Способы графического изображения конформаций и их номенклатура

Рассмотрение начнем с молекулы этана. Для нее можно предвидеть существование двух максимально различающихся по энергии конформаций. Они изображены ниже (рис.6) в виде: перспективных проекций (1) ("лесопильные козлы"), боковых проекций (2), формул Ньюмена (3).

Рисунок 6 – Способы графического изображения конформаций этана

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° 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 СН3-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 (Рис.7).

Рисунок 7 – Двугранный угол (обозначаемый t (тау))

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.

Рисунок 8 – Изменение потенциальной энергии молекулы этана в зависимости от угла поворота вокруг связи С-С

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 (характерных) конформаций возрастает. Так, для н-бутана при вращении вокруг связи С₂-С₃ можно изобразить уже шесть конформаций, отличающихся взаимным расположением СН₃-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.

Рисунок 9 – Конформации н-бутана в виде проекций Ньюмена

Первая конформация наиболее неустойчивая (энергия 5.0 ккал/моль относительно анти-конформера). В ней действует два типа напряжения: торсионные и ван-дер-вальсовы и здесь они максимальны. Торсионные напряжения возникают, когда взаимодействуют электроны противолежащих связей. В заслоненных конформациях они максимальны. Ван-дер-вальсовы напряжения возникают, когда атомы или группы атомов приближаются на расстояние, равное или меньше суммы их ван-дер-вальсовых радиусов. В гош конформации торсионные напряжения минимальны (заторможенная конформация), однако имеются довольно сильные ван-дер-вальсовые усилия (относительная энергия 0,9 ккал/моль) в третьей и пятой конфигурации действуют максимальные торсионные усилия и имеются еще ван-дер-вальсовые напряжения (относительная энергия 3,5 ккал/моль). Наконец, в анти-конформациях минимальны как и торсионные, так и ван-дер-вальсовые усилия (энергия принята равной 0,0 ккал/моль).

Итак, конформации – это различающиеся по внутренней энергии состояния молекулы, которые возникают при свободном вращении вокруг одинарной связи. Конформеры - это стереоизомерные структуры, находящиеся в подвижном равновесии и способные к взаимопревращению путем вращения вокруг простых связей.

Задания и упражнения:

1. Сколько пространственных изомеров соответствует 2,3-дихлорбутандиовой кислоте? Напишите проекционные формулы этих кислот. Какие из них отвечают оптически активным изомерам?

2. Укажите число возможных оптически деятельных изомеров для каждого из следующих соединений и составьте проекционные формулы этих изомеров: а) 2-бромпропанол-1; б) 1,2,3-триоксибутан; в) 2-метил-бутанол-3; г) 2,3-дихлорбутан. Какие из этих изомеров будут оптическими антиподами и какие – диастереомерами?

3. Напишите структурные формулы всех изомерных одноосновных кислот этиленового ряда с общей формулой С₄Н₆О₂. Для тех изомеров, у которых возможна пространственная изомерия, напишите проекционные формулы стереоизомеров.

4. Напишите графические формулы изомеров для двухатомных спиртов предельного ряда, содержащих пять углеродных атомов. Укажите соединения, имеющие оптические изомеры.

5. Какие из перечисленных соединений могут проявлять оптическую изомерию: а) 2-бромпропановая кислота; б) 2-метилпропановая кислота; в) 2-метилбутановая кислота; г) 2-метил-3-гидроксибутановая кислота. Укажите число оптических изомеров, приведите их проекции Фишера.

6. Определите число оптических изомеров, постройте их проекционные формулы Фишера, определите отношение к D,L-рядам (для углеводов по конфигурации последнего от карбонильной группы асимметрического центра) и определите R,S-конфигурации всех хиральных центров для: а) 2,3,4,5-тетрагидроксипентаналя; б) 1,3,4,5,6-пентагидроксигексанона-2.

7. Запишите формулы геометрических изомеров и определите конфигурации двойных связей для нижеследующих молекул: а) 3-метилгексен-3; б) 2-этилпентен-2-ол-1; в) бутендиовая кислота; г) 1-хлор-3-метилпентадиен-1,3.

8. Проведите конформационный анализ молекулы пропана: изобразите проекции Ньюмена заслоненных и заторможенных конформаций, возникающих при вращении вокруг связи С₁-С₂; постройте график изменения потенциальной энергии конформаций в зависимости от величины торсионного угла.

Тема 2

Электронное строение и реакционная способность органических соединений

Содержание учебного материала согласно учебной программе дисциплины:

Электронное строение и реакционная способность органических соединений. Типы связей в молекулах органических соединений. σ- и π-связи. Гибридизация, понятие о молекулярных орбиталях.

Представление о механизмах реакций. Гомо- и гетеролитический разрыв связей. Представление о промежуточных частицах: радикалы, карбокатионы, карбанионы. Классификация реагентов: радикалы, нуклеофилы, электрофилы. Энергетический профиль реакции; энергетический барьер реакции, энергия активации, энергия переходного состояния, тепловой эффект реакции. Кинетический и термодинамический контроль.

Кислоты и основания (Бренстед, Льюис). Сопряженные кислоты и основания. Кислотно-основные равновесия. Константа кислотной ионизации и ее показатель (рКа).

Взаимное влияние атомов в молекулах, ионах, радикалах. Электронные и пространственные эффекты в органических реакциях (индуктивный эффект, эффект поля, мезомерный эффект, гиперконьюгация).

Краткие теоретические сведения:

Радикальные реакции

• Реакции, в которых происходит гомолитический разрыв связей и образуются свободно-радикальные промежуточные частицы, называются радикальными реакциями.

Пример: реакция радикального замещения при хлорировании метана. Общая схема реакции:

CH₄ + Cl₂ ® CH₃Cl + HCl

Стадии процесса:

Cl₂ ® 2 Cl· (на свету)
Cl· + H–CH₃ ® HCl + ·CH₃
·CH₃ + Cl₂ ® CH₃Cl + Cl· и так далее.

Механизм радикального замещения обозначается символом S_R (по первым буквам английских терминов: S – substitution [замещение], R – radical [радикал]).

Условия проведения радикальных реакций:

• повышенная температура (часто реакцию проводят в газовой фазе),
• действие света или радиоактивного излучения,
• присутствие соединений - источников свободных радикалов (инициаторов),
• неполярные растворители.

Ионные реакции

• Реакции, в которых происходит гетеролитический разрыв связей и образуются промежуточные частицы ионного типа, называются ионными реакциями.

Такие реакции характерны для соединений с полярными связями (C-O, C-N, C-Cl) и связями с высокой поляризуемостью (C=C, C=C-C=C, C=O и т.п.), благодаря их склонности к гетеролитическому разрыву.

Условия ионных реакций:

• невысокая температура;
• полярные растворители, способные к сольватации образующихся ионов.

По характеру реагента, действующего на молекулу, ионные реакции делятся на электрофильные и нуклеофильные.

Электрофильные реакции

Электрофильной называется реакция, в которой молекула органического вещества подвергается действию электрофильного реагента.

Электрофильные ("любящие электроны") реагенты или электрофилы – это частицы (катионы или молекулы), имеющие свободную орбиталь на внешнем электронном уровне. Примеры электрофильных частиц: H⁺, CH₃⁺ и другие карбокатионы, NO₂⁺, ZnCl₂, AlCl₃.

Электрофильное присоединение:

CH₂=CH₂ + HCl ® CH₃CH₂Cl (электрофил - H⁺ в составе HCl)
Стадии:
I. CH₂=CH₂ + H^d+-Cl^d- ® CH₃CH₂⁺ + Cl^- (медленная)
II. CH₃CH₂⁺ + Cl^-® CH₃CH₂Cl (быстрая)

Механизм электрофильного присоединения обозначается символом A_E (по первым буквам английских терминов: A – addition [присоединение], E – electrophile [электрофил]).

Электрофильное замещение:

C₆H₆ + NO₂⁺ ® C₆H₅NO₂ + H⁺ (электрофил - NO₂⁺)

Катион NO₂⁺ образуется в смеси конц. кислот HNO₃ и H₂SO₄.

Обозначение механизма - S_E (S – substitution [замещение]).

Нуклеофильные реакции

Нуклеофильнойназывается реакция, в которой молекула органического вещества подвергается действию нуклеофильного реагента. Нуклеофильные ("любящие ядро") реагенты, или нуклеофилы - это частицы (анионы или молекулы), имеющие неподеленную пару электронов на внешнем электронном уровне. Примеры нуклеофильных частиц: OH^-, Cl^-, Br^-, CN^-, H₂O, CH₃OH, NH₃.Строение некоторых нуклеофильных реагентов:

Благодаря подвижности p-электронов, нуклеофильными свойствами обладают также молекулы, содержащие p-связи:

CH₂=CH₂, CH₂=CH–CH=CH₂, C₆H₆ и т.п.

Примеры нуклеофильных реакций

Нуклеофильное замещение:

Механизм нуклеофильного замещения обозначается символом S_N (по первым буквам английских терминов: S – substitution [замещение], N – nucleophile [нуклеофил]).

Нуклеофильное присоединение:

Обозначение механизма - A_N (A – addition [присоединение]).