3. Пространственное строение органических соединений

Состав молекулы органического соединения можно описать ее молекулярной формулой (или брутто-формулой). Последователь­ность связей между атомами в молекуле и характер распределе­ния электронной плотности отражает только структурная форму­ла. Явление существования органических веществ с одинаковой молекулярной формулой, но имеющих различную структуру и, как следствие, различные свойства, получило название изомерии. Различают структурную и пространственную изомерии (рис. 8.2).

Изомерия углеродной цепи связана, как правило, с существо­ванием линейных и разветвленных структур. Рассмотрим возмож­ные структурные изомеры бутена-1 СН₂=СН — СН₂—СН₃.

Рис. 8.2. Виды изомерии

Возможность разветвления цепи приводит к изомеру метил- пропену, а изменение положения двойной связи — к бутену-2:

Кроме того, возможно замыкание углеродной цепи в цикл с образованием циклобутана или метилциклопропана:

Два последних соединения относятся уже не к классу алкенов, а к классу циклоалканов и являются примерами межклассовой изомерии.

Существуют и другие виды структурной изомерии. Например, структурными изомерами являются конденсированные аромати­

ческие системы антрацена и фенантрена:

Структурной изомерии родственно явление таутомерии (дина­мической изомерии).

Таутомерия — подвижное равновесие между взаимно пре­вращающимися друг в друга структурными изомерами (тауто- мерами). Как правило, это взаимопревращение обусловлено миг­рацией какого-либо подвижного атома или атомной группиров­ки между несколькими атомами, связанными ковалентно. Наи­более распространенный вид таутомерии — триадная прототроп- ная таутомерия, в ходе которой осуществляется перенос протона между тремя атомами — акцепторами, два из которых соедине­ны двойной связью. Разновидности прототропной таутомерии (стрелки разной длины на схемах показывают направление сме­щения равновесия):

• кето-енольная таутомерия

• лактим-лактамная таутомерия

• имино-енаминная таутомерия

• кольчато-цепная таутомерия

В последнем случае миграция протона происходит между ато­мами углерода, разделенными несколькими атомами углерода (n = 2 или 3). Однако из-за свернутой (так называемой «клешневидной») конформации, в которой преимущественно находятся молекулы, такие атомы оказываются сближенными в пространстве.

Для большинства соединений, способных к кето-енольной тау­томерии, доля енольной формы в равновесной смеси чрезвычай­но мала. Однако для некоторых соединений возможна стабилиза­ция енольной формы таутомера. Например, доля енольной фор­мы в водном растворе ацетоуксусного эфира составляет 7,5 %, а в водном растворе ацетилацетона — 15,5 % (для раствора в гексане — 92 %):

Причины стабилизации енольных форм будут рассмотрены далее (см. гл. 9). Лактим-лактамная и кольчато-цепная (другое название — цикло-оксо-таутомерия) виды таутомерии имеют ис­ключительное значение для реализации определенных структур природных соединений — нуклеотидов и углеводов (см. гл. 10).

Пространственная изомерия (стереоизомерия) связана с раз­-

личиями в пространственном расположении атомов при одина­ковой последовательности их связывания. Различают два вида сте­реоизомерии: геометрическую и оптическую.

Геометрическая (цис-транс-изомерия): электроны углерод-

углеродной σ-связи подвижные, а электроны π-связи менее под­вижные. Поэтому относительно одинарной связи С—С (атомы углерода в состоянии sp³-гибридизации) возможно свободное вра­щение, а относительно двойной связи С=С (атомы С в состоянии sp²-гибридизации) свободное вращение отсутствует. Следователь­но, в первом случае возникают различные конформации молеку­лы, во втором — геометрические изомеры, для которых невоз­-

можно взаимное превращение без разрыва связей и которые в отличие от конформеров имеют разные физические, а в отдель­ных случаях и химические свойства.

Цис-транс-изомеры отличаются положением заместителей от­носительно плоскости π-связи алкенового фрагмента молекулы. Рассмотрим два геометрических изомера бутендиовой кислоты — цис-бутендиовая кислота (малеиновая кислота) и транс-бутенди- овая кислота (фумаровая кислота):

Малеиновая кислота Фумаровая кислота

Эти кислоты имеют различия не только в физических свой­ствах (температура плавления малеиновой кислоты 140 °С, фумаровой кислоты 287 °С), но и в химическом поведении. Так, ма­леиновая кислота при нагревании до 160 °С подвергается внутри­молекулярной дегидратации, образуя малеиновый ангидрид:

Фумаровая кислота термически устойчива; при температуре 290 °С происходит ее изомеризация с образованием малеиновой кислоты.

Оптическая изомерия: оптические изомеры (энантиомеры, зер­кальные изомеры) отличаются положением заместителей относи­тельно атома углерода в состоянии sp³-гибридизации, связанного с четырьмя различными атомами или атомными группами (асим­метрический атом). Появление в молекуле хотя бы одного асим­метрического атома углерода приводит к хиральности молекулы в целом. Хиральность (греч. χειρo — рука) — свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отображением. Любой асим­метрический атом углерода, таким образом, является хиральным центром¹ молекулы. Соединения с одним асимметрическим ато­мом могут иметь два оптических изомера, относящихся друг к

другу, как предмет к своему зеркальному отображению. Такие изо­меры называют оптическими антиподами, или энантиомера­ми. Например, два энантиомера молочной кислоты (асимметри­ческий атом обозначен С*, учтена тетраэдрическая конфигурация асимметрического атома углерода):

Для соединений с числом асимметрических атомов углерода, равным п, число оптических изомеров увеличивается до 2ⁿ (при условии, что абсолютные конфигурации всех п атомов углерода различные).

Из общего числа стереоизомеров (2ⁿ) только два — энантиоме­ры, отличающиеся абсолютной конфигурацией всех хиральных центров. Остальные отличаются друг от друга абсолютной конфи­гурацией только части центров хиральности (диастереомеры) или

конфигурацией только одного такого центра (эпимеры). Так, для глюкозы число асимметрических атомов углерода равно четырем (п= 4), а число оптических изомеров 2ⁿ = 16. Рассмотрим некото­рые из этих изомеров:

Соединения I и II являются по отношению друг к другу эпиме­рами, так как отличаются конфигурацией заместителей только у одного атома углерода С₂. Соединения I и III — энантиомеры (отличаются конфигурацией всех асимметрических атомов угле­рода). Соединения II и III — диастереомеры, отличающиеся кон­фигурацией трех из четырех асимметрических атомов С₃, С₄, С₅.

Оптическая изомерия проявляется в способности соединений вращать плоскость поляризованного света, т.е. быть оптически активными (рис. 8.3).

Вращение плоскости поляризованного света вправо (по часо­вой стрелке) принято обозначать знаком «+», а оптически актив­ные вещества — D-энантиомерами (лат. decstrime — вправо).

Левовращающие оптически активные соединения (знак вра­щения «-») называют L-энантиомерами.

Физические и химические свойства энантиомеров (кроме оп­тической активности) одинаковы.

Для определения принадлежности оптически активного соеди­нения к D- или L-стереохимическому ряду принято сравнивать конфигурацию его асимметрического атома углерода, имеющего наибольший номер, с таковой для глицеринового альдегида (кон­фигурационный стандарт):

Для гексоз, приведенных выше, последний асимметрический атом углерода С₅; соединения I и II относятся к D-ряду: D-глюкоза и D-манноза соответственно; соединение III — к L-ряду (L- глюкоза).

Соединения, обладающие оптической активностью, могут иметь оптически неактивные формы — рацемат и форму.

Рацематом (рацемической смесью) называют эквимолярную

смесь D- и L-энантиомеров, отличающихся направлением враще­ния плоскости поляризованного света. В результате суммарное вращение равно нулю, т.е. происходит компенсация знака враще­ния. Для соединений с одинаковой абсолютной конфигурацией асимметрических атомов существует форма, в которой часть молекулы имеет «+»-конфигурацию, а часть «-»-конфигурацию. Мезо-форма, так же как и рацемат, не обладает оптической ак­тивностью вследствие скомпенсированности знака вращения, од-

Рис. 8.3. Обычный свет (а); плоскополяризованный свет (б); вращение плоскости поляризованного света (в)оптически активным веществом

нако в отличие от рацемата ее нельзя расщепить на энантиомеры. Компенсацию знака вращения в рацемате называют внешней, а в мезо-форме — внутренней.

Винная (2,3-дигидроксибутандиовая) кислота имеет два асим­метрических атома углерода, и можно было бы предположить, что число стереоизомеров будет равно 2² = 4:

В действительности, соединения III и IV являются одним и тем же веществом, так как совмещаются друг с другом простым поворотом на 180°, а значит, существует только три стереоизоме­ра: L-винная кислота (I), D-винная кислота (II) и мезо-винная кислота (III, IV), причем последняя не обладает оптической ак­тивностью.

К оптически активным относятся многие природные соедине­ния: ɑ-амино- и гидроксикислоты, моносахариды, многие фер­менты. В настоящее время широко осуществляется стереонаправленный синтез таких соединений в связи с их высокой биологи­ческой активностью.

Совершенно различная химическая активность энантиомеров при взаимодействии с другими оптически активными веществами обусловливает наблюдаемое в большинстве ферментативных про­цессов явление стереоспецифичности.

Конфигурация — пространственное расположение заместите­лей относительно стерических центров (двойных связей, цикла, элементов хиральности).

Различные конфигурации молекул связаны с существованием геометрических и оптических изомеров. Однако конфигурация не отражает пространственной формы молекулы в целом. При оди­наковых конфигурациях молекула может иметь различные кон­формации.

Конформация — различные пространственные формы молеку­лы, возникающие в результате внутреннего вращения атомов или атомных групп вокруг простых связей (одинарных связей С—С), а также в результате изгиба связи.

Для графического изображения конфигураций молекул наряду со структурной формулой используют проекционные формулы Ньюмена.

Для связи углерод—углерод в соединении

две возможные конформации, взаимно превращаемые в результа­те простого поворота вокруг связи на 60°, показаны с помощью проекционных формул Ньюмена: заторможенная (I) и заслонен­ная (II):

Промежуточные формы называют скошенными конформаци­ями.

Каждой конформации соответствует определенная энергия. Наиболее устойчивой является конформация с минимальной энер­гией, что соответствует наибольшей удаленности атомов друг от друга. Например, молекула RCH₂—СН₃ существует практически только в заторможенной конформации. Минимуму энергии мо­жет отвечать несколько конформационных форм (конформеров), их взаимное превращение называют конформационным перехо­дом. Таким образом, конформеры находятся в динамическом рав­новесии, положение которого зависит от внешних условий.

Ниже приведены пары конформеров:

• для дизамещенного алкана X—СН₂—СН₂—X

• для циклогексана С₆Н₁₂

конформация ванны конформация кресла

• для замещенного циклогексана С₆Н₁₁Х

Аксиальная Экваториальная

конформация конформация

Равновесие между конформерами является подвижным (или динамическим), так же как и в случае таутомеров, и может легко смещаться по мере расходования одной из форм. Так, реакция дегидрогалогенирования бромциклогексана осуществляется толь­ко для аксиального конформера (транс-элиминирование), несмот­ря на то что доля его в равновесной смеси мала:

Из смеси конформеров невозможно выделить молекулу с оп­ределенной конформацией, так как пространственное располо­жение атомов ничем не фиксировано, как в случае цис-транс- изомерии, и происходит постоянное взаимопревращение конфор­меров. Следовательно, нельзя рассматривать различные конфор­мации как изомеры (термин «конформационные изомеры» не оп­равдан).