положения молекулярной геометрии Атомы и ионы, образующие молекулы, могут соединяться посредством химических связей различным образом. При рассмотрении стереохимических проблем наиболее важным является то, что химическая связь характеризуется длиной и направлением в пространстве. Длина связи – это расстояние между центрами двух соседних связанных атомов. Длина связи рассчитывается на основе спектрометрических и рентгенографических измерений. Длина связи также зависит от числа заместителей, присоединенных к данной паре атомов. Ниже приведены примеры длины некоторых связей в нанометрах. Простая связь Двойная связь Тройная связь 3 3 С(sp ) - С(sp ) 0,154 С=С 0,134 С≡С 0,121 С(sp3) - С(sp2) 0,150 С(sp3) - С(sp) 0,146 С(sp2) - С(sp2) 0,147-0,148 С(sp2) - С(sp) 0,142-0,143 С(sp) - С(sp) 0,139 0,109 H - С(sp3) О - С(sp3) 0,143 О - С(sp2) 0,134 3 N - С(sp ) 0,147 N - С(sp2) 0,136 N - С(sp) 0,135 Валентный угол - угол между двумя связями у одного атома. В идеальном случае валентные углы у С(sp3) ≈109°, у С(sp2) = 120°, у С(sp) = 180°, но чаще всего в реальных молекулах существенно отличаются от этих значений Способы изображения пространственного строения молекул Рис. 1 Способы изображения пространственного строения молекулы этана: 1,4 – проекция «козлы», 2,5 – «летящие клинья». 3,6 - Ньюмена 1,2,3 — заслоненная конформация; 4, 5, 6 — заторможенная конформация; HH H H C H H C H H H H C H H H 3 2 1 4 C H H H H C H H H H C H H H 5 6 Для оптических изомеров (энантиомеров) обычно используют формулы Фишера (la) — (1г), показанные ниже на примере одного энантиомеров молочной кислоты. COOH H OH CH3 COOH HO H C H3 Для перехода от модели одного из энантиомеров молочной кислоты к формуле Фишера, надо ориентировать тетраэдр таким образом, чтобы горизонтальная пара связей была обращена к наблюдателю, а вертикальная — удалена от него. Очевидно, что при этом возможны разные ориентации: на тетраэдр можно смотреть разных сторон. В результате одна модель может дать двенадцать (!) внешне непохожих друг на друга проекционных формул Фишера. Существуют однако, определенные правила: в случае гидроксикислот вверху помещают карбоксильную группу, а углеродную цепь располагают сверху вниз. Это расположение переносят на плоскость бумаги. COOH H CH3 OH H C CH3 OH H COOH (1а) COOH COOH C H OH CH3 CH3 (1б) OH (1в) (1г) Из разных вариантов записи проекционных формул наиболее целесообразен вариант (1а), столь же ясное изображение дает вариант (16): В обоих случаях видно, какие группы приближены к наблюдателю, какие удалены от него. В вариантах (1в) и (1г) такой определенности , что создает почву для недоразумений; увидев изображение типа (1в) или (1г), надо еще разобраться, имел ли в виду автор подлинную проекцию Фишера (к наблюдателю приближены боковые заместители) или ее вариант, при котором приближены верхний и нижний заместители. Преимущество же варианта (1а) перед (16) заключается, по нашему мнению, в том, что первый из них более условен, т. е. яснее показывает, что написанное представляет собой именно проекционную формулу, выражающую определенную конфигурацию, а не развернутую структурную формулу, в которой ориентация заместителей выбрана случайно. Для того чтобы сопоставить «нестандартно» написанные проекционные формулы, надо знать правила их преобразования. 1. Проекционные формулы можно вращать в плоскости чертежа на 180°, не меняя их стереохимического смысла: COOH CH3 H OH HO CH3 H COOH равнозначно Пользуясь записью типа (1а), можно повернуть формулу в плоскости чертежа и на 90°: изменившаяся ориентация пунктирной линии покажет, что теперь боковые заместители лежат дальше от наблюдателя, но конфигурация по-прежнему изображена правильно. В случае формул типов (1в) и (1г) поворот на 90° приведет к обратной конфигурации. 2. Одна (или любое нечетное число) перестановок заместителей у асимметрического центра приводит к формуле оптического антипода; любое четное число перестановок не изменяет стереохимического смысла формулы: COOH COOH COOH H H OH OH C H3 H OH C H3 C H3 первая антипод вторая перестановка перестановка 3. Вместо перестановок проекционные формулы можно преобразовывать, вращая три заместителя по часовой стрелке или против нее: H OH CH3 CH3 COOH COOH H H3C OH H COOH OH 4. Проекционные формулы нельзя выводить из плоскости чертежа; нельзя, например, рассматривать их «на просвет», с обратной стороны бумаги, так как при этом мы увидели бы формулу антипода. Существуют и другие способы изображения энантиомеров, в частности формулы Ньюмена. Полезно научиться переходить от формул Ньюмена к формулам Фишера и обратно. Воспользуемся примером 3-фенилбутанола-2 — соединения с двумя асимметрическими атомами (2). Для того чтобы изображающую одну из конформаций этого соединения формулу Ньюмена (2а) превратить в формулу Фишера (2в), формулу (2а) прежде всего следует изобразить в виде заслоненной конформаций [формула (26)], затем повернуть ее на 90° вокруг изображенной пунктирной линией горизонтальной оси, что и дает правильную формулу Фишера (2в). CH3 CH3 CH3 C6H5 C6H5 H CH3 CH CH CH3 H OH C6H5OH H OH CH3 (2) (2а) H3C H3C H H OH (2б) H C6H5 (2в) Номенклатура энантиомеров Исторически первая — предложенная еще в прошлом веке Э. Фишером D,Lноменклатура, которая для окси-, аминокислот и сахаров используется и в настоящее время, так называемая «система ключей». Обозначения выбирают на основе проекционной формулы Фишера: если NH2- или ОН-группа в стандартно написанной проекционной формуле Фишера расположена слева — обозначение L, справа — обозначение D: CHO H2N (CHOH)n COOH COOH H H OH R R H OH CH2OH L – аминокислота D – гидроксокислота D – моносахарид Для моносахаридов конфигурацию всех ОН групп в углеродном скелете обозначают словами: глюко, манно, галакто и т.д. (на схеме это показано стрелками) глюко CHO H HO манно CHO OH H OH H H OH H OH HO H H OH HO H CH2OH D – глюкоза CH2OH L – манноза Правила IUPAC – R,S-система для энантиомеров Обозначение конфигурации выводится из самой молекулярной модели, тогда нет необходимости определять правила написания ее проекций. Каждый хиральный центр рассматривается и обозначается независимо и число символов равно числу хиральных центров. Молекулу рассматривают со стороны противоположной самому младшему заместителю. Старшинство определяют по правилу последовательности. 3 3 COOH H1 4 C HO 2 CH3 COOH 1 C H OH H3C 4 R S 2 2R –оксипропановая кислота 2S –оксипропановая кислота Хотя выбор обозначений по пространственной модели принципиально правильнее, чаще всего в практике работают не с моделями, а с проекционными формулами, тогда нужно четко определить связь конформационной модели с прекционной формулой. В этом случае проекционную формулу преобразуют так, чтобы младший заместитель оказался внизу или вверху, естественно, для этого надо использовать только те приемы, которые не изменяют конфигурации и после этого определяют R,S-обозначения, как и на модели: уменьшение старшинства трех заместителей по часовой стрелке —R, против —S. 1C COOH CH3 CH3 HO C6H5 H2N H 2 HO 3 4 H H 1S –фенилэтанамин – 1 3 O 1 H OH R(C2) 1 S(C3) 2 3 H 4 CH3 2R –оксипропановая кислота 4 2 2R, 3S –диоксибутаналь Можно обойтись и без преобразования проекционных формул, в которых младший заместитель стоит сбоку. В этом случае определяют порядок уменьшения старшинства трех заместителей, отбрасывая младший, но символ выбирают «обратный»: S – при уменьшении старшинства по часовой стрелке, R – против. Аналогично поступают при обозначении конфигурации модели в которой младший заместитель стоит спереди: при уменьшении старшинства по часовой стрелке – S, против – R. H H3C 3 4 2 2 3 1 5 6 4 H H3C 1 3 4 R 6 3R –метилциклогексанон – 1 2 3 1 5 O 2 1 4 S O 3S –метилциклогексанон – 1 Поляриметрия Измерение оптического вращения с помощью поляриметра – один из самых старых физико- химических методов в органической химии. СХЕМА ПОЛЯРИМЕТРА Угол вращения зависит от длины слоя оптически активного вещества, а для растворов также и от его концентрации. Для характеристики вещества используют величину удельного вращения [α ] – угол вращения плоскости поляризации жидкостью или раствором, содержащим в 1мл 1г оптически активного вещества при длине слоя 1дм (10см). α [α ] = , где α – угол вращения испытуемого вещества в градусах – (°), !⋅d l – длина трубки в дм, d – плотность вещества в г/см3. α ⋅ 100 , !⋅с где с – число граммов опт. акт. вещества в 100мл раствора. Часто вместо удельного вращения пользуются величиной молекулярного вращения [М], [α ] , где М – молекулярная масса вещества. которую вычисляют по формуле [М] = М 100 Как удельное, так и молекулярное вращение жидостей зависят от: 1. природы вещества 2. температуры 3. длины волны поляризованного света, а для растворов дополнительно зависит еще от 4. природы растворителя и 5. концентрации растворенного вещества. Так как величина вращения зависит от длины волны, и температуры это учитывается при записи результатов измерений, [α ]D23, 23 – температура в °С, D – длина волны натрия (источник света в поляриметре натриевая лампа), для которой λ = 589 нм Эти зависимости настолько велики, что один и тот же оптический изомер может иметь в различных условиях измерения не только различную величину вращения, но даже и знак вращения. Для растворов формула имеет вид [α ] = Например, один и тот же антипод яблочной кислоты в водном растворе при различных концентрациях 64% и 21% имеет различное вращение [α ]D23 – 0,9° (вода С 21) [α ]D23 +2,72° (вода С 64) и Пример зависимости удельного вращения зависит от природы растворителя и температуры, один и тот же изомер диэтилового эфира винной кислоты имеет различные значения удельного вращения в разных условиях измерения: чистый(жидкость) [α ]D20 + 7,4° (вода С 21) [α ]D20 + 10,0° (этилацетат) [α ]D20 – 3,19° (хлороформ) [α ]D36 0° (хлороформ) [α ]D50 + 1,26° (хлороформ) Необходимо отметить, что общих явно выраженных закономерностей зависимости удельного вращения от температуры нет, например для водного раствора аспарагиновой кислоты [α ]D90 – 1,86° . Повышение темпратуры переводит правое [α ]D20 + 4,36° , вращение в левое, однако конфиурация оптически активного изомера не меняется. Удельное и молекулярое вращение можно измерять различными приборами: поляриметрами, спектрополяриметрами. Спектрополяриметр позволяет измерить зависимость величиы вращения от длины волны, которую называют кривыми дисперсии оптического вращения (кривые ДОВ), записываемые в координатах длина волны – молекулярное вращение. КАРТИНКИ КРИВЫХ ДОВ 1- плавная кривая, 2- кривая с положительным эффектом Коттона, 3-кривая с несколькими эффектами Коттона, положительными и отрицательными Кривые ДОВ зависят от природы вещества, его конфигурации и конформации, растворителя и темпратуры, что делает спектрополяриметрию важным методом изучения строения органических веществ. Соединения с одним асимметрическим атомом Асимметрический атом это атом содержащий четыре различных заместителя. Для вещества содержащего один асимметрический атом углерода возможно существование двух структур, отличающихся друг от друга как отражение в зеркале. Такой вид изомерии называют зеркальной, оптической или энантиомерией, а изомеры называют оптическими антиподами или энантиомерами. Энантиомеры (оптические антиподы) имеют одинаковое по величине, но разное по знаку удельное вращение. Вещество с одним асимметрическим атомом кроме двух энантиомеров имеет еще один оптически неактивный изомер – рацемат, состоящий из равных количеств обоих антиподов. Таким образом у соединения с 1 асимметрическим.атомом имеется 3 изомера: 2 оптически активных(энантиомеры) и один оптически неактивный(рацемат). Энантиомеры имеют практически одинаковые химические и физические свойства: температуры плавления, кипения, плотность, дипольный момент, спектральные характеристики и т. д. Обычным химическим путем разделить их не удается. Они отличаются друг от друга лишь небольшой группой свойств: имеют разное по знаку удельное вращение, разную форму кристаллов (отличаются как отражение в зеркале), очень незначительно отличаются их ЯМР –спектры в оптически активных (хиральных) растворителях, различна их реакционная способность в реакциях с оптически активными (хиральными) реагентами, особенно с ферментами. Последние три признака различий очень трудно определяются, поэтому в практике их чаще всего различают по главному признаку – вращению, однако не следует забывать, что вращение очень зависит от условий его измерения. Истинный рацемат чаще всего имеет физические константы отличные от констант чистых индивидуальных энантиомеров (температуру плавления, плотность, растворимость и др.). Выражение «рацемическая смесь» не всегда точно, в большинстве случаев истинный рацемат – является не простой смесью равных количеств энантиомеров, а молекулярным соединением. Это хорошо видно на диаграммах состав — температура плавления ДИАГРАММА левовращающий состав правовращающий А и В – истинные рацематы А – темп. пл. рацемата › темп. пл. антиподов В – темп. пл. рацемата ‹ темп. пл. антиподов С – конгломерат (простая смесь кристаллов лево- и право-вращающих форм) Е, Д – непрерывный ряд смешанных кристаллов образуется при любом соотношении антиподов. Диаграммы плавления позволяют выяснить тип рацемической модификации, что используется для определения конфигурации изомеров (метод квазирацематов). В обычном химическом синтезе всегда получаются рацематы. Соединения с двумя и более асимметрическими атомами Пусть в молекуле вещества имеются два асимметрических атома, обозначим их А и В. Каждый из атомов может быть как правовращающим (+) так и левовращающим (-) и примем что величина удельного вращения А не равна В. Тогда для структуры с двумя асимметрическими атомоми (А и В) возможны 4 типа оптически активных молекул. 1 молекула А(+) В(+) 3 молекула А(-) В(+) 2 молекула А(-) В(-) 4 молекула А(+) В(-) Сравним молекулы друг с другом.Молекулы 1 и 2, 3 и 4 являются попарно энантиомерами. Каждая из пар энантиомеров образует рацемат, соответственно рацемат 1 и рацемат 2. Таким образом у молекулы с двумя различными асимметрическими атомами могут быть 4 оптически активных изомера и 2 рацемата. Молекулы 1 и 3, 1 и 4, 2 и 3, 2 и 4 имеют попарно одинаковую конфигурацию одного из атомов и противоположную у другого. Такие пары называют диастереоизомерами. Диастереоизомеры отличаются не только величиной оптического вращения, но и всеми другими физическими свойствами: температурами плавления икипения, спектральными данными, потностью, растворимостью, коэффициентами адсорбции и т.д.Эти различия позволяют достаточно просто отделять их друг от друга обычными приемами (кристаллизацией, хроматографией). Рассмотрим это на примере хлоряблочной (2-хлор-3-оксибутандиовой) кислоты HOOC CH CH COOH OH Cl H OH HO H H H Cl Cl H Cl эритро – (–) т.пл. 173˚С [α]D – 31,3˚ OH H COOH COOH эритро – (+) т.пл. 173˚С [α]D + 31,3˚ трео – (+) т.пл. 167˚С [α]D + 9,4˚ COOH COOH COOH COOH COOH рацемат эритро т.пл. 146˚С HO H H Cl COOH трео – (–) т.пл. 167˚С [α]D – 9,4˚ рацемат трео т.пл. 153˚С d420 1,2387 nD20 1,4517 d420 1,2321 nD20 1,4507 При увеличении числа асимметрических атомов число оптически активных пространственных изомеров возрастает, причем каждый новый асимметрический центр удваивает число стереоизомеров. Общее число стереоизомеров для соединений с различными асимметрическими центрами определяется формулой Z = 2n , где n – число асимметрических центров. Так, например, моноэфир триоксиглутаровой кислоты HOOC-CHOH-CHOH-CHOHCOOR с тремя С* имеет 8 стереоизомеров и 4 рацемата. Если в молекуле имеются одинаковые хиральные центры и она симметрична число стереоизомеров может уменьшаться. Так, например, у винной кислоты имеется 3 стереоизомера (из них 2 оптически активных, один неактивный—мезоформа) и один рацемат. COOH COOH COOH COOH H HO OH H COOH (+) винная HO H H H OH HO H OH H OH HO H COOH (-) винная COOH мезовинная COOH
