Пространственное строение органических соединений: конфигурация, конформация; способы изображения; примеры

Конфигурация молекул, в стереохимии характеризует пространственное расположение атомов или групп атомов у асимметрического атома, у несимметрично замещенной двойной связи, у малого (жёсткого) цикла, у центрального атома в комплексах. Различия между конфигурациями молекул обусловливают существование двух видов устойчивых стереоизомеров — геометрических и оптических. Конфигурация молекулы не меняется при изменении её конформации, т. е. при повороте вокруг простых связей отдельных частей молекулы относительно друг друга.

Конформация определяется как любое относительное положение атомных ядер в молекуле, при котором сохраняется ее целостность (т. е. конфигурация). Конформационные изомеры, или конформации, неотделимы друг от друга и сосуществуют в едином множестве геометрических форм, возникающих в ре­зультате перемещения ядер атомов в молекуле относительно друг друга.

Деление стереоизомеров на конфигурационные и конформационные весьма условно. Дело в том, что до сих пор не выработано четкого критерия, позволяющего дифференцировать эти два фундаментальных стереохимических понятия. В одних условиях соединение может быть конфигурационно ус­тойчивым, т. е. его можно считать конфигурационным стереоизомером, тогда как в другом температурном интервале оно же быстро превращается в другой стереоизомер и эту пару изомеров следует уже считать конформациями. Одна­ко существуют конфигурационно устойчивые стереоизомеры, которые в тра­диционном понимании следовало бы считать конформерами.

Таким образом, можно привести в виде схемы обобщенную классифика­цию стереоизомеров, на которой показана четкая граница между понятиями «энантиомерия» и «диастереомерия» и нечеткое, размытое разделение поня­тий конфигурационных и конформационных стереоизомеров.

Для изображения пространственного строения молекул на плоскости при­меняют различные стереохимические и проекционные формулы. При работе с молекулярными моделями, передающими относительное расположение атомов в пространстве с помощью условных символов, достига­ется наибольшая наглядность представления о пространственном расположе­нии атомов или атомных групп в молекулах. Существует несколько типов мо­лекулярных моделей.

Шаростержневые модели. Модели этого типа собирают из цветных ша­риков, обозначающих входящие в состав молекул атомы. Шарики соединяют стержнями, символизирующими химические связи. С помощью ша­ростержневых моделей довольно точно воспроизводятся валентные углы в мо­лекуле, но межъядерные расстояния отражаются лишь приблизительно, по­скольку длины стержней, соединяющих шарики, не пропорциональны дли­нам связей. Существенный недостаток шаростержневых моделей заключается также в том, что они не создают картину заполнения межъядерного простран­ства электронной плотностью.

Модели Дрейдннга. Такие модели достаточно точно передают валентные углы и соотношение длин связей в молекулах. Ядра атомов в них, в отличие от шаростержневых моделей, обозначаются не шариками, а точками соединения стержней.

Полусферические модели. Эти модели, называемые также моделями Стюарта-Бриглеба, собирают из шаров со срезанными сегментами. Модели атомов соединяют между собой плоскостями срезов с помощью кно­пок. Радиусы полусфер, соответствующие определенным атомам, пропорцио­нальны их ван-дер-ваальсовым радиусам. Ван-дер-ваальсов радиус опреде­ляет пространство, которое в основном занимают валентные электроны. Крат­чайшие расстояния от центров шаров до плоскостей срезов пропорциональны ковалентным радиусам r2 соответствующих атомов. Полусферические модели точно передают как соотношение длин связей и валентных углов, так и запол­ненность межъядерного пространства в молекулах. Однако эта заполненность не всегда позволяет получить наглядное представление о взаимном располо­жении ядер атомов в молекуле.

Пространственное строение органических соединений: конфигурация, конформация; способы изображения; примеры - student2.ru

Стереохимические формулы. Их используют для изображения молекул, содержащих тетраэдрические и тригональные 12C, т. е. в sp3- и sp2-гибридном. При этом связи, располагающие­ся в пространстве перед плоскостью чертежа, изображают утолщенными или клиновидными линиями, а связи, располагающиеся за плоскостью чертежа, — штриховыми линиями. Связи, которые находятся в плоскости чертежа, изо­бражают сплошными линиями.

Пространственное строение органических соединений: конфигурация, конформация; способы изображения; примеры - student2.ru

Проекционные формулы Ньюмена. Эти формулы применяют для изо­бражения двухуглеродных фрагментов молекул. При построении проекции Ньюмена узловые атомы двухатомного (в частности, двухуглеродного) фраг­мента располагают в пространстве так, чтобы они находились на одной линии с глазом наблюдателя, после чего ближний атом обозначают на бумаге точкой, а удаленный от наблюдателя атом — окружностью. Остальные связи изобра­жают сплошными линиями под углом 120°.

Проекционные формулы Ньюмена можно использовать также применительно к многоатомным молекулам и цик­лическим структурам.

Пространственное строение органических соединений: конфигурация, конформация; способы изображения; примеры - student2.ru

Перспективные формулы. Для изображения двухуглеродных фрагментов молекул используют также формулы типа лесопильных козел, представляющие собой перспективное изображение молекулярной модели с непропор­ционально удлиненной центральной связью.

Пространственное строение органических соединений: конфигурация, конформация; способы изображения; примеры - student2.ru

Проекционные формулы Фишера. С помощью этих формул изображают молекулы, имеющие в своем составе асимметрические атомы углерода. Для построения про­екции Фишера молекулярную модель располагают так, чтобы связи, направ­ленные к наблюдателю, образовывали на проекции горизонтальную линию. Тогда две другие связи будут удалены от наблюдателя и на проекции будут об­разовывать вертикальную линию. Это иллюстрируется примером построения проекционной формулы молочной кислоты: Аналогичным образом строят проекционные формулы молекул, имеющих более одного асимметрического атома углерода, как это видно на примере по­строения проекции Фишера для одного из стереоизомеров винной кислоты.

Пространственное строение органических соединений: конфигурация, конформация; способы изображения; примеры - student2.ru Пространственное строение органических соединений: конфигурация, конформация; способы изображения; примеры - student2.ru

Иногда на проекционных формулах вертикальные линии изображают штриховой линией, что символизирует их положение за плоскостью. Когда приходится изменять положение проекционной формулы на плос­кости, во избежание искажения стереохимического смысла преобразования проводят с соблюдением определенных правил:

· в проекционной формуле можно менять местами два любых заместителя у одного и того же асимметрического атома углерода четное число раз.

· проекционную формулу можно поворачивать в плоскости на 180°.

Несоблюдение этого порядка преобразований приводит к изменению стереохимического смысла проекционных формул (нечетное число перестановок приводит к формуле с противоположной конфигурацией).

Наши рекомендации