Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 1

Правила номенклатуры стереоизомеров с несколькими хиральными центрами иллюстрируют названия стереоизомеров 2,3-дибромпентана: (2S,3R)-2,3-дибромпентан (1), (2R,3S)-2,3-дибромпентан (2), (2S,3S)-2,3- дибромпентан (3), (2R,3R)-2,3-дибромпентан (4).

Стереоизомеры 1 и 2 являются эритро-энантиомерами, а cтереоизомеры 3 и 4 — трео-энантиомерами.

Энантиомер, в проекционной формуле Фишера которого идентичные или родственные группы расположены по одну сторону от вертикальной линии (главной углеродной цепи), а в проекционной формуле Ньюмена — заслоняют одна другую, называется эритро-энантиомером.

Энантиомер, в проекционной формуле Фишера которого идентичные или родственные группы расположены по разные стороны от вертикальной линии (главной углеродной цепи), называется трео-энантиомером.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Проекционная формула при определении ряда изображает молекулу в заслоненной конформации. Поэтому в проекционных формулах Фишера соединений эритро-ряда идентичные или подобные группы расположены по одну сторону, в то время как в реальной молекуле такие группы (за счет свободного вращения относительно С–С-связи) будут расположены по разные стороны, так как для молекулы энергетически более выгодна заторможенная конформация. В реальных молекулах трео-ряда по этой же причине подобные группы расположены по одну сторону от главной углеродной цепи.

Важно помнить также, что соответствующие конформационные изменения не влияют на конфигурацию стереоизомера.

3.2.2.Соединения с двумя одинаковыми хиральными центрами

Стереохимия соединений с двумя одинаковыми хиральными центрами имеет ряд особенностей. Рассмотрим их на примере стереоизомеров 2,3-ди- бромбутана.

2,3-дибромбутан

Вэтом соединении каждый из асимметрических атомов углерода связан

счетырьмя различными группами, однако они одинаковы для каждого из

хиральных центров (H, –Br, –CH3 и –CHBr–СН3). Стереоизомеры трео- ряда 2 и 3 являются энантиомерами. В эритро-ряду существует только один пространственный изомер, который к тому же оптически неактивен, так как имеет плоскость симметрии. Этот стереоизомер является мезо-формой (мезо-соединением).

Стереоизомер, имеющий идентичные хиральные центры и обладающий элементом симметрии хотя бы в одной из конформаций, называют мезоформой (мезо-соединением).

Ниже показаны различные проекционные формулы стереоизомеров 2,3- дибромбутана.

Трехмерные клиновидные проекции:

плоскость симметрии

Показанные выше стереоизомеры 2,3-дибромбутана названы по правилам номенклатуры ИЮПАК: (2R,3S)-2,3-дибромбутан (1), (2S,3S)-2,3-ди- бромбутан (2), (2R,3R)-2,3-дибромбутан (3).

Примером соединения с двумя идентичными хиральными центрами является и 2,3-дигидроксибутандиовая кислота (винная кислота), также существующая в виде трех пространственных изомеров 4–6.

Проекционные формулы Фишера винных кислот:

Стереоизомеры 4 и 5 являются энантиомерами, а стереоизомер 6 — мезо-формой, так как имеет плоскость симметрии, а следовательно, не имеет оптической активности. Физические свойства стереоизомеров винной кислоты сравниваются в табл. 3.1.

3.3.ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ И СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ

Пространственные закономерности появления или изменения оптической активности органических соединений в ходе химических реакций изучает

динамическая стереохимия.

Рассмотрим для примера реакцию, в результате которой из ахиральной молекулы образуется хиральная:

H

Молекула бутана содержит прохиральный атом углерода. Прохиральным называют атом углерода, который становится хиральным при замещении одного из двух идентичных атомов (водорода или других групп) на ахиральный заместитель. Молекула, в которой имеется прохиральный атом углерода, называется прохиральной. Замещаемый атом называют

энантиотопным.

Каков стереохимический результат радикального бромирования бутана?

Существует несколько методов разделения смесей энантиомеров.

1.Механическое разделение кристаллов при визуальном контроле. Такое разделение возможно в тех случаях, когда рацемическая форма представляет собой конгломерат кристаллов лево- и правовращающих форм. Именно этот метод был применен Л. Пастером, который в 1848 г. разделил рацемическую форму винной кислоты. Благодаря тому что натрийаммониевые соли (+)- и (–)-винных кислот имеют разную форму кристаллов, ему удалось выделить каждый энантиомер в индивидуальном виде.

2.Биохимический метод, основанный на стереоспецифичности ферментативных реакций (подробнее об этом методе см. ниже).

3.Химический метод (наиболее универсальный), заключающийся в том,

что на рацемическую форму (±)-НА действуют оптически активным реа-

••

гентом, например (–)B , в результате чего образуется новая пара веществ — диастереомеров, которые легко могут быть разделены вследствие различия их физических свойств. Из полученных таким образом индивидуальных диастереомеров выделяют затем индивидуальные энантиомеры (+)-HA- и (–)-HA.

диастереомеры

4. Хроматографирование рацематов на оптически активных стационарных фазах.

Наибольшее практическое применение имеют методы 2–4.

Для углубленного изучения!

МОЖЕТ ЛИ ПРОХИРАЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ БЫТЬ СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОЙ?

В разд. 3.3 был рассмотрен стереохимический результат реакции бромирования н-бутана. Особенность этого соединения состоит в том, что его молекула является прохиральной. Она имеет 2 пары прохиральных Н-атомов, замещение каждого из которых ведет к образованию стереоцентра. Ниже на

примере н-бутана показано обозначение прохиральных атомов в прохиральных молекулах: HR [или pro-(R)] и HS [или pro-(S)].

HS

HR

HS

HR

Эти обозначения получены при предположении, что индексируемый атом является более старшим атомом, чем его сосед, и при условии, что старшинство других заместителей у прохирального центра остается без изменений.

Прохиральными в молекулах органических соединений могут быть не только атомы, но и стороны молекулы. Именно такими прохиральными (энантиотопными) сторонами обладают молекулы карбонильных соединений и, в частности, молекула ацетальдегида:

O

(re)-face

H (si)-face

H3C

Прохиральные стороны классифицируются по правилам старшинства заместителей. Сторона, при взгляде с которой мы наблюдаем снижение старшинства заместителей по часовой стрелке, определяется как (re)-face. Сторона, при взгляде с которой мы наблюдаем снижение старшинства заместителей против часовой стрелки, определяется как (si)-face.

Наконец, прохиральными могут быть и пары неподеленных электронов на гетероатомах, например в молекулах органических сульфидов.

S

C6H5 CH3

Прохиральными могут быть не только нейтральные молекулы, но и частицы — катионы, анионы, радикалы. Одним из примеров прохирального радикала является плоский 2-бутильный радикал:

CH3

HC2H5

Именно на стадии взаимодействия этого радикала с молекулярным бромом и определяется стереохимический результат бромирования н-бутана: оба энантиомера образуются в строго эквивалентных количествах. Рассмотрим причину этого результата подробнее.

Соответственно схеме механизма галогенирования алканов (разд. 2.4.1), структуры образующихся энантиомеров 2-бромбутана формируются на стадии 3 — при взаимодействии 2-бутильного радикала с молекулярным бромом:

(R)-бромбутан

Каждому из образующихся энантиомеров — (R)- и (S)-бромбутанам — соответствует свое переходное состояние: (R)-ПС и (S)-ПС. Как видно, структуры этих переходных состояний являются энантиомерами и обладают, следовательно, одинаковыми физическими и химическими свойствами, в том числе значениями энергий активации, определяющих скорости образования продуктов реакции.

Возникает естественный вопрос: можно ли создать такие условия реакции, чтобы прохиральная молекула прореагировала с преимущественным образованием лишь одного из стереоизомеров, т. е. состоялась стереоселективная реакция?

Конечно, можно. В таком случае, в отличие от реакции бромирования бутана, в которой применен ахиральный реагент (бром), следует воспользоваться хиральным реагентом или хиральным катализатором. При этом

будут сформированы переходные состояния, относящиеся друг к другу как диастереомеры, которые имеют различные физические и химические свойства.

диастереомерные переходные состояния

Как видно из представленной схемы, «распознавание» хиральным реагентом прохиральных элементов в прохиральной молекуле (частице) совершенно аналогично расщеплению рацемических смесей на индивидуальные энантиомеры под действием хиральных расщепляющих реагентов.

К вопросу о стереоселективности прохиральных реакций мы будем возвращаться в последующих главах. Здесь остановимся лишь на нескольких примерах. Один из них — получение энантиомерно чистого 1-d-этанола при ферментативном восстановлении ацетальдегида. Как уже было отмечено выше, молекулы карбонильных соединений обладают прохиральными (энантиотопными) сторонами. Именно такими энантиотопными сторонами и обладает молекула 1-d-ацетальдегида. Легко видеть, что в реакциях АdN присоединение нуклеофила с правой и с левой сторон этой молекулы ведет к образованию двух различных энантиомеров:

Однако и в этом случае применение ахирального реагента позволяет сформировать лишь энантиомерные переходные состояния, следствием чего оказывается образование рацемической смеси соответствующих (R)- и (S)-энантиомеров. Вместе с тем хиральный катализатор, в качестве которого была применена смесь алкогольдегидрогеназы и глюкозадегидрогеназы, обеспечивает формирование диастереомерных переходных состояний и образование лишь одного из стереоизомеров, а именно (R)-1-d-этанола в конечной реакционной смеси.

Способность природы в мягких физиологических условиях («in vivo») обеспечивать высокую стереоселективность соответствующих биохимических реакций поразительно. Практически все прохиральные реакции проходят в живых системах с образованием лишь одного из возможных энантиомеров.

Рассмотрим еще один пример — биосинтез алкалоидов — производных пиперидина: анабазина, седамина и N-метилаллоседридина:

H OH

2 H

6 N

CH3

N-метилаллоседридин

Установлено, что пиперидиновое кольцо в этих алкалоидах синтезируется из α-аминокислоты лизина. Такой факт был подтвержден применением различных меченых лизинов: атомы С-2 и С-6 предшественника становятся атомами С-2 и С-6 в пиперидеине и алкалоидах.

Последующие превращения промежуточно образующегося пиперидеина идут энантиоселективно. Объяснением этому факту служит ферментативный характер этих превращений. Хиральность соответствующих ферментов, выступающих в роли катализаторов, приводит к тому, что анабазин и седамин образуются только в S-конфигурации, а N-метилаллоседри- дин — только в R-конфигурации при С-2-атоме.

Изучение ферментативных реакций показало, что упорядоченность реагентов в пространстве — надежный путь к повышению стереоселективности препаративного органического синтеза («in vitro»). Продумывая стереоселективные синтезы, химики моделируют условия ферментативного

биосинтеза путем создания пространственно упорядоченных реакционных систем [3]. Такие условия оказалось возможным создавать в растворе с применением хиральных катализаторов, способных к комплексообразованию с субстратом, в мицеллах, образованных поверхностно-активными веществами, и в твердом кристалле [4–6]. Например, органические молекулы, находясь в кристаллическом состоянии или в твердой матрице, не имеют свободы перемещения. Если их пространственное строение в кристалле обеспечивает возможность их фотоили термоактивации, соответствующие реакции могут проходить с высокой степенью селективности. Как показано ниже, такие возможности с успехом реализуются при фотолизе кристаллов предшественника природного соединения α-купаренона, имеющего в своей молекуле несколько хиральных центров.

Границы кристаллического поля

Фотолиз кристаллов обеспечивает 100%-ную энантиомерную чистоту (ее) продукта реакции α-купаренона.

Дополнения!

ХИРАЛЬНОСТЬ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ. ХИРАЛЬНЫЕ ЛЕКАРСТВА

Обладая возможностью получения органических веществ в энантиомерночистой форме, химик не всегда стремится проводить прохиральные реакции так, чтобы выделять в каждом случае отдельные энантиомеры.

Дело в том, что энантиомеры одинаковы как по химическим, так и по физическим свойствам, за исключением способности вращать плоскополяризованный свет. Поэтому даже при наличии в том или ином органическом соединении хиральных атомов часто нет практической необходимости получать и применять это соединение в качестве энантиомера. Для многих