Лекция №3 изомерия органических соединений
ЦЕЛИ ЛЕКЦИИ
Обучающая – Формирование знаний об изомерии органических соединений.
Развивающая – Расширение кругозора обучающихся на основе интеграции знаний; развитие логическое мышление.
Воспитательная – Содействие формированию у обучающихся устойчивого интереса к изучению дисциплины «Биоорганическая химия».
ПЛАН ЛЕКЦИИ
Изомерия, Структурная изомерия, её виды. Пространственная изомерия, её виды, Оптическая изомерия (энантиомерия).
- и -Диастереомерия. Примеры их проявления у биологически активных соединений.
СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ
Изомерия, Структурная изомерия, её виды. Пространственная изомерия, её виды, Оптическая изомерия (энантиомерия)
Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый количественный и качественный состав, молекулярную массу, но отличающиеся химическим строением или расположением атомов в пространстве.
Изомерия делится на 2 основных вида – структурную и пространственную (стереоизомерию).
Структурные изомеры отличаются друг от друга химическим строением.
Виды структурной изомерии:
Изомерия углеродной цепи (н-бутан, изобутан).
Изомерия положения функциональных групп (2-аминобутановая кислота, 3-аминобутановая кислота).
Изомерия положения кратных связей (бутен-1, бутен-2).
Межклассовая изомерия. При этом одной эмпирической формуле С2Н5О отвечают а) этиловый спирт; б) диметиловый эфир.
Н
Н
l
l Н
– С
– С
– О
–Н
l
l
Н
Н
Н
Н
l
l Н
– С
–
О
–
С
–
Н
l
l
Н
Н
Виды стереоизомерии (пространственной изомерии)
Конформационная
Энантиомерия (оптическая изомерия)
Диастереомерия (- и -диастереомерия)
Стереоизомеры – это изомеры, имеющие одинаковый состав и химическое строение молекулы, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов. Пространственное строение веществ изучает раздел химии и стереохимия. От пространственного строения соединений зависят их физические и химические свойства и биологическая активность.
Конформационная изомерия
Конформационная изомерия – это вид изомерии, при котором различие между изомерами (конформерами) обусловлено поворотом отдельных участков молекулы вокруг одинарных -связей.
Пример: поворотные изомеры этана Н3С–СН3:
Конформационная изомерия возможна для циклогексана и его производных. Наиболее термодинамически устойчивой является конформация «кресло».
Энантиомерия
Энантиомерия возможна у любых органических соединений, имеющих ассиметрический атом углерода, соединённый с четырьмя различными атомами или группами атомов. Например, молекула 2-гидроксипропановой кислоты.
Молекулы веществ, содержащих ассиметрический атом углерода, называют хиральными. Наши руки не содержат элементов симметрии и относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению. Они не могут быть совмещены в пространстве. Хиральные молекулы также не содержат элементов симметрии и относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению и не могут быть полностью совмещены в пространстве.
Энантиомеры – стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение. Для обозначения внешней конфигурации энантиомеров вводится понятие о D- и L-формах. Для энантиомеров с одним хиральным центром: D-форма – энантиомер, в котором заместитель (–ОН группа и др.), соединённые с хиральным центром, записывается справа по отношению к углеродной цепи, а L-форма – слева.
В 2-гидроксипропановой кислоте –ОН группа – D,L-определяющий гидроксил.
D (-) мясомолочная кислота L (+) молочная кислота
Энантиомеры обладают оптической активностью. Они способны вращать плоскость поляризации света. Оптическая активность энантиомеров исследуется с помощью прибора – поляриметра, в котором луч света, пройдя через специальную призму Николя, колеблется только в одной плоскости, становится плоскополяризованным. Энантиомеры способны отклонять его либо влево, либо вправо. У энантиомеров угол вращения плоскости поляризации света одинаковый, но направление вращения противоположное. Один энантиомер – левовращающий, знак (-), а другой правовращающий, знак (+). У молочной кислоты D (-); =-2,6 и L (+); =+2,6 при 22С в 2,5 водном растворе.
Знак вращения плоскости поляризации света не связан с принадлежностью к D- или L-ряду. Он определяется экспериментально. Таким образом, энантиомеры, обладая одинаковыми физическими и химическими свойствами, отличаются по оптическим свойствам. Они являются оптическими антиподами.
Смесь равных количеств энантиомеров называется рацематом. Он не обладает оптической активностью. Организм избирательно относится к энантиомерам. Утомление мышц при длительной работе обусловлено накоплением в них L (+) молочной кислоты.
- и -Диастереомерия. Примеры их проявления у биологически активных соединений
Многие биологически важные соединения содержат в молекуле более одного центра хиральности. Количество стереоизомеров для них определяют по формуле: z=2n, z – количество стереоизомеров, n – число хиральных центров. Например, 2,3,4 – тригидроксибутаналь. Количество стереоизомеров Z =2n. Первая пара энантиомеров 1) D-эритроза и 2) L-эритроза и вторая пара энантиомеров 3) D-треоза и 4) L-треоза.
Энантиомеры каждой пары сходны между собой по физическим и химическим свойствам, но отличаются по оптическим свойствам, являются оптическими антиподами. 1 и 3; 1 и 4; 2 и 3; 2 и 4-ая пары стереоизомеров не являются энантиомерами, у них проявляется другой вид стереоизомерии – диастереоизомерия.
Диастереоизомеры – это стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, т.е. «зеркальными» изомерами. У перечисленных выше пар стереоизомеров проявляется -диастереометрия, т. к. заместители связаны с центром хиральности -связями.
Если заместители находятся по одну сторону углеродной цепи, то такой стереоизомер называют эритро-формой, если по разные стороны, то трео-формой. У -диастереомеров конфигурация одного хирального центра одинаковая, а другого противоположная.
I II III IV
Энантиомеры: I и II; III и IV.
σ-Диастереомеры: I и III; I и IV; II и III; II и IV.
-Диастереомеры отличаются по физическим и химическим свойствам и не являются зеркальным изображением один другого. Понятие энантиомерии и -диастереомерии взаимоисключающие. Если стереоизомеров не являются энантиомерами, то они будут -диастереомерами.
-Диастереомеры – это стереоизомеры, отличающиеся друг от друга различным пространственным расположением одинаковых заместителей относительно плоскости -связи.
Например, бутандиовая кислота. Она образует 2 -диастереомера (цис--диастереомер, малеиновая кислота)
и (транс--диастереомер, фумаровая кислота).
Малеиновая кислота Фумаровая кислота
Молекулы бутендиовой кислоты не содержат центров хиральности. -Диастереомеры отличаются друг от друга по физическим и химическим свойствам, а также по физиологическому действию. Более устойчивыми являются транс--диастереомеры. Поэтому они более распространены в природе. Фумаровая кислота содержится как в растительных, так и животных организмах. В последних, она образуется как промежуточный продукт обмена углеводов в анаэробных условиях. Малеиновая кислота токсична, в природе не встречается, получается синтетическим путём.
Таким образом, пространственное строение органических веществ тесно связано с проявлением ими биологической активности, а также возможностью участия в биохимических процессах.