Лабораторно-практическое занятие № 6. «Теория строения органических соединений. Конфигурационная изомерия» (3ч)

Цель:сформировать умения составлять и называть конфигурационные изомеры органических соединений.

Вопросы для обсуждения:

1. Конфигурационные изомеры и их способы изображения.

2. Энантиомеры. D-,L и R,S-номенклатуры.

3. Диастериомеры. Е,Z- номенклатура

4. Связь между пространственным строением органических лекарственных веществ и их действием

Материалы и примеры для самостоятельного изучения

Пример 1. Один из стереоизомеров 2-амино-3-гидроксибутановой кис­лоты (треонина) входит в состав белков. Какие конфигураци­онные стереоизомеры возможны для треонина?

Решение.В молекуле треонина два центра хиральности (два асимметрических атома углерода). Следовательно, треонин мо­жет существовать в виде 4 конфигурационных стереоизомеров (2ⁿ = 4, при n = 2).

Стереоизомеры I и II, а также III и IV – пары энантиомеров. В парах I и III, I и IV, II и III, II и IV молекулы не соотносятся как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение и представляют собой пары диастереомеров. Диастереомеры в отличие от энантиомеров обладают разными физичес­кими и химическими свойствами (величина угла вращения, температуры кипения и плавления, растворимость и др.).

При отнесении треонина и вообще соединений с двумя и более асимметрическими атомами к D- или L-стереохимическому ряду возникает вопрос — по какому центру хиральности его осуществлять? В этой неоднозначности заключается один из недостатков D, L-системы. Для амино- и гидроксикислот используется так называемый гидрокcикислотный ключ, когда с конфигурацией глицеринового альдегида сравнивается кон­фигурация асимметрического атома с наименьшим номером. По этому правилу стереоизомеры I и IV относятся к L-ряду, а II и III — к D-ряду. В состав белков входит L-треонин.

Соединения I и II имеют эритро-конфигурацию (см. учебник), в этом случае иногда используется приставка алло-.

Пример 2. В процессе метаболизма углеводов происходит стереоспецифическое окисление L-молочной кислоты в пировиноградную с участием фермента L-лактатдегидрогеназы. Какие из структур I–III могут выступать в качестве субстрата L-лактатдегидро­геназы, т. е. принадлежат к L-ряду?

Решение.Для сопоставления конфигурации соединений I и II с

L-глицериновым альдегидом необходимо преобразовать их проекционные формулы, чтобы сходство или различие стало очевидным. По правилам преобразования формул Фишера у асимметрического атома можно делать четное число переста­новок лигандов, а также поворачивать формулу Фишера на 180° без выведения из плоскости. Эти операции не искажают стереохимический смысл формул. В формуле I следует сделать две перестановки, а формулу II достаточно повернуть на 180°, после чего нетрудно убедиться в принадлежности обоих соединений к L-ряду.

Стереохимическую формулу III можно преобразовать в фор­мулу Фишера, а затем сопоставить ее с проекционными фор­мулами D- и L-глицериновых альдегидов. При построении формулы Фишера молекулярную модель или стереохимическую формулу следует расположить в пространстве так, чтобы связи, уходящие за плоскость проекции, образовывали вертикальную линию, а связи, направленные в пространство перед плоско­стью – горизонтальную.

Таким образом, структуры I, II и III соответствуют L-молочной кислоте.

Пример 3.Обозначьте конфигурацию природной -аминокислоты L-серина (2-амино-З-гидроксипропановой кислоты) по R,S-системе.

Решение.В основе R,S -системы обозначения конфигурации лежит принцип старшинства заместителей, окружающих центр хиральности. Старшинство заместителей определяется атом­ным номером элемента, связанного непосредственно с цен­тром хиральности. Самым старшим заместителем в молекуле серина является аминогруппа (₇N), самым младшим — водо­род (₁Н). Для определения порядка старшинства между кар­боксильной СООН и первичной спиртовой СН₂ОН группами, имеющими в первом «слое» одинаковые атомы (₆С), сравни­вают атомные номера элементов второго слоя. Большее стар­шинство карбоксильной группы обусловлено тем, что кисло­род, связанный двойной связью, считается дважды. Таким образом, заместители у хирального атома углерода в серине имеют следующий порядок уменьшения старшинства: NH₂>COOH>CH₂OH>H.

При обозначении конфигурации по R,S -системе молекуляр­ную модель

L-серина располагают в пространстве так, чтобы младший заместитель был удален от глаза наблюдателя. Умень­шение старшинства при этом происходит против хода часовой стрелки, поэтому L-серину приписывают S-конфигурацию.

Конфигурацию хирального центра можно определить по проекционной формуле Фишера. С помощью четного числа перестановок ее следует преобразовать, чтобы младший заме­ститель оказался вверху или внизу проекции, что соответствует положению, наиболее удаленному от глаза наблюдателя. Ос­тальные заместители при этом будут располагаться в порядке уменьшения старшинства. После двух перестановок видно, что хиральный центр в L-серине имеет S-конфигурацию.

Задачи для самостоятельного решения

Задание 6.1.Какое из двух соединений — глицерин или глицерино­вый альдегид — может существовать в виде энантиомеров?

Задание 6.2.Сколько конфигурационных стереоизомеров имеет 2,3,4,5-тетра-гидроксипентаналь?

Задание 6.3.Может ли существовать в виде энантиомеров адреналин?

Задание 6.4.Сколько асимметрических атомов углерода содержится в молекуле ментола и молекуле камфоры?

Задание 6.5.Какая из двух проекционных формул I или II соответ­ствует

L-аланину (L-2-аминопропановой кислоте)?

Задание 6.6. Постройте проекционные формулы Фишера энантиомеров

2-гидроксибутановой кислоты.

Задание 6.7.Родоначальником какого стереохимического ряда явля­ется глицериновый альдегид, имеющий следующую структуру:

Задание 6.8.Идентичны ли -аминокислоты, конфигурация которых изображена с помощью проекционных формул I и II?

Задание 6.9.Один из стереоизомеров 2-амино-3-метилпентановой кислоты входит в состав белков. Напишите проекционные фор­мулы Фишера возможных стереоизомеров этого соединения.

Задание 6.10.Напишите проекционные формулы Фишера 2-бром-3-хлоробутана.

Задание 6.11.Какие стереоизомеры имеет винная кислота. Приведены стериоизомеры в виде проекционных формул. Какой из них оптически неак­тивен и почему?

Задание 6.12.Назовите по R,S-системе

а) L-2-амино-3-меркаптопропановую кислоту (L-цистеин).

б) L-2-аминопропановую кислоту (L-аланин).

в) D(+)-глицериновый и L (-)-глицериновый альдегиды.

Задание 6.13.В биохимических реакциях роль метилирующего агента выполняет 2-амино-4-метилтиобутановая кислота. К. какому стереохимическому ряду она относится?

Литература для самостоятельной работы

1. Органическая химия: Учебник для вузов: В 2 кн./В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян, А.П. Тюкавкина; Под ред. Н.А. Тюкавкиной. - М.: Дрофа, 2002. – Кн. 1: Основной курс. – 620 с. (С. 92- 110)

2. Органическая химия (в вопросах и ответах) / Под ред. Б. А. Ивина и Л. Б. Пиотровского. — СПб.: Наука, 2002. — 510 с. (С. 93-108)