Хиральность, энантиомеры
В основе объяснения существования пространственных (конфигурационных) изомеров лежит теория Я. Вант-Гоффа и Ж. Ле Беля о тетраэдрическом строении атома углерода. При рассмотрении пространственной структуры органических соединений видно, что одна часть молекул обладает хиральностью, а другая ахиральна.
Ø Хиральность (от греч. cheir – рука) с точки зрения строения химических соединений – несовместимость пространственной структуры молекулы со своим зеркальным отображением.
Хиральные молекулы не имеют плоскости и центра симметрии, но могут иметь ось симметрии.
Ø Плоскость симметрии (s) проходит через молекулу так, что делит ее на две части, являющихся зеркальными отображениями друг друга.
Ø Ось симметрии n-порядка (Сn) – ось, проходящая через молекулу, при повороте вокруг которой на угол 360°/n структура совмещается в пространстве с исходным изображением.
плоскости и ось симметрии в молекуле дихлорметана
Ø Центр симметрии (i) – условная точка, равноудаленная от одинаковых атомов или групп атомов молекулы.
| центр симметрии в молекуле транс-1,3-дибром-транс-2,4-диметилциклобутана | плоскость симметрии в молекуле транс-1,3-дибром-цис-2,4-диметилциклобутана |
v Энантиомеры. Значительная часть хиральных молекул может существовать в виде двух неидентичных зеркальных отображений – энантиомеров. Энантиомеры также называют зеркальными изомерами.
Энантиомеры обладают одинаковым набором физико-химических констант, проявляют одинаковые химические свойства, но различаются по знаку оптического вращения. Поэтому в качестве синонима энантиомерам используют термин оптические изомеры. Другим существенным различием для многих энантиомеров является их разное поведение в биологических системах. Например, в начале главы мы упоминали об энантиомерных право- и левовращающих молочных кислотах, полученных в разных биохимических процессах. Структуры и константы этих соединений приведены ниже.
| D-молочная кислота т. пл. 53 °С, [a]D -2,6° (вода) | L-молочная кислота т. пл. 53 °С, [a]D +2,6° (вода) |
Рацемическая молочная кислота, являющаяся смесью равных количеств энантиомеров, оптически неактивна и имеет т. пл. 18 °С.
· Оптическая чистота. Исследователи не всегда имеют дело только с индивидуальными энантиомерами или рацематами. Часто вещество представляет собой смесь зеркальных изомеров с содержанием одного из компонентов меньше 100%, но больше 50%. В таких случаях говорят об оптической чистоте соединения. Определить оптическую чистоту (%) можно по формуле:
| оптическая чистота = | a смеси энантиомеров | × 100 |
| a чистого энантиомера |
При расчете оптической чистоты считают, что смесь состоит из чистого вещества и рацемата. Поэтому, если в смеси 10% энантиомера А и 90% энантиомера Б, то считают, что она состоит из 20% рацемата АБ и 80% чистого энантиомера Б, и, следовательно оптическая чистота смеси = 80%.
6.3.2. Основные причины хиральности молекул
Рассмотрим основные причины хиральности молекул органических соединений.
v Хиральный центр. Обычно хиральность связана с наличием хирального центра. Чаще всего в его качестве выступает асимметрический атом углерода. Однако хиральность проявляется и для имеющих тетраэдрическое строение четырезамещенных производных кремния, серы, азота, фосфора и ряда других элементов.
S-изомер S-изомер R-изомер
§ Хиральные свойства выявлены также и для ряда трехзамещенных производных серы и фосфора, которые в пространстве имеют структуру пирамиды. Конфигурацию этих соединений можно рассматривать и как тетраэдрическую, если в качестве четвертого заместителя учитывать р-орбиталь неподеленной электронной пары.
R-изомер S-изомер
§ Третичные амины также имеют пирамидальное строение, но они не обладают конфигурационной устойчивостью, так как происходит пирамидальная инверсия – быстрое обращение конфигурации. Специальными методами, например, введением заместителей с гетероатомами, содержащими пару неспаренных электронов, можно повысить устойчивость конфигурации и выделить индивидуальные энантиомеры.
пирамидальная инверсия аминов S-изомер
v Ось хиральности. Хиральными свойствами могут также обладать молекулы, не имеющие хирального центра, но которым присуща ось хиральности.
§ В качестве примеров соединений обладающих хиральной осью можно рассмотреть производные алленов – соединений, имеющих две двойные связи у одного атома углерода. Так как две p-связи в этих соединениях расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, то при наличии хотя бы по одному заместителю у концевых атомов углерода молекула может существовать в виде двух энантиомеров.
§ Такие же взаимно перпендикулярные плоскости существуют у замещенных циклоалканов с экзоциклической двойной связью и у спиросоединений – бициклических систем с одним общим углеродным атомом.
R-изомер S-изомер R -изомер
Так как у таких хиральных молекул существует четыре заместителя обеспечивающих несимметричность, то их конфигурацию можно обозначать с помощью R,S-номенклатуры. Для этого вначале определим старшинство ближних заместителей, а затем – дальних. Если старшинство 3 первых по старшинству заместителей уменьшается по часовой стрелке, то это R-изомер, если против – S-изомер.
§ Осью хиральности обладают также и ряд производных бифенила. Сама молекула этого углеводорода плоская. Взаимное отталкивание пространственно сближенных заместителей, введенных в положения 2,2’, приводит к повороту вокруг s-связи. Дополнительное введение функций в положения 6,6’ размещает циклы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если заместители в положениях 2,2’ и 6,6’ различны, то молекула может быть представлена в виде пары зеркальных изомеров. Такой тип стереоизомерии называют атропоизомерией. Аналогично алленовым производным конфигурация атропоизомеров обозначается в рамках R,S-номенклатуры.
S-изомер R -изомер
Ключевым моментом для реализации атропоизомерии является наличие стерических (пространственных) препятствий свободному вращению вокруг s-связи. Например, на отдельные стереоизомеры были разделены 2,2’-ди-трет-бутилбифенил и 1,1’-бинафтил, у которых объемные заместители в фенильных кольцах закрепляют конфигурацию молекул.
(R)-2,2’-ди-трет-бутилбифенил (S)-1,1’-бинафтил
v Плоскость хиральности. Для проявления этого варианта хиральности молекула должна иметь плоскостной фрагмент, обычно p-связь или ароматический цикл, и с одной стороны этой плоскости «заместитель». Типичными примерами таких соединений являются транс-циклоалкены, p-комплексы алкенов или аренов и циклические производные аренов.
§ В транс-циклоалкенах углеводородная цепь располагается над плоскостью двойной связи, что дает молекуле возможность существовать в виде двух энантиомеров.
R- и S-изомеры транс-циклооктена
§ Аналогично p-комплексы алкенов и аренов с производными металлов могут существовать в виде структур с неидентичными зеркальными отображениями.
R- и S-изомеры p-комплекса о-толуилового альдегида с трикарбонилом хрома
§ Циклические полиметиленовые эфиры гидрохинона называют анса-соединениями (от лат. ansa – ручка), так как из-за пространственных препятствий полиметиленовая цепь располагается перпендикулярно плоскости фенола. При наличии хотя бы одного заместителя в ароматическом цикле возможна реализация двух зеркальных конфигураций.
анса-соединение [2,2]-, [3,3]- и [4,4]-парациклофанкарбоновые кислоты
Существенную роль в устойчивости таких изомеров играет размер эфирного цикла. Так при n=8 соединение существует в виде двух энантиомеров, при n=9 нагрев выше 70 °С приводит к рацемизации вещества, а в случае n=10 можно вести речь только о конформационных изомерах, но не о конфигурации.
§ Подобное явление наблюдается и для парациклофанов – циклических систем, в которых два бензольных цикла сшиты двумя олигометиленовыми цепями. Для [2,2]- и [3,3]-парациклофанкарбоновых кислот с этиленовыми и триметиленовыми мостиками существуют зеркальные изомеры, а в случае [4,4]-парациклофанкарбоновой кислоты с тетраметиленовыми мостиками возможен оборот бензольного цикла вокруг оси и оптические антиподы не были выделены.
v Хиральная спираль. Структуры ряда соединений в пространстве образуют элементы спирали, которая может быть как левозакрученной, так и правозакрученной. Разберем несколько примеров структур с хиральной спиралью.
В конденсированном многоядерном ароматическом соединении гексагелицене концевые ароматические циклы из-за взаимного отталкивания не могут располагаться в одной плоскости, а размещаются друг над другом, закручивая структуру в спираль. Аналогично в 4,5-диметилфенантрене из-за стерических препятствий, создаваемых метильными группами, циклы выходят из одной плоскости, образуя фрагмент спирали. Данное соединение может быть разделено на индивидуальные энантиомеры, которые правда, легко рацемизируются.
гексагелицен 4,5-диметилфенантрен
Диастереомерия
Диастереомеры в отличие от энантиомеров имеют различные физические константы и часто отличаются по химическим свойствам. Они подразделяются на две основные группы:
§ p-диастереомеры, которые отличаются различным расположением заместителей относительно плоскости симметрии p-связи, и
§ s-диастереомеры, имеющие два или более асимметрических центра, или особого строения циклические производные.
v p-Диастереомерия (геометрическая изомерия). Алкены общей формулы RR1C=CR2R3 при условии R¹R1 и R2¹R3 могут существовать в виде диастереомеров (геометрических изомеров). Следует выделить два условия, необходимых для существования геометрических изомеров. Первое – наличие p-связи, препятствующей свободному вращению и, соответственно, переходу одного изомера в другой. Второе – нелинейность структуры, в результате чего заместители различным образом размещаются в пространстве.
Геометрические изомеры различаются по физико-химическим свойствам. Например, фумаровая и малеиновая кислоты имеют свой индивидуальный набор констант и, кроме того, малеиновая кислота способна образовывать циклические ангидриды, а фумаровая нет.
фумаровая кислота, т. пл. 296,4 °С малеиновая кислота, т. пл. 140 °С
Для обозначения конфигурации p-диастереомеров с достаточно простой структурой используют цис-,транс-номенклатуру, а для более сложных – E,Z-номенклатуру.
Этот тип изомерии также относится к другим соединениям, содержащим двойную связь, например, существуют геометрические изомеры относительно связи N=N у арилдиазотатов.
транс- и цис-фенилдиазотат калия
§ Син-,анти-изомерия. Связь С=N достаточно прочна и нелинейно связана с заместителями, что обеспечивает возможность существования p-диастереомеров для соединений с такой группировкой. Для обозначения конфигурации подобных соединений традиционно используют обозначения син- и анти-, которые аналогичны понятиям цис- и транс-.
| анти-конфигурация для азометина | син-конфигурация для оксима | анти -конфигурация для гидразона |
Следует учитывать, что для разных классов соединений обозначения син- и анти- относят к разным группировкам. Так, для азометинов оценивают взаимное расположение радикалов у связи С=N, а у оксимов и гидразонов сравнивают положение атома водорода у углерода и заместителя у атома азота.
v s-Диастереомерия. Типично проявление этого типа стереоизомерии для соединений, имеющих два и более асимметрических центра. Теоретическое количество стереоизомеров определяется по формуле N = 2n, где n – число асимметрических атомов. В число этих пространственных изомеров входят как энантиомеры, так и диастереомеры.
Традиционным являетсярассмотрение этого явления на примере молекулы винной кислоты НО2ССН(ОН)СН(ОН)СО2Н, содержащей два асимметрических атома углерода. Теоретическое количество стереоизомеров для этого соединения N = 22 = 4.
| (R,R)- или D-винная кислота, т. пл. 170 °С, [a]D +12 ° (Н2О) | (S,S)- или L-винная кислота, т. пл. 170 °С, [a]D -12 ° (Н2О) | (R,S)- или мезо-винная кислота, т. пл. 140 °С, [a]D 0 ° (Н2О) |
Рассмотрим возможные пространственные структуры для этого соединения. Левая пара представляет собой зеркальные изомеры. Первую из них обозначают как D-винную кислоту, так как оба асимметрических центра имеют D-конфигурацию*, или (R,R)-винную кислоту. Вторую, соответственно, как L- или (S,S)-винную кислоту. Как энантиомеры они отличаются только знаком вращения плоскополяризованного луча света.
Вторая пара проекций из-за наличия внутренней плоскости симметрии является идентичными изображениями и представляет собой мезо-форму винной кислоты. Мезо-винная кислота по отношению к D- или L-винной кислоте является s-диастереомером, со своим набором физико-химических констант. Так как верхняя и нижняя части молекулы являются зеркальными отображениями друг друга, то она оптически не активна.
Конфигурацию диастереомеров с двумя асимметрическими центрами также обозначают с помощью префиксов эритро- и трео-, для которых функциональные группы в проекции Фишера находятся, соответственно, по одну сторону или по разные. Эти конфигурационные обозначения вошли в состав ряда тривиальных названий, например, моносахариды треоза и эритроза, аминокислота треонин.
эритро- и трео-конфигурации D-эритроза D-треозаL-треонин
L-винная кислота, как продукт окисления соответствующего моносахарида, в этом случае называется D-треаровой, а мезо-винная кислота – эритраровой кислотой.
v Диастереомерия циклических производных. Дизамещенные циклоалканы с точки зрения стереохимии во многом подобны алкенам. Отсутствие свободного вращения вокруг s-связей и нелинейность молекулы приводит к возможности существования диастереомерных молекул. Для обозначения конфигурации таких молекул используют обозначения цис- и транс-.
1,4-цис- и 1,4-транс-дихлорциклогексаны
Следует особо отметить, что диастереомерными могут быть и ахиральные молекулы. Например, из двух диастереомеров: 1,4-транс-дихлорциклогексана и 1,4-цис-дихлорциклогексана, первая молекула имеет центр симметрии, а вторая – плоскость симметрии, следовательно, они ахиральны.
В свою очередь, 1,3-транс-дихлорциклогексан, который в отличие от 1,3-цис-дихлорциклогексана не имеет плоскости симметрии, – хирален и существует в виде двух энантиомеров.
1,3-цис- и 1,3-транс-дихлорциклогексаны
§ Еще одним примером цис-,транс-изомерии могут послужить конденсированные бициклоалканы.
цис- и транс-декалины
§ Более сложно обозначить конфигурацию трех- и более замещенных циклов. Вначале выбирается заместитель, относительно которого рассматривается расположение в пространстве других заместителей. В качестве точки отсчета берется или старшая по правилам ИЮПАК функциональная группа или заместитель с меньшим локантом. Обозначают такой центр буквой r.
| r-1,цис-2,транс-4-трихлорциклопентан | 2-транс-изопропил-5-цис-метилциклогексанол-1-r (l-ментол) |
§ Для описания конфигурации производных би- и полициклических систем используют префиксы экзо- (направление заместителей во внешнюю сферу молекулы) и эндо- (направление заместителей во внутреннюю сферу молекулы).
экзо- и эндо 1-хлорнорборнаны
§ В ряде случаев определения син- и анти- используют и для обозначения конфигурации соединений, не содержащих азота. Например, для производных норборнена конфигурация анти- показывает удаленное положение в пространстве функциональной группы относительно двойной связи, а син- – сближенное.
син- и анти 7-хлорнорборнены
§ Для обозначения конфигурации стероидных соединений – производных пергидроциклопетанофенантрена, имеющих тривиальные названия, используют a,b-систему. В этом случае полициклическую систему рассматривают как находящуюся в плоскости листа бумаги. Заместители, расположенные под плоскостью, обозначают символом a, а находящиеся над плоскостью – b.
| 5a-холестанол (дигидрохолестерин) | 5b-холестанол (копростерин) |