Глава 6. Пространственное строение органических соединений

Вопросы к семинару

1. Важнейшие элементы и операции симметрии молекул. Определение на основании симметрийных характеристик хиральности и ахиральности молекул. Понятие об асимметрическом атоме углерода. Асимметрия молекулы как необходимое условие существования стереоизомерии.

2. Понятие о конфигурации. Причины появления и важнейшие свойства кон­фигурационных изомеров ‑ энантиомеров, s-, и p‑диастереомеров у органических соединений.

3. Способы изображения органических молекул с помощью перспективных, стереохимических (клиновидных) формул и проекций Фишера. Правила преобразований проекций Фишера.

4. Использование проекционных формул Фишера и молекулярных моделей для определения принадлежности хиральных молекул к R, S‑ и D, L‑стереохимическим рядам. Е, Z‑система обозначений p‑диастереомеров.

5. Понятие о мезоформах и рацематах. Способы разделения рацемических смесей.

6. Причины возникновения конформаций. Способы изображения конформационных изомеров с помощью проекций Ньюмена.

7. Стереоизомерия циклических систем (циклопентана, цикло­гексана).

Задания к самостоятельной работе

ВАРИАНТ 1

1. Объясните, какие из перечисленных ниже соединений и почему могут существовать в виде конфигурационных изомеров и какие из них обладают оптической активностью.

2. Сколько конфигурационных изомеров может иметь вещество «в» (задание 1)? С помощью проекционных формул Фишера приведите формулы всех возможных конфигурационных изомеров и определите, какие из них являются энантиомерами, какие - диастереомерами. Поясните эти понятия.

3. Постройте все конфигурационные изомеры веществ «г» и «д» (задание 1). Назовите их, используя, где это возможно, R-, S‑ или E- , Z- номенклатуру.

4. Объясните, почему циклогексан может существовать в виде различных конформаций. Изобразите возможные конформеры циклогексана.

ВАРИАНТ 2

1. Объясните, какие из перечисленных ниже соединений могут существовать в виде конфигурационных изомеров, какие из них и почему обладают оптической активностью.

2. С помощью проекционных формул Фишера постройте все возможные кон­фигурационные изомеры вещества «в». Определите, какие из них явля­ются энантиомерами, какие диастереомерами. Объясните, что такое рацематы.

3. Назовите вещества «а» и «д» из задания 1 используя, где необходимо, R-, S‑ или E- , Z- номенклатуру.

4. Объясните причину существования конформеров. В виде какой конформации изображено вещество «в» из задания № 1.

ВАРИАНТ 3

1. Определите, какие из перечисленных ниже соединений и почему могут существовать в виде: а) s‑диастереомеров; б) p‑диа­стереомеров? Поясните эти понятия.

2. Какие из соединений, приведенных в задании 1, и почему обладают оптической активностью? Сколько конфигурационных изомеров могут иметь эти соединения? С помощью проекций Фишера изобразите все возможные конфигурационные изомеры данных веществ.

3. Пользуясь правилами работы с проекциями Фишера, установите, являют­ся ли нижеприведенные структуры энантиомерами или они идентичны. Назовите вещество «а», используя R,S‑систему обозначений. Какими физическими свойствами будут отличаться вещества «а» и «б»?

4. Укажите причины существования в природе конформеров. С помощью проекций Ньюмена изобразите заторможенную и заслоненную конформации этана. Чем конформеры отличаются от конфигурационных изомеров?

ВАРИАНТ 4

1. Какие из соединений, формулы которых приведены ниже, не обладают оптической активностью? Почему?

2. Определите, изменится ли оптическая активность вещества «г» после замены одного атома хлора на гидроксильную группу? Для вещества «г» напиши­те все возможные конфигурационные изомеры. Какие из них будут яв­ляться энантиомерами, какие - диастереомерами? Поясните эти понятия.

3. Назовите вещество «д», используя E- , Z- номенклатуру, а вещество «а» - применяя D-, L-номенклатуру. Зависит ли принадлежность вещества к D-, L-ряду от знака вращения?

4. Объясните причину существования конформеров. Используя проекцион­ные формулы Ньюмена изобразите:

а) наиболее энергетически выгодную конформацию этана;

б) наименее энергетически выгодную конформацию этана.

ВАРИАНТ 5

1. Приведите структурные формулы соединений и аргументировано объясните, какие из них могут существовать в виде конфигурационных изомеров:

а) 2‑аминопропановая кислота; б) 2‑бром‑З‑гидроксибутан-диовая кислота; в) 2‑метилпропанол‑2; г) пропан; д) 1,2-цикло-пропандикарбоновая кислота.

2. Объясните, для какого соединения из задания 1 возможна геометрическая изомерия, постройте формулы цис- и транс-изомеров.

3. Постройте проекционную формулу Фишера D-(-)-2 –гидроксипропановой кислоты и отнесите ее к R‑ или S‑стереохимическому ряду. Поясните значение символа (-) в веществе.

4. Изобразите возможные конформеры циклогексана. Может ли данное вещество существовать в виде конфигурационных изомеров?

ВАРИАНТ 6

1. Поясните термины «стереоизомеры», «оптическая активность» и определите, какие из нижеприведенных соединений и почему могут существовать в виде стереоизомеров и какие из них обладают оптической активностью:

2. В качестве средства для лечения паркинсонизма используется леводопа, являющаяся L‑изомером соединения "а" из задания 1. Постройте проекционную формулу Фишера L-изомера и определите его конфигурацию в R,S-системе.

3. Какие из представленных в задании 1 соединений могут существовать в виде а) s‑диастереомеров; б) p‑диастереомеров? Назовите вещество «д», используя E,Z ‑систему обозначений. Как еще можно назвать это соединение?

4. Какие из веществ, представленных в задании 1, не могут существовать в виде конформеров? Почему? В чем отличие в понятиях «конформация» и «конфигурация»?

ВАРИАНТ 7

1. Объясните, что такое «оптическая активность» и каковы ее причины. Определите, какие из приведенных ниже веществ обладают оптической активностью. Изобразите эти вещества, используя стереохимические формулы:

а) пропанол‑2; б) 3‑аминобутановая кислота; в) 2‑гидроксипропаналь.

2. Постройте проекционную формулу Фишера L(+)-серина (2-амино – 3- гидроксипропановой кислоты) и определите ее конфигурацию в R‑,S‑системе. Поясните значение символа (+).

3. Напишите структурную формулу цис‑1,4‑диамино‑2,3-диметилбутена‑2. Приведите формулу p‑диастереомера этого вещества. Объясните, почему подобные соединения могут существовать в виде p-диастереомеров. Назовите приведенные Вами изомеры, используя E-, Z- - номенклатуру.

4. Приведите формулы наиболее и наименее устойчивых конформеров циклогексана. Дайте определение понятию «конформация» и объясните, чем обусловлены конформационные явления.

ВАРИАНТ 8

1. Напишите структурные формулы 2‑гидрокси‑3-хлорбутандиовой кислоты и 2,3‑дигидроксибутандиовой кислоты и объясните, почему при наличии в молекулах двух хиральных центров первое вещество имеет 4 стереоизомера, а второе – 3. Приведите формулы Фишера всех изомеров, укажите среди них энантиомеры, диастереомеры, мезо-форму. Поясните эти понятия.

2. Используя проекционные формулы Фишера, определите принадлежность к R‑ или S‑стереохимическому ряду L‑(+)‑аланина (2‑аминопропановой кислоты). Всегда ли вещества L‑ряда имеют правое вращение?

3. Изобразите строение p-диастереомеров бутендиовой кислоты. Назовите их, используя E,Z-систему обозначений. Какой из написаных вами изомеров обладает большей термодина­мической устойчивостью?

4. Изобразите с помощью проекций Ньюмена заторможенную и заслоненную конформации этанола. Какая из них будет обладать большей термодинамической устойчивостью?

ВАРИАНТ 9

1. Объясните и проиллюстрируйте примерами следующие понятия: а) асимметрический атом углерода; б) σ-диастереомеры; в) мезо-форма; г) молекула с осью симметрии 3‑го порядка.

2. В качестве сосудорасширяющего средства в медицинской практике используют адреналин, являющийся R(-) - изомером вещества следующего строения:

Постройте проекционную формулу Фишера этого изомера и его антипода. Поясните значение символов «R», «S», (+), (‑).

3. Приведите формулы конфигурационных изомеров 2,3‑дихлорбутена‑2. Объясните, почему подобные соединения могут существовать в виде p-диастереомеров. Назовите приведенные Вами изомеры всеми возмож­ными способами.

4. С помощью соответствующих формул изобразите:

а) наиболее устойчивую конформацию бромэтана;

б) наименее устойчивую конформацию бромэтана.

ВАРИАНТ 10

1. Поясните термин «хиральность». Выберите соединения, молекулы которых хиральны. Приведите формулы оптически активных стереоизомеров, в виде которых они могут существо­вать:

Укажите вещество, которое при наличие двух хиральных центров является ахиральным. Поясните причину.

2. При некоторых заболеваниях щитовидной железы применяют дииодтирозин - вещество «г» из задание 1. Постройте формулу, используемого в медицине S(+)‑изомера и его энантиомера. Поясните значение символов R- и S-, (+), (‑).

3. В виде каких конфигурационных изомеров может существовать вещество «д»? Приведите формулы этих изомеров, назовите их, используя E,Z‑систему обозначений.

4. Изобразите наиболее устойчивую конформацию циклогексана. Объясните понятия "аксиальный" и "экваториальный" для атомов и атомных групп.

ВАРИАНТ 11

1. Поясните термины: «мезо-форма», «σ-диастереомеры», «p‑диастереомеры». Укажите, какие из нижеперечисленных соединений и почему могут иметь мезо-форму, σ- и π-диастереомеры:

2. Для выбранных из задания 1 соединений приведите формулы Фишера мезо-формы, двух σ-диастереомеров, двух p‑диастереомеров. Назовите p‑диастереомеры, используя E,Z-номенклатуру.

3. Постройте проекционную формулу Фишера L(+)‑2-амино-3-меркаптопропановой кислоты и определите ее конфигурацию в R‑, S‑ системе. Поясните значение символов «+»,«L-», «S-», «R-» в названиях соединений.

4. Изобразите в виде проекционных формул Ньюмена заторможенную конформацию аминоэтана. Объясните причину существования конформеров.

ВАРИАНТ 12

1. Дайте определение понятию «конфигурационные изомеры». Назовите по заместительной номенклатуре те из ниже­приведенных сое­динений, которые могут существовать в виде конфигурационных изоме­ров:

2. Природные аминокислоты ‑ основа белков и ферментов ‑ имеют, как правило, S‑конфигурацию. Постройте формулу S(+)‑валина (см. ве­щество «б», задание 1) и его R(‑)‑изомера. Определите конфигурацию S(+)-валина в D-, L- системе. Поясните значение сим­волов «R», «S», (+), (‑).

3. Приведите формулу стереоизомера вещества «д». Назовите вещество «д» и его изомер, используя Е-, Z‑номенклатуру.

4. Какие из перечисленных в задании 1 веществ не могут существовать в виде конформеров? Почему?

ВАРИАНТ 13

1. Дайте определение понятиям «конфигурационные изомеры», «оптически активные вещества». Приведите примеры: а) двух соединений, которые не могут существовать в виде конфигура­ционных изомеров; б) двух соединений, которые могут существовать в виде конфигурацион­ных изомеров, но не обладают оптической активностью; в) двух соединений, которые могут существовать в виде конфигура­ционных изомеров и обладают оптической активностью.

Назовите все приведенные Вами соединения по заместительной номенклатуре.

2. Известно, что в основном, все a‑аминокислоты, входящие в состав белков, являются L‑аминокислотами. Определите, какие из приведенных ниже аминокислот могут входить в состав белков:

Для любой L-аминокислоты определите конфигурацию в R-, S-системе.

3. Напишите структурную формулу цис‑бутен‑2‑диола‑1,4. Назовите его, используя Е, Z‑систему обозначений.

4. В чем отличие в понятиях «конформация» и «конфигурация»? Какое из приведенных ниже веществ может существовать в виде конформеров? Приведите строение наиболее устойчивого конформера этого вещества.

ВАРИАНТ 14

1. Определите, какие из приведенных ниже соединений могут существо­вать в виде конфигурационных изомеров и какие из них и почему обладают оптической активностью?

2. Дайте определение понятиям «энантиомеры», «диастереомеры», «мезо‑форма», «рацемат». Приведите примеры, характе­ризующие эти понятия, используя вещество «в» из задания 1.

3. Постройте проекционную формулу Фишера L-цистеина (2-амино-3-меркаптопропановой кислоты) и определите конфигурацию этого вещества в R ‑, S‑системе.

4. Объясните причину существования конформеров. Приведите наиболее устойчивую конформацию циклогексана.

ВАРИАНТ 15

1. Назовите по заместительной номенклатуре следующие вещества:

Выберите из них соединения, молекулы которых хиральны. Сколько кон­фигурационных изомеров и почему могут иметь эти вещества?

2. С помощью проекционных фор­мул Фишера постройте конфигурационные изомеры вещества «а». Назовите их, используя R‑, S‑систему обозначений. Определите конфигурацию R-изомера в D-, L- системе.

3. Какой вид пространственной изомерии характерен для вещества «д» из задания 1. Приведите структурную формулу стереоизомера вещества «д». Назовите всеми возможными способами оба вещества.

4. Изобразите метилциклогексан в виде наиболее и наименее устойчивой конформации. На примере этого соединения поясните понятие «экваториальный» и «ак­сиальный» для расположения атомов и атомных групп.

ВАРИАНТ 16

1. Назовите нижеприведенные вещества по систематической номенклатуре и объясните, для каких из них возможна: а) оптическая изомерия; б) геометрическая изомерия; в) и оптическая и геометрическая изомерия; г) невозможна пространственная изомерия:

2. Для вещества из задания 1, имеющего и геометрические и оптические изомеры, постройте формулы этих изомеров и отнесите их к E-, Z- или R-, S- стереохимическим рядам.

3. Правовращающая винная кислота имеет следующую проекционную формулу Фишера:

Определите конфигурацию у каждого хирального центра и установите какое из следующих названий соответствует (+) винной кислоте: 1) 2S,3S -2,3-дигидроксибутандиовая кислота; 2) 2R,3R-2,3-дигидроксибутандиовая кислота; 3) 2R,3S-2,3-дигидроксибутандиовая кислота.

4. Для 1-метил-1-хлорциклогексана приведите конфигурацию «кресла» с аксиальным расположением метила и экваториальным расположением галогена. Изменится ли расположение заместителей при переходе к конформации «лодки»? Как?

Вопросы для самоконтроля