Пространственное строение органических молекул.
Конфигурация, конформация, хиральность
План.
1. Строение и конфигурация органических молекул.
2. Стереоизомерия: а) геометрическая; б) оптическая.
3. Конформация органических молекул: а) ациклических; б) карбоциклических; в) конденсированных кольцевых систем.
Каждое органическое вещество рассматривается в трех аспектах: с точки зрения химического строения, конфигурации, конформации.
Строение – это последовательность химических связей атомов в молекуле. Последовательность расположения атомов чрезвычайно важна в молекулах органических веществ, имеющих один и тот же химический состав, т.е. когда речь идет об изомерах, изомерии. Строение предполагает, что все связи находятся в одной плоскости. Но при изображении строения молекулы на плоскости бумаги (доски) теряется представление об её истинном положении в пространстве. Напр., атом углерода находится в sp3-гибридизации, имеет тетраэдрическое строение и все его заместители расположены под углом 109,5°. Если соединение содержит такой атом углерода в своей структуре, то атомы молекулы не лежат в одной плоскости, она имеет определенную конфигурацию – пространственное расположение атомов или групп атомов. При графическом изображении конфигурации молекулы этана две связи, лежащие в плоскости, обозначаются прямыми линиями. [строение этана, (конф1)]
Зачерненный клин обозначает связь, выходящую из плоскости проекции и направленную к наблюдателю
Заштрихованный клин (или пунктирная линия) обозначает связь, выходящую из плоскости проекции и направленную от наблюдателя.
Конфигурация этана может быть представлена в следующем виде: (конф2)
Стереоизомерия.
Область химии, занимающаяся изучение пространственного атомов и атомных групп, называется стереохимией.
Стереохимия рассматривает трехмерные структуры молекул, относящиеся к строению, конфигурации и конформации.
Различают стереоизомерию двух типов (видов): а) геометрическую, б) оптическую.
Геометрическая изомерия (или цис-/транс-изомерия) предполагает наличие в органических веществах двойной связи – речь идет об ациклических соединениях (может встречаться и в некоторых циклических соединениях, когда два заместителя могут иметь различную ориентацию относительно друг друга, и возможны цис- и транс-изомеры).
Двойная углерод-углеродная С=С связь вносит в молекулу значительную степень жесткости. Относительно свободное вращение, возможное вокруг простой связи, не происходит в случае двойной связи.
Приставка «цис-» дается тому геометрическому изомеру, у которого одинаковые заместители находятся по одну сторону двойной связи, а приставка «транс-» – тому, у которого они находятся накрест по отношению к двойной связи. [малеиновая и фумаровая к-ты, (конф3)]
Эти два геометрических изомера реально существуют и отличаются различными физическими и химическими свойствами (температура кипения, плавления: малеиновая – 130°С; фумаровая – 287°С). [превращение этих к-т в малеиновый ангидрид, (конф4)]
Среди причин, вызывающих заболевание псориаз, следует назвать нарушение процесса изомеризации этих двух кислот. Эфиры фумаровой кислоты используют для лечения псориаза.
Оптическая активность – это свойство органических веществ вращать плоскость поляризованного света.
Далеко не все органические вещества обладают оптической активностью. Причина оптической активности – ассиметрическое строение молекул, т.е. наличие ассиметрических атомов углерода в органических веществах.
Ассиметрический атом углерода – это такой атом, который соединен с четырьмя различными атомами или группами атомов. С оптической активностью связан также термин хиральность – явление, при котором молекула не может быть совмещена со своим зеркальным изображением, т.е. она не имеет элементов симметрии – или плоскости, или центров симметрии. Термин происходит от греч. chiros – рука: совместить ладони рук в одной плоскости невозможно.
Оптический изомер характеризуется триадой: ассиметрический атом ® хиральность ® оптическая активность.
Описывая хиральность, обозначают конфигурацию молекулы. Различают абсолютную и относительную конфигурацию. Относительная конфигурация выводится путем сравнения с эталоном (D- и L-глицериновым альдегидом).
Все стереоизомеры принято писать проекционными формулами Фишера, учитывая правила:
1) проекционные формулы пишут вертикально;
2) наиболее окисленный атом углерода располагают сверху;
3) вертикальные связи, направленные от наблюдателя, обозначают пунктиром, а направленные к наблюдателю – прямой линией;
4) ассиметрический атом углерода, как правило, не пишут.
[D и L шлицериновый альдегид, (конф5)]
Если в эталоне атом Н слева, а группа ОН справа, то это D-глицериновый альдегид, если же расположение атома и атомной группировки противоположное, это L-глицериновый альдегид.
Оптический эффект (способность раствора вращать плоскость поляризованного света) – это объективный фактор (свойство), обусловленный природой вещества; он определяется экспериментальным путем в поляриметре. Правосторонний эффект обозначается знаком «+», а левостороннее вращение «–».
Не всегда имеет место совпадение стороны проявленного оптического эффекта и принадлежности к ряду (напр. в молочной кислоте). D- и L-молочная кислота (конф6) имеют одинаковые физические и химические свойства, а отличаются по оптическим свойствам (сторона оптического эффекта), они – энантиомеры.
Энантиомеры – это изомеры, имеющие одинаковые физические (кроме знака вращения) и химические свойства, относящиеся друг к другу как предмет к его зеркальному отражению.
Абсолютная конфигурация определяется с помощью различных сложных способов, напр., методом рентгеноструктурного анализа определяют реальное расположение атомов в пространстве. Данные определения абсолютной конфигурации совпадают с относительной конфигурацией, поэтому повседневно пользуются удобной относительной конфигурацией.
Конформация.
Конфигурация молекул – это фиксированное расположение атомов или групп атомов относительно друг друга в пространстве. Однако большинство молекул может находиться в нескольких взаимопревращающихся формах, или конформациях, переход между которыми происходит без разрыва связи. Конформация – следующий аспект трехмерности структуры молекул.
Конформация – это существование нескольких геометрических форм одного и того же вещества, самопроизвольно, с большой скоростью превращающихся друг в друга без изменения валентных углов и длин связей вследствие свободного вращения атомных группировок вокруг s-связей (С-С, N-N, C-N). Такие изомеры (формы) называют конформерами или поворотными изомерами.
Существуют эти формы непродолжительное время. Вращение атомных групп вокруг s-связей постоянно. Между временем существования и стабильностью конформера существует прямая зависимость. Есть термин – заторможенная конформация конформера, т.е. существование ее более продолжительно. [две конформации этана, (конф7)]
В конформации «а» при рассмотрении вдоль связи С-С атомы водорода ближайшей CH3-группы будут «заслонять» атомы водорода второй, удаленной, СН3-группы. В конформации «б» атомы водорода СН3-группы расположены в промежутках между атомами водорода первой СН2-группы. Такую конформацию называют заторможенной.
Для более наглядного изображения конформаций пользуются проекционными формулами Ньюмена.
При построении формулы Ньюмена на молекулу смотрят вдоль углеродной связи, с «торца», так что два атома углерода видны один позади другого. [примеры проекций, (конф8)]
[конформации этана, проекции Ньюмена, (конф9)]
В центре рисунка, на пересечении трех сходящихся прямых, находится атом углерода приближенной к нам метильной группы. Связи С-Н второй, удаленной, группы СН3 «выглядывают» из-за круга.
Для перехода этана из заторможенной конформации в заслоненную необходимо затратить примерно 12,5 кДж/моль энергии. Такой незначительный энергетический барьер не позволяет выделить отдельные поворотные изомеры. В каждой молекуле постоянно совершаются превращения из одной конформации в другую. Хорошо известно, что молекулы с меньшей внутренней энергией обладают большей устойчивостью. Из числа поворотных изомеров более устойчивыми, более энергетически выгодными, являются заторможенные: в этих положениях внутреннее вращение вокруг одинарных связей как бы тормозится, отсюда название – заторможенные.
Одна из форм наименее устойчива, другие более стойкие, при этом заместители заслоняют друг друга (одновременно увеличиваются силы отталкивания). Заслоненная конформация менее устойчива.
Для обозначения конформаций используют условное обозначение угла (в единицах, кратных 60°), который указывает на взаимную ориентацию СН3-групп.
Заместители в этой форме удалены друг от друга, силы отталкивания и потенциальная энергия меньше. Такая конформация называется заторможенной – энергетически выгодной и более стабильной. Разделение на подобные формы относительно, поскольку выделить их в чистом виде практически невозможно. [заторможенная конф., (конф10)]
Рассмотрим заторможенные конформации н-бутана (заслоненная не стабильна). Наиболее стабильными конформациями н-бутана является скошенная (гош) и трансоидная (анти), причем трансоидная (анти) немного более стабильна, потому что в ней две метильные группы расположены так далеко друг от друга, как только возможно.
[скошеная конформация (гош) и стабильная конформация (анти), (конф11)]
Эти конформации характерны для небольших структур. Начиная с пяти атомов углерода и больше ациклические углеводороды могут иметь следующие конформации: [клешневидная, зигзагообразная, нерегулярная, (конф12)]
Наиболее выгодной конформацией является клешневидная.