Изомеры, изомерия

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства

Явление существования изомеров называется изомерией

Например, вещество состава С 4 Н 10 имеет два изомерных соединения.

Физические свойства бутана и изобутана отличаются: изобутан имеет более низкие температуры плавления и кипения, чем н.бутан.

Шаростержневая модель молекулы бутанаШаростержневая модель молекулы изобутана

Химические свойства данных изомеров различаются незначительно, т.к. они имеют одинаковые качественный состав и характер связи между атомами в молекуле.

По- другому определение изомеров можно дать так:

Изомеры – вещества, имеющие одинаковую молекулярную, но разную структурную формулу.

Виды изомерии

В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.

Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением .

Структурная изомерия

Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле

Оптические изомеры еще называют зеркальными или хиральными (как левая и правая рука)

Причиной возникновения геометрической изомерии является от­сутствие свободного вращения вокруг σ-связи. Этот вид изомерии ха­рактерен для соединений, содержащих двойную связь, и для соедине­ний алициклического ряда.

Геометрические изомеры это вещества, имеющие одинаковую мо­лекулярную формулу, одинаковую последовательность связывания атомов в молекулах, но отличающиеся друг от друга различным рас­положением атомов или атомных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи или плоскости цикла.

Причиной возникновения данного вида изомерии является невоз­можность свободного вращения вокруг двойной связи или σ-связей, образующих цикл.

Например, бутен-2 СН 3 -СН=СН-СН 3 может существовать в виде двух изомеров, которые различаются расположениями метильных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи.

или 1,2-диметилциклопропан существует в виде двух изомеров, кото­рые различаются расположением метильных групп в пространстве от­носительно плоскости цикла:

Для обозначения конфигурации геометрических изомеров исполь­зуют цис-, транс-систему. Если одинаковые заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи или цикла - конфи­гурацию обозначают цис-. если по разные стороны - транс-.

КОНФОРМАЦИОННАЯ ИЗОМЕРИЯ

Конформационная (поворотная) изомерия обусловлена враще­нием атомов или атомных групп вокруг одной или нескольких про­стых σ-связей. В результате вращения вокруг С-С-связей молеку­лы могут иметь различные пространственные формы, которые назы­вают конформациями.

Например, молекула этана вследствие вращения вокруг углерод- углеродной связи может принимать бесконечное множество конфор­маций. каждая из которых характеризуется определенным значением потенциальной энергии. Две крайние конформации называют засло­ненной и заторможенной.

В заслоненной конформации этана атомы водорода метильных групп, если смотреть вдоль связи углерод-углерод, расположены друг за другом. В заторможенной - атомы водорода одной метальной груп­пы максимально удалены от атомов водорода другой. Между засло­ненной и заторможенной конформацией молекула в процессе враще­ния принимает множество скошенных конформаций.

Каждая из конформаций молекулы этана характеризуется различ­ной потенциальной энергией. Заслоненная конформация имеет мак­симальную энергию, а заторможенная - минимальную.

Заторможенная конформация, в которой метильные группы (объем­ные заместители) максимально удалены друг от друга, получила название анти-конформации. Другая заторможенная конформация называется гош-конформацией.

Заторможенная гош-конформация обладает несколько большей потенциальной энергией (за счет метил-метильного взаимодействия), чем анти-конформация (в ней взаимодействие между метилами вооб­ще отсутствует).

Конформации с наименьшим запасом энергии называют конфор- мерами или конформационными (поворотными) изомерами.

Так, н-бутан при 25 °С существует примерно на 70 % в форме анти- конформера и на 30 % гош-конформера.

В отличие от конфигурационных изомеров, конформеры превраща­ются друг в друга без разрыва химических связей и не поддаются разделе­нию. Они обнаруживаются только физико-химическими методами.

Напомним, что изомеры - это соединения, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное расположение атомов.

Среди различных типов изомеров можно выделить два главных. Структурные изомеры, как мы уже указывали выше, имеют одинаковую молекулярную формулу, но их атомы связаны между собой в разной последовательности. Стереоизомеры тоже имеют одинаковую молекулярную формулу и даже одинаковую последовательность связывания атомов, но отличаются различным пространственным расположением своих атомов. Стереоизомеры в свою очередь подразделяются на две категории: геометрические и оптические изомеры.

Прежде чем перейти к рассмотрению стереоизомерии каждого типа, хотелось бы отметить, что изомеры, как структурные, так и стерео, - это соединения, которые можно отделить друг от друга и которые обладают различными физическими и/или химическими свойствами.

Стереоизомерию обнаруживают не только органические, но и неорганические соединения. Например, соединение обнаруживает геометрическую изомерию, а октаэдрический комплексный ион обнаруживает оптическую изомерию.

Геометрическая изомерия

Геометрические изомеры, как показывает их название, отличаются геометрическим расположением своих атомов. В качестве примера приведем 1,2-дибромоэтен -дибромоэтилен). Он имеет молекулярную формулу и структурную формулу Молекула со структурной формулой может иметь два разных геометрических расположения атомов. Соединения с такими расположениями атомов называются цис- и транс-изомерами. Эти изомеры заметно различаются по физическим свойствам. Например, они имеют явно различные температуры плавления и

Слово «цис» означает «с той же стороны», а «транс» - «с противоположной стороны». Указанный тип изомерии иногда называют цис-транс-изомерией. Двойная связь в молекуле удерживает атомы в одном из этих двух положений. Вращение вокруг двойной связи невозможно. Сопоставим 1,2-дибромоэтилен с 1,2-дибромоэтаном. В последнем соединении возможно свободное вращение вокруг простой углерод-углеродной связи, поэтому изображенные ниже молекулы не являются изомерами:

Эти два расположения эквивалентны шахматной и заслоненной конформациям, которые обсуждались выше. Молекула может в один момент времени находиться в шахматной конформации, а в следующий момент времени уже в заслоненной конформации. Поэтому невозможно выделить молекулы в какой-либо одной конформации. Поскольку пространственное расположение атомов ничем не фиксировано и поскольку невозможно выделить молекулы с одной конформацией, нельзя рассматривать различные конформации как изомеры.

В заключение следует отметить, что соединение с молекулярной формулой может существовать в виде одного из двух структурных изомеров. Один из них имеет структурную формулу которой, как было показано выше, в свою очередь могут соответствовать два геометрических изомера. Другой структурный изомер имеет структурную формулу Эта структура не имеет геометрических изомеров. Формулы представляют собой просто две разные формы записи одной и той же структуры. Они соответствуют одному и тому же соединению.

Хорошим примером, на котором можно проиллюстрировать различие химических свойств у геометрических изомеров, являются геометрические изомеры бутендиовой кислоты (рис. 17.26). Ее -изомер, имеющий тривиальное название «малеиновая кислота», характеризуется температурой плавления 139-140 °С. При нагревании до 160°С или до 100°С при пониженном давлении малеиновая кислота теряет воду и превращается, с низким выходом, в ангидрид малеиновой кислоты (рис. 17.26, а). транс-Изомер бутендиовой кислоты, имеющий тривиальное название «фумаровая кислота», характеризуется температурой плавления 287 °С. При нагревании до 290 °С фумаровая кислота возгоняется. При дальнейшем нагревании до температуры 300 °С происходит ее перегруппировка с образованием -изомера (малеиновой кислоты) и небольшого количества ангидрида малеиновой кислоты (рис. 17.26,б). Механизм этой реакции включает разрыв -связи между двумя атомами углерода. За этим следует вращение вокруг -связи (рис. 17.26, в) до тех пор, пока не образуется новая -связь.

Рис. 17.26. Геометрическая изомерия.

Оптическая изомерия

Если в органическом соединении к какому-либо атому углерода присоединены четыре различных атома или группы, такой атом называется асимметрическим или хиральным. Молекула, содержащая один или несколько асимметрических атомов углерода, обычно, хотя и не всегда, тоже является асимметрической (хиральной). Примером соединения с одним асимметрическим атомом углерода является 2-гидроксипропа-ыовая (молочная) кислота. Ее центральный атом углерода является асимметрическим, потому что с ним связаны четыре различных атома или группы. Такую молекулу никакими вращениями в пространстве невозможно совместить с ее зеркальным отображением (рис. 17.27). Поэтому две молекулы, которые являются зеркальными отображениями Друг друга, представляют собой изомеры. Они называются энантиомерами.

Энантиомеры могут существовать изолированно друг от друга либо в виде смеси. Смесь, содержащая эквимолярное количество (равное число молей) каждого из двух энантиомеров, называется рацемической смесью. Разделение рацемической смеси на два

Рис. 17.27. 2-Гидроксипропановая (молочная) кислота.

чистых энантиомера называется расщеплением. Кристаллы двух энантиомеров представляют собой зеркальные отображения друг друга.

Энантиомеры различаются только по оптической активности, все остальные физические и химические свойства их одинаковы.

Хиральность

Если рассматривать в зеркале свою левую руку, она выглядит в точности так. как правая рука. Таким образом, левая и правая руки человека являются зеркальными отображениями друг друга. Теперь представьте себе мысленно, что вы поменяли местами левую и правую кисти рук. При этом как бы вы ни старались их повернуть - вверх ладонью или вниз - левая рука никогда не будет идентична правой и, наоборот, правая - левой. Таким образом, хотя правая рука является зеркальным отображением левой руки, одну из них никак нельзя совместить с другой. В этом и заключается свойство, называемое хиральностью. Это понятие распространяется на все эквивалентные, но левосторонние и правосторонние объекты, например на ноги. Слово «хиральность» происходит от греческого слова, означающего руку.

Хиральность обусловлена отсутствием симметрии, т.е. асимметрией. Любая пара предметов, которые являются зеркальными отображениями друг друга, но не могут быть совмещены никакими поворотами, является парой асимметрических предметов.

Что такое оптическая активность? Луч обычного света представляет собой поток электромагнитных волн, колебания которых происходят во всех направлениях под прямым углом к направлению распространения луча света. На рис. 17.28,а схематически изображен пучок света, колебания в котором происходят по четырем разным направлениям, т.е. в четырех разных плоскостях. В правой части рисунка показано также поперечное сечение этих плоскостей. Свет, колебания которого происходят только в одной плоскости, называется плоскополяризованным. Такой свет схематически изображен на рис. 17.28, б.

Соединение, способное вращать проходящий сквозь него плоскополяризованный свет таким образом, что после этого колебания света происходят уже в другой плоскости, называется оптически активным. Для того чтобы соединение было оптически активным, оно должно состоять из асимметрических молекул (или ионов). Все

Рис. 17.28. Неполяризованный (а) и плоскополяризованный (б) свет.

соединения, содержащие один асимметрический атом углерода, обнаруживают оптическую активность.

Таким свойством обладают все энантиомеры. Поэтому иногда их еще называют оптическими изомерами. Если один энантиомер вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, то другой энантиомер вращает его обязательно против часовой стрелки. Вещества, вращающие плоскость поляризации света по часовой стрелке, называются правовращающими (рис. 17.29). Правовращающий энантиомер обозначается символом Вещества, вращающие плоскополяризованный свет против часовой стрелки, называются левовращающими. Левовращающий энантиомер обозначается символом

Оптическая изомерия имеет огромное значение в биохимии. Например, все аминокислоты, из которых осуществляется синтез белков, обладают оптической активностью, за исключением простейшей аминокислоты первого члена ряда аминокислот, которая не содержит асимметрического атома углерода. На рис. 17.30 показаны аминокислоты, систематическое название (по номенклатуре ИЮПАК) которой - 2-аминопропановая кислота, а тривиальное название - аланин. В природе встречается только этой аминокислоты (на рисунке он изображен слева). Если заменить группу в аланине произвольной группой R, то нетрудно видеть, что все остальные встречающиеся в природе аминокислоты имеют такую же конфигурацию, как у Однако знак вращения может быть либо в зависимости от конкретного характера группы R. Оптической активностью обладают также многие углеводы. В качестве примера приведем глюкозу.

Рис. 17.29. Оптическое вращение.

Рис. 17.30. 2-Аминопропановая кислота (аланин).

Мы уже отмечали, что пара энантиомеров всегда обладает одинаковыми химическими и физическими свойствами, за исключением оптической активности. Однако химическая активность каждого соединения из пары энантиомеров может оказаться совершенно различной в реакциях с другими оптически активными соединениями. Такой стереоспецифичностью характеризуются многие биохимические реакции. Это особенно относится к ферментам.

Поляриметр

Угол вращения плоскости поляризации света каким-либо энантиомером определяется его природой и, таким образом, является одной из его характеристик. Для измерения этого угла вращения используется специальный прибор - поляриметр (его схема показана на рис. 17.31). В этом приборе обычно используется монохроматический источник света, например натриевая лампа. Монохроматический свет характеризуется одной длиной волны, тогда как обычный белый свет представляет собой смесь со всеми длинами волн в пределах видимого диапазона. Монохроматический свет не поляризован. Поэтому его предварительно пропускают через поляризатор, который превращает его в плоскополяризованный свет. Затем плоскополяризованный свет пропускают через кювету с раствором того вещества, для которого производится измерение угла оптического вращения. Свет, выходящий из кюветы с образцом, имеет плоскость поляризации, повернутую по часовой стрелке или против часовой стрелки на некоторый угол, который и подлежит измерению. Направление вращения определяется по отношению к наблюдателю, а угол вращения определяется с помощью специального анализатора, который имеется в поляриметре. Анализатор представляет собой такое устройство, которое пропускает только плоскополяризованный свет. Сначала он устанавливается так, чтобы пропускать плоскополяризованный свет, вышедший из поляризатора, но не повернутый образцом. Плоскополяризованный свет, повернутый образцом, не может пройти через анализатор, который находится в исходном положении. Тогда анализатор медленно поворачивают до тех пор, пока он не станет максимально пропускать свет, прошедший сквозь кювету с образцом. В таком положении плоскость пропускания анализатора совпадает с плоскостью поляризации света, прошедшего сквозь образец (рис. 17.31, б). Разность углов между исходным и окончательным положениями анализатора определяет угол оптического вращения исследуемого вещества.

Рис. 17.31. Схема устройства поляриметра.

Лабораторный поляриметр.

Соединения, содержащие два или несколько асимметрических атомов углерода

Соединение, содержащее два или несколько асимметрических атомов углерода, может существовать в виде трех или большего количества стереоизомеров. В качестве примера рассмотрим 2,3-дигидроксибутандиовую кислоту (ее тривиальное название - винная кислота). В этом соединении имеются два асимметрических атома углерода, которые помечены звездочками на рис. 17.32. 2,3-Дигидроксибутандиовая кислота имеет три стереоизомера. Их ньюменовские проекции показаны на рис. 17.32. Все три изомера могут существовать в шахматной, заслоненной или промежуточной, скрученной, конформациях. Два из трех изомеров полностью асимметрические. Они не имеют ни плоскости симметрии, ни центра симметрии, как бы ни была ориентирована одна половина по отношению к другой. Эти два изомера представляют собой несовместимые зеркальные отражения один другого. Поэтому они образуют пару энантиомеров. На рис. 17.32 они показаны в шахматной конформации. Два асимметрических атома углерода одного из этих энантиомеров вращают плоскополяризованный свет вправо. Следовательно, этот энантиомер является правовращающим и обозначается символом (+). Асимметрические атомы углерода в другом энантиомере вращают плоскополяризованный свет влево. Следовательно, этот энантиомер является левовращающим и обозначается символом (-).

Третий стереоизомер тоже имеет два асимметрических атома углерода, но в целом его молекула симметрична. Она имеет плоскость симметрии, перпендикулярную линии связи между двумя центральными атомами углерода. Этот стереоизомер показан в заслоненной конформации на рис. 17.32. Поскольку его молекула симметрична, она не является оптически активной. Один из ее асимметрических атомов углерода вращает

Рис. 17.32. 2,3-Дигидроксибутандиовая (винная) кислота.

плоскополяризованный свет вправо, а другой - вращает его на такой же угол влево. Результирующий эффект оказывается равным нулю.

Если какой-либо стереоизомер, содержащий два или несколько асимметрических атомов углерода, является оптически неактивным из-за наличия симметрии у его молекулы, то он считается внутренне скомпенсированным. Стереоизомер, который не обладает оптической активностью (и, следовательно, не является энантиомером), называется диастереоизомером. Таким образом, изображенный на рис. 17.32 изомер в заслоненной конформации представляет собой диастереоизомер.

Рацемическая смесь двух энантиомеров тоже является оптически неактивной, поскольку правовращающее действие одного энантиомера компенсируется левовращающим действием другого энантиомера. Результирующее вращение оказывается равным нулю. Рацемическую смесь обозначают символом (+) и считают внешне скомпенсированной.

Итак, повторим еще раз!

1. Метан имеет тетраэдрическую молекулярную структуру.

2. Этилен имеет плоскую молекулярную структуру.

3. Ацетилен имеет линейную молекулярную структуру.

4. р-Электроны в циклической структуре ароматического соединения делокализованы, образуя -электронное облако.

5. Конформации - это различные пространственные расположения атомов в молекуле.

6. Шахматная и заслоненная конформации - это предельные типы конформаций. Скрученные конформации представляют собой промежуточные случаи между этими двумя предельными конформациями.

7. Циклическая структура циклогексана может иметь конформацию кресла либо конформацию ванны.

8. Стереоизомеры имеют различное пространственное расположение своих атомов.

9. Геометрические изомеры различаются геометрическим расположением своих атомов. Цис-транс-изомерия является примером изомерии такого типа.

10. Оптическими изомерами являются молекулы, которые представляют собой несовместимые зеркальные отражения друг друга. Они называются также энаптиомерами.

11. Рацемическая смесь содержит эквимолярные количества каждого из пары энантиомеров. Такая смесь является оптически неактивной.

12. Соединение, которое вращает плоскополяризованный свет, называется оптически активным.

13. Молекулы оптически активного соединения являются асимметрическими.

14. Для измерения угла вращения плоскополяризованного света каким-либо энантиомером используется поляриметр.

Важное следствие жесткости двойной связи (отсутствия вращения вокруг нее) - существованиегеометрических изомеров . Самые распространенные из них - это цис-,транс-изомеры соединений этиленового ряда, содержащих у ненасыщенных атомов неодинаковые заместители. Простейшим примером могут служить изомеры бутена-2.

Геометрические изомеры имеют одинаковое химическое строение, различаясь по пространственному расположению атомов, т.е. по конфигурации . Это различие и создает разницу в физических (а также химических свойствах). Геометрические изомеры, в отличие от конформеров, могут быть выделены в чистом виде и существуют как индивидуальные устойчивые вещества. Для их взаимного превращения необходима энергия порядка 125-170 кДж/моль, которую можно сообщить нагреванием или облучением.

В простейших случаях номенклатура геометрических изомеров не представляет затруднений:цис- формами называют геометрические изомеры, у которых одинаковые заместители лежат по одну сторону от плоскости пи-связи, транс- изомеры имеют одинаковые заместители на разных сторонах от плоскости пи-связи. В более сложных случаях применяется Z,E-номенклатура . Ее главный принцип: для обозначения конфигурации указывают цис- (Z, от немецкого Zusammen - вместе) или транс- (Е, от немецкого Entgegen - напротив) расположение старших заместителей при двойной связи.

В Z,E-системе старшими считаются заместители с большим атомным номером. Если атомы, непосредственно связанные с ненасыщенными углеродами, одинаковы, то переходят ко "второму слою", в случае необходимости - к "третьему слою" и т.д.

Рассмотрим применение правил Z,E-номенклатуры на двух примерах.

Начнем с формулы I, где все решается атомами "первого слоя". Расставив их атомные номера, получим, что старшие заместители каждой пары (бром в верхней части формулы и азот в нижней) находятся втранс -положении, отсюда следует стереохимические обозначение Е:

Е-1-бром-1-хлор-2-нитроэтен

Для определения стереохимического обозначения структуры II необходимо искать различие в "высших слоях". По первому слою группы СН 3 , С 2 Н 5 , С 3 Н 7 не отличаются. Во втором слое у группы СН 3 сумма атомных номеров равна трем (три атома водорода), у групп С 2 Н 5 и С 3 Н 7 - по 8. Значит, группа СН 3 не рассматривается - она младше двух других. Таким образом, старшие группы - это С 2 Н 5 и С 3 Н 7 , они находятся в цис -положении; стереохимическое обозначение Z.

Z-3-метилгептен-3

Если бы понадобилось определить, какая группа старше - С 2 Н 5 или С 3 Н 7 , пришлось бы перейти к атомам "третьего слоя", сумма атомных номеров в этом слое для обеих групп оказались бы соответственно равными 3 и 8, т.е. С 3 Н 7 старше, чем С 2 Н 5 . В более сложных случаях определения старшинства надо учитывать дополнительные условия, как-то: атом, связанный двойной связью, считается дважды, связанный тройной - трижды; из числа изотопов старше более тяжелый (дейтерий старше водорода) и некоторые другие.

Отметим, что обозначения Z не является синонимами цис- обозначений, как и обозначения Е не всегда соответствуют расположению транс- , например:

II.1. Конформации (поворотная изомерия)

Переход от простейшего органического углеводорода - метана, к его ближайшему гомологу - этану ставит проблемы пространственного строения, для решения которых недостаточно знать рассмотренные в разделе параметры. В самом деле, не меняя ни валентных углов, ни длин связей, можно представить себе множество геометрических форм молекулы этана, отличающихся друг от друга взаимным поворотом углеродных тетраэдров вокруг соединяющей их связи С-С. В результате такого вращения возникают поворотные изомеры (конформеры) . Энергия различных конформеров неодинакова, но энергетический барьер, разделяющий различные поворотные изомеры, для большинства органических соединений невелик. Поэтому при обычных условиях, как правило, нельзя зафиксировать молекулы в одной строго определенной конформации: обычно в равновесии сосуществуют несколько легко переходящих друг в друга поворотных форм.

Способы графического изображения конформаций и их номенклатура таковы. Рассмотрение начнем с молекулы этана. Для нее можно предвидеть существоввание двух максимально различающихся по энергии конформаций. Они изображены ниже в виде перспективных проекций (1) ("лесопильные козлы"), боковых проекций (2) и формул Ньюмена (3).

В перспективной проекции (1а, 1б) связь С-С надо представить себе уходящей вдаль; стоящий слева углеродный атом приближен к наблюдателю, стоящий справа - удален от него.

В боковой проекции (2а, 2б) четыре Н-атома лежат в плоскости чертежа; атомы углерода на самом деле несколько выходят из этой плоскости, но обычно упрощенно считают их также лежащими в плоскости чертежа. "Жирные" клиновидные связи утолщением клина показывают на выход из плоскости по направлению к наблюдателю того атома, к которому обращено утолщение. Пунктирные клиновидные связи отмечают удаление от наблюдателя.

В проекции Ньюмена (3а, 3б) молекулу рассматривают вдоль связи С-С (в направлении, указанном стрелкой на формулах 1а,б). Три линии, расходящиеся под углом 120 о из центра круга, обозначают связи ближайшего к наблюдателю углеродного атома; линии, "высовывающиеся" из-за круга - связи удаленного углеродного атома.

Изображенную слева конформацию называют заслоненной : название это напоминает о том, что атомы водорода обеих СН 3 -групп находятся друг против друга. Заслоненная конформация имеет повышенную внутреннюю энергию, и поэтому невыгодна. Конформацию, изображенную справа, называют заторможенной , подразумевая, что свободное вращение вокруг связи С-С "тормозится" в этом положении, т.е. молекула существует преимущественно в этой конформации.

Минимум энергии, необходимый для полного вращения молекулы вокруг определенной связи называется барьером вращения для данной связи. Барьер вращения в молекуле, подобной этану, может быть выражен через изменение потенциальной энергии молекулы как функции изменения двугранного (торсионного) угла системы. Двугранный угол (обозначаемый тау) изображен на рисунке, приведенном ниже:

Энергетический профиль вращения вокруг связи С-С в этане показан на следующем рисунке. Вращение "заднего" атома углерода изображено изменением двугранного угла между двумя показанными атомами водорода. Для простоты остальные атомы водорода опущены. Барьер вращения, разделяющий две формы этана, составляет только 3 ккал/моль (12.6 кДж/моль). Минимумы кривой потенциальной энергии соответствуют заторможенным конформациям, максимумы - заслоненным. Поскольку при комнатной температуре энергия некоторых столкновений молекул может достигать 20 ккал/моль (около 80 кДж/моль), то этот барьер в 12.6 кДж/моль легко преодолевается и вращение в этане рассматривают как свободное.

Подчеркнем, что каждая точка на кривой потенциальной энергии соответствует определенной конформации. Точки, соответствующие минимумам, отвечают конформационным изомерам, то есть преобладающим компонентам в смеси всех возможных конформаций .

С усложнением молекулы число возможных заметно отличающихся по энергии конформаций возрастает. Так, для н -бутана можно изобразить уже шесть конформаций, отличающихся взаимным расположением СН 3 -групп, т.е. поворотом вокруг центральной связи С-С. Ниже конформации н-бутана изображены в виде проекций Ньюмена. Изображенные слева (заслоненные) конформации энергетически невыгодны, практически реализуются лишь заторможенные.

Различные заслоненные и заторможенные конформации бутана неодинаковы по энергии. Соответствующие энергии всех конформаций, обрпзующихся при вращении вокруг центральной С-С связи, представлены ниже:

По мере усложнения молекулы число возможных конфомаций возрастает.

Итак, конформации - это различные неидентичные пространственные формы молекулы, имеющие определенную конфигурацию. Конформеры - это стереоизомерные структуры, находящиеся в подвижном равновесии и способные к взаимопревращению путем вращения вокруг простых связей.

Иногда барьер таких превращений становится достаточно высоким, чтобы разделить стереоизомерные формы (пример - оптически активные дифенилы; ). В таких случаях говорят уже не о конформерах, а о реально существующих стереоизомерах .

II.2. Геометрическая изомерия

Важное следствие жесткости двойной связи (отсутствия вращения вокруг нее) - существование геометрических изомеров . Самые распространенные из них - это цис-транс-изомеры соединений этиленового ряда, содержащих у ненасыщенных атомов неодинаковые заместители. Простейшим примером могут служить изомеры бутена-2.

Геометрические изомеры имеют одинаковое химическое строение (одинаковый порядок химической связи), различаясь по пространственному расположению атомов, по конфигурации . Это различие и создает разницу в физических (а также химических свойствах). Геометрические изомеры, в отличие от конформеров, могут быть выделены в чистом виде и существуют как индивидуальные, устойчивые вещества. Для их взаимного превращения необходима обычно энергия порядка 125-170 кДж/моль (30-40 ккал/моль). Эту энергию можно сообщить нагреванием или облучением.

В простейших случаях номенклатура геометрических изомеров не представляет затруднений: цис- формами называют геометрические изомеры, у которых одинаковые заместители лежат по одну сторону от плоскости пи-связи, транс- изомеры имеют одинаковые заместители на разных сторонах от плоскости пи-связи. В более сложных случаях применяется Z,E-номенклатура . Ее главный принцип: для обозначения конфигурации указывают цис- (Z, от немецкого Zusammen - вместе) или транс- (Е, от немецкого Entgegen - напротив) расположение старших заместителей при двойной связи.

В Z,E-системе старшими считаются заместители с большим атомным номером. Если атомы, непосредственно связанные с ненасыщенными углеродами, одинаковы, то переходят ко "второму слою", в случае необходимости - к "третьему слою" и т.д.

Рассмотрим применение правил Z,E-номенклатуры на двух примерах.

Начнем с формулы I, где все решается атомами "первого слоя". Расставив их атомные номера, получим, что старшие заместители каждой пары (бром в верхней части формулы и азот в нижней) находятся в транс -положении, отсюда следует стереохимические обозначение Е:

Е-1-бром-1-хлор-2-нитроэтен

Для определения стереохимического обозначения структуры II необходимо искать различие в "высших слоях". По первому слою группы СН 3 , С 2 Н 5 , С 3 Н 7 не отличаются. Во втором слое у группы СН 3 сумма атомных номеров равна трем (три атома водорода), у групп С 2 Н 5 и С 3 Н 7 - по 8. Значит, группа СН 3 не рассматривается - она младше двух других. Таким образом, старшие группы - это С 2 Н 5 и С 3 Н 7 , он находятся в цис -положении; стереохимические обозначение Z.

Z-3-метилгептен-3

Если бы понадобилось определить, какая группа старше - С 2 Н 5 или С 3 Н 7 , пришлось бы перейти к атомам "третьего слоя", сумма атомных номеров в этом слое для обеих групп оказались бы соответственно равными 3 и 8, т.е. С 3 Н 7 старше, чем С 2 Н 5 . В более сложных случаях определения старшинства надо учитывать дополнительные условия, как-то: атом, связанный двойной связью, считается дважды, связанный тройной - трижды; из числа изотопов старше более тяжелый (дейтерий старше водорода) и некоторые другие.

Отметим, что обозначения Z не является синонимами цис- обозначений, как и обозначения Е не всегда соответствуют расположению транс- , например:

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

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

Контрольные задачи

1. Бомбикол - феромон (половой аттрактант) тутового шелкопряда - представляет собой E-10-Z-12-гексадекадиенол-1. Изобразите его структурную формулу.

2. Назовите по Z,E-номенклатуре следующие соединения:

II.3. Оптическая изомерия (энантиомерия)

Среди органических соединений встречаются вещества, способные вращать плоскость поляризаации света. Это явление называют оптической активностью, а соответствующие вещества - оптически активными . Оптически активные вещества встречаются в виде пар оптических антиподов - изомеров, физические и химические свойства которых в обычных условиях одинаковы, за исключением одного - знака вращения плоскости поляризации. (Если один из оптических антиподов имеет, например, удельное вращение [ПРИМ.1] +20 о, то другой - удельное вращение -20 о).

II.4. Проекционные формулы

Для условного изображения асимметрического атома на плоскости пользуются проекционными формулами Э.Фишера . Их получают, проецируя на плоскость атомы, с которыми связан асимметрический атом. При этом сам асимметрический атом, как правило, опускают, сохраняя лишь перекрещивающиеся линии и символы заместителей. Чтобы помнить о пространственном расположении заместителей, часто сохраняют в проекционных формулах прерывистую вертикальную линию (верхний и нижний заместитель удалены за плоскость чертежа), однако часто этого не делают. Ниже приведены различные способы записи проекционной формулы, отвечающей левой модели на предыдущем рисунке:

Приведем несколько примеров проекционных формул:

(+)-аланин (-)-бутанол (+)-глицериновый альдегид

При названиях веществ приведены их знаки вращения: это значит, например, что левовращающий антипод бутанола-2 имеет пространственную конфигурацию , выражаемую именно приведенной выше формулой, а ее зеркальное изображение отвечает правовращающему бутанолу-2. Определение конфигурации оптических антиподов проводится экспериментально [ПРИМ.3] .

В принципе, каждый оптический антипод может быть изображен двенадцатью (!) различными проекционными формулами - в зависимости от того, как расположена модель при проекции, с какой стороны мы смотрим на нее. Чтобы стандартизировать проекционные формулы, введены определенные правила их написания. Так, главную функцию, если она стоит в конце цепи, принято ставить наверху, главную цепь изображать вертикально.

Для того, чтобы сопоставлять "нестандартно" написанные проекционные формулы, надо знать следующие правила преобразования проекционных формул.

1. Формулы можно вращать в плоскости чертежа на 180 о, не меняя их стереохимического смысла:

2. Две (или любое четное число) перестановки заместителей у одного асимметрического атома не меняют стереохимического смысла формулы:

3. Одна (или любое нечетное число) перестановок заместителей у асимметрического центра приводит к формуле оптического антипода:

4. Поворот в плоскости чертежа на 90 о превращает формулу в антиподную, если только при этом одновременно не изменить условие расположения заместителей относительно плоскости чертежа, т.е. не считать, что теперь боковые заместители находятся за плоскостью чертежа, а верхний и нижний - перед ней. Если пользоваться формулой с пунктиром, то изменившаяся ориентация пунктира прямо напомнит об этом:

5. Вместо перестановок проекционные формулы можно преобразовывать путем вращения любых трех заместителей по часовой стрелке или против нее; четвертый заместитель при этом положения не меняет (такая операция эквивалентна двум перестановкам):

6. Проекционные формулы нельзя выводить из плоскости чертежа (т.е. нельзя, например, рассматривать их "на просвет" с обратной стороны бумаги - при этом стереохимический смысл формулы изменится).

II.5. Рацематы

Если в формуле вещества есть асимметрический атом, это отнюдь не означает, что такое вещество будет обладать оптической активностью. Если асимметрический центр возникает в ходе обычной реакции (замещение в группе СН 2 , присоединение по двойной связи и т.п.), то вероятность создания обеих антиподных конфигураций одинакова. Поэтому, несмотря на асимметрию каждой отдельной молекулы, получающееся вещество оказывается оптически неактивным. Такого рода оптически неактивные модификации, состоящие из равного количества обоих антиподов, называются рацематами [ПРИМ.4] .

II.6. Диастереомерия

Соединения с несколькими асимметрическими атомами обладают важными особенностями, отличающими их от рассмотренных ранее более простых оптически активных веществ с одним центром асимметрии.

Допустим, что в молекуле некоего вещества имеются два асимметрических атома; обозначим их условно А и Б. Легко видеть, что возможны молекулы со следующими комбинациями:

Молекулы 1 и 2 представляют собой пару оптических антиподов; то же самое относится и к паре молекул 3 и 4. Если же сравнивать друг с другом молекулы из разных пар антиподов - 1 и 3, 1 и 4, 2 и 3, 2 и 4, то мы увидим, что перечисленные пары не являются оптическими антиподами: конфигурация одного асимметрического атома у них совпадает, конфигурация другого - не совпадает. Все это пары диастереомеров , т.е. пространственных изомеров, не составляющих друг с другом оптических антиподов.

Диастереомеры отличаются друг от друга не только оптическим вращением, но и всеми другими физическими константами: у них разные температуры плавления и кипения, разные растворимости и др. Различия в свойствах диастереомеров зачастую ничуть не меньше, чем различия в свойствах между структурными изомерами.

Примером соединения рассматриваемого типа может случить хлоряблочная кислота

Ее стереоизомерные формы имеют следующие проекционные формулы:

эритро- формы трео- формы

Названия эритро - и трео - происходят от названий углеводов эритрозы и треозы. Эти названия употребляют для указания взаимного положения заместителей у соединений с двумя асимметрическими атомами: эритро -изомерами называют те, у которых два одинаковых боковых заместителя стоят в стандартной проекционной формуле на одной стороне (справа или слева); трео -изомеры имеют одинаковые боковые заместители на разных сторонах проекционной формулы [ПРИМ.5] .

Два эритро- изомера представляют собой пару оптических антиподов, при их смешении образуется рацемат. Парой оптических изомеров являются и трео- формы; они тоже дают при смешении рацемат, отличающийся по свойствам от рацемата эритро- формы. Таким образом, всего существуют четыре оптически активных изомера хлоряблочной кислоты и два рацемата.

При дальнейшем росте числа асимметрических центров число пространственных изомеров возрастает, причем каждый новый асимметрический центр вдвое увеличивает число изомеров. Оно определяется формулой 2 n , где n - число асимметрических центров.

Число стереоизомеров может уменьшаться из-за частичной симметрии, появляющейся в некоторых структурах. Примером может служить винная кислота, у которой число индивидуальных стереоизомеров сокращается до трех. Их проекционные формулы:

Формула I идентична с формулой Iа: превращается в нее при повороте на 180 о в плоскости чертежа и, следовательно, не изображает нового стереоизомера. Это оптически неактивная модификация - мезо-форма . В отличие от рацемата, который может быть расщеплен на оптические антиподы , мезо- форма принципиально нерасщепляема: каждая ее молекула имеет один асимметрический центр одной конфигурациии, второй - противоположной. В итоге происходит внутримолекулярная компенсация вращения обоих асимметрических центров.

Мезо- формы имеются у всех оптически активных веществ с несколькими одинаковыми (т.е. связанными с одинаковыми заместителями) асимметрическими центрами [ПРИМ.6] . Проекционные формулы мезо- форм всегда можно узнать по тому, что их всегда можно разделить горизонтальной линией на две половины, которые по записи на бумаге формально идентичны, в действительности же зеркальны:

Формулы II и III изображают оптические антиподы винной кислоты; при их смешении образуется оптически неактивный рацемат - виноградная кислота.

II.7. Номенклатура оптических изомеров

Самая простая, наиболее старая, однако и ныне еще употребляемая система номенклатуры оптических антиподов основана на сравнении проекционной формулы называемого антипода с проекционной формулой некоего стандартного вещества, выбранного в качестве "ключа". Так, для альфа-оксикислот и альфа -аминокислот ключом является верхняя часть их проекционной формулы (в стандартной записи):

L- оксикислоты (Х = ОН) D- оксикислоты (Х = ОН)

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

Конфигурацию всех альфа -оксикислот, имеющих в стандартно написанной проекционной формуле Фишера гидроксильную группу слева, обозначают знаком L ; если же гидроксил расположен в проекционной формуле справа - знаком D [ПРИМ.7] .

Ключом для обозначения конфигурации сахаров служит глицериновый альдегид:

L-(-)-глицериновый альдегид D- (+)-глицериновый альдегид

В молекулах сахаров обозначение D- или L- относится к конфигурации нижнего асимметрического центра.

Система D- ,L- обозначений имеет существенные недостатки: во-первых, обозначение D- или L- указывает конфигурацию только одного асимметрического атома, во-вторых, для некоторых соединений получаются разные обозначения, в зависимости от того, взят ли в качестве ключа глицериновый альдегид или оксикислотный ключ, например:

Эти недостатки системы ключей ограничивают ее применение в настоящее время тремя классами оптически активных веществ: сахарами, аминокислотами и оксикислотами. На общее же применение рассчитана "R,S-система Кана, Ингольда и Прелога [ПРИМ.8] .

Для определения R- или S-конфигурации оптического антипода необходимо расположить тетраэдр заместителей вокруг асимметрического углеродного атома таким образом, чтобы младший заместитель (обычно это водород) имел направление "от наблюдателя". Тогда если движение при переходе по кругу трех остальных заместителей от старшего к среднему по старшинству и затем к самому младшему происходит против часовой стрелки - это R -изомер (ассоциируется с таким же движением руки при написании буквы R), если по часовой стрелке - это S- изомер (ассоциируется с таким же движением руки при написании буквы S).

Для определения старшинства заместителей у асимметрического атома используются правила подсчета атомных номеров, уже рассматривавшиеся нами в связи с Z,E-номенклатурой геометрических изомеров (см. ).

Для выбора R,S-обозначений по проекционной формуле необходимо путем четного числа перестановок (не изменяющих, как мы знаем, стереохимического смысла формулы) расположить заместители так, чтобы младший из них (обычно водород) оказался внизу проекционной формулы. Тогда старшинство остальных трех заместителей, падающее по часовой стрелке, соответствует обозначению R, против часовой стрелки - обозначению S [ПРИМ.9] :

Контрольные задачи

3. Определите конфигурацию асимметрического центра аскорбиновой кислоты (витамина С) (по R,S -номенклатуре и по сравнению с глицериновым альдегидом):

4. Алкалоид эфедрин имеет формулу:

Дайте название этого соединения, используя R,S -номенклатуру.

5. Цистеин - заменимая аминокислота, участвующая в регуляции процессов обмена веществ, представляет собой L -1-амино-2-меркаптопропионовую кислоту. Изобразите его структурную формулу и дайте название по R,S -номенклатуре.

6. Левомицетин (антибиотик широкого спектра действия) представляет собой D (-)-трео-1-пара-нитрофенил-2-дихлорацетиламино-пропандиол-1,3. Изобразите его структуру в виде проекционной формулы Фишера.

7. Синэстрол - синтетический эстрогенный препарат нестероидного строения. Дайте его название с обозначением стереохимической конфигурации:

II.8. Стереохимия циклических соединений

При замыкании цепи углеродных атомов в плоский цикл валентные углы атомов углерода вынуждены отклоняться от своего нормального тетраэдрического значения, причем величина этого отклонения зависит от числа атомов в цикле. Чем больше угол отклонения валентных связей, тем больше должен быть запас энергии молекулы, тем меньше устойчивость цикла. Однако, плоское строение имеет только трехчленный циклический углеводород (циклопропан); начиная с циклобутана молекулы циклоалканов имеют неплоское строение, что понижает "напряжение" в системе.

Молекула циклогексана может существовать в виде нескольких конформаций, в которых сохраняются "нормальные" валентные углы (для упрощения показаны только атомы углерода):

Энергетически наиболее выгодной является конформация I - так называемая форма "кресла ". Конформация II - "твист " - занимает промежуточное положение: она менее выгодна, чем конформация кресла (из-за наличия в ней заслоненно расположенных атомов водорода), но более выгодна, чем конформация III. Конформация III - "ванна " - наименее выгодна из трех вследствие значительного отталкивания направленных верх атомов водорода.

Рассмотрение двенадцати связей С-Н в конформации кресла позволяет разделить их на две группы: шесть аксиальных связей, направленных поочередно то вверх, то вниз, и шесть экваториальных связей, направленных в стороны. В монозамещенных циклогексанах заместитель может находиться либо в экваториальном, либо в аксиальном положении. Эти две конформации обычно находятся в равновесии и быстро переходят друг в друга через конформацию твист:

Экваториальная конформация (е) обычно беднее энергией и поэтому более выгодна, чем аксиальная (а).

При появлении в циклах заместителей (боковых цепей) кроме проблемы конформации самого цикла перед исследователем встают и проблемы конфигурации заместителей : так, в случае наличия двух одинаковых или различных заместителей появляются цис-транс -изомера. Отметим, что говорить о цис-транс -конфигурации заместителей имеет смысл только в приложении к насыщенным малым и средним циклам (до С 8): в кольцах с большим числом звеньев подвижность становится уже столь значительной, что рассуждения о цис- или транс - положении заместителей теряют смысл.

Так, классическим примером являются стереоизомерные циклопропан-1,2-дикарбоновые кислоты. Существуют две стереоизомерные кислоты: одна из них, имеющая т.пл. 139 о С, способна образовывать циклический ангидрид и является, следовательно, цис -изомером. Другая стереоизомерная кислота с т.пл. 175 о С, циклического ангидрида не образует; этотранс -изомер [ПРИМ.10] :

В таких же отношениях друг с другом находятся две стереоизомерные 1,2,2-триметилциклопентан-1,3-дикарбоновых кислоты. Одна из них, камфорная кислота, т.пл. 187 о С, образует ангидрид и, следовательно, является цис -изомером. Другая - изокамфорная кислота, т.пл. 171 о С, - ангидрида не образует, это транс -изомер:

цис- транс-

Хотя молекула циклопентана на самом деле неплоская, для наглядности удобно изображать ее в плоском виде, как на приведенном выше рисунке, имея в виду, что в цис- изомере два заместителя находятся по одну сторону цикла , а в транс -изомере - по разные стороны цикла .

Дизамещенные производные циклогексана также могут существовать в цис- или транс-форме:

Атом углерода не обладает монополией на создание хиральных центров в молекулах органических соединений. Центром хиральности могут быть также атомы кремния, олова, четырехковалентного азота в четвертичных аммониевых солях и окисях третичных аминов:

В этих соединениях центр асимметрии имеет тетраэдрическую конфигурацию, как и асимметрический атом углерода. Существуют, однако, и соединения с иной пространственной структурой хирального центра.

Пирамидальную конфигурацию имеют хиральные центры, образованные атомами трехвалентного азота, фосфора, мышьяка, сурьмы, серы. В принципе, центр асимметрии можно считать тетраэдрическим, если в качестве четвертого заместителя принять неподеленную электронную пару гетероатома:

Оптическая активность может возникать и без хирального центра, за счет хиральности структуры всей молекулы в целом (молекулярная хиральность или молекулярная асимметрия ). Наиболее характерными примерами являются наличие хиральной оси либо хиральной плоскости .

Хиральная ось возникает, например, в алленах, содержащих различные заместители при sp 2 -гибридных углеродных атомах. Легко видеть, что приведенные ниже соединения являются зеркальными изображениями, а, значит, оптическими антиподами:

Ось хиральности показана на рисунках стрелкой.

Другой класс соединений, имеющих хиральную ось - оптически активные бифенилы, имеющие в орто -положениях объемистые заместители, затрудняющие свободное вращение вокруг С-С связи, соединяющей ареновые кольца:

Хиральная плоскость характеризуется тем, что у нее можно различить "верх" и "низ", а также "правую" и "левую" стороны. Примером соединений с хиральной плоскостью могут служить оптически активный транс- циклооктен и оптически активное производное ферроцена.