Резонансный эффект

При образовании делокализованной связи всегда имеет место перераспределение электронной плотности. Для примера рассмотрим молекулу анилина.

Электронная пара атома азота оказывается частично делокализована в фенильном радикале. В результате на азоте электронная плотность уменьшается, а на атомах углерода фенильного радикала, наоборот, увеличивается. Другими словами, происходит смещение электронной плотности от одной группы (донора) к другой (акцептору) вследствие резонанса. Такое смещение электронной плотности называют резонансным, или мезомерным эффектом. В отличие от полярного эффекта, резонансный эффект передается только по сопряженным -связям и уменьшается значительно медленнее. Группы, проявляющие резонансный эффект, делят на электронодонорные (имеющие неподеленную электронную пару, их эффект обозначают +М) и электроноакцепторные (имеющие вакантную орбиталь с низкой энергией, например, -орбиталь, их эффект обозначают - М).

Основы стереохимии Введение

Для определенной комбинации атомов, выражаемой молекулярной формулой, возможно существование многих совершенно различных структур, которые отличаются друг от друга природой или последова­тельностью связей атомов в пространстве. Каждый индивидуальный мо­лекулярный ансамбль называют изомером; строение соединения – это определенный порядок связей атомов друг с другом и последователь­ность атомов для данной молекулярной формулы. Например, пропаналь, ацетон, циклопропанол и 2-метилоксиран имеют одинаковую мо­лекулярную формулу С₃Н₆О, но различаются строением. Если молекулы с одинаковым строением отличаются только пространственным распо­ложением атомов или групп, то их называют стереоизомерами; при анализе их взаимоотношений важны топологические представления. Если два изомера относятся друг к другу как предмет к своему несов­местимому зеркальному изображению, то их называют энантиомерами и каждая из этих структур хиральна. Стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называют диастереомерами; к ним относятся также и геометрические изомеры алкенов. Стереоизомеры отличают друг от друга, указывая их конфигурацию.

Кроме строения и конфигурации существует третий важный струк­турный аспект, а именно конформация. Конформационная изомерия обычно относится к дискретным расположениям атомов в молекуле, создаваемым вращением вокруг формально простых связей.

Энантиомерия

Так как термин хиральность использовался в смысле обозначения условий, при которых объект и его зеркальное изображение несовме­стимы, то его можно описать без отнесения к каким-либо измеримым физическим или химическим свойствам. Однако связь между терминами хиральность и оптическая активность исторически столь тесна, что хи­мики используют их как взаимозаменяемые. Оптическая активность от­носится к одному свойству хиральных молекул, а именно к способности вращать плоскость поляризации света. Измерения этого свойства очень полезны, особенно при изучении механизмов реакций, когда стереохимические взимоотношения между исходным веществом и продуктом, на которые указывает знак и величина оптического вращения, дают цен­ную информацию о топологии переходных состояний и интермедиатов. Важно отметить, что знак и величина оптического вращения зависят от условий измерения, таких как температура, растворитель, и, что наиболее важно, от длины волны света, падающего на образец. Из­мерение зависимости вращения от длины волны очень ценно при изу­чении структуры и дает больше информации, чем измерения оптиче­ского вращения при одной длине волны. Этот метод называется дисперсией оптического вращения. Молекула, которая оптически активна, должна быть хиральной и наоборот, но величина вращения хиральной молекулы может быть настолько малой, что ее трудно отли­чить от нуля в условиях измерения. В таком случае измерение враще­ния при другой длине волны может дать большую величину оптического вращения.

Энантиомеры, в которых хиральным центром является четырехкоординированный углерод, представляют наиболее обширный класс хиральных молекул. Молекулы, которые не хиральны, называются ахиральными. При тетраэдрической ориентации лигандов у sp³-гибридизованного атома углерода наличие двух идентичных лигандов приводит к тому, что мо­лекула становится ахиральной; напротив, если имеется четыре различ­ных лиганда, то молекула должна быть хиральной. Видно, что при двух одинаковых заместителях молекула имеет плоскость симметрии. Моле­кула с плоскостью симметрии будет совместима со своим зеркальным изображением и является ахиральной. С четырьмя различными заме­стителями у sp³-гибридизованного атома углерода молекула не имеет элементов симметрии (не считая тривиальной C₁-оси); тогда говорят, что молекула имеет асимметрический углеродный атом. Ниже приво­дится пример совместимых зеркальных изображений в случае ахиральных молекул:

Плоскость, образуемая тремя атомами С2—С1—О, является плос­костью симметрии. Ниже приводится пример несовместимых зеркаль­ных изображений хиральной молекулы:

Необходимое условие для несовместимости объекта с его зеркаль­ным изображением можно встретить в соединениях, в которых хираль­ным центром является не четырехкоординированный углерод, а какой-либо другой атом. В принципе, амины с тремя различными заместителями могут быть оптически активными, т. е. они хиральны, но энергия активации для инверсии пирамиды слишком мала, чтобы можно было выделить энантиомеры. Энергии активации для инверсии пирамиды в случае фосфинов значительно больше; получено много оптически активных фосфинов.

Хиральность молекулы можно описать, обозначая ее конфигура­цию. Наиболее широко применяются правила Фишера, использующие обозначения D и L, и правила Кана — Ингольда — Прелога, использую­щие обозначения R и S.

Правила Фишера связывают конфигурацию асимметрического центра со стандартом, в качестве которого Фишер выбрал (+) -глице­риновый альдегид. Этому энантиомеру он произвольно приписал ука­занную ниже конфигурацию, которую обозначил D. Левовращающему изомеру глицеринового альдегида приписали зеркальную конфигурацию, которую обозначили L. Последующее определение конфигурации натрийрубидийтартрата методом, рентгеноструктурного анализа показало, что конфигурации, произвольно приписанные (+)- и (-)-глицерино­вому альдегиду, являются правильными.

D-(+)-глицериновый L-(-)-глицериновый

альдегид альдегид

При использовании правила Фишера удобно применять проекцион­ные формулы. Проекции Фишера получают, ориентируя молекулу та­ким образом, чтобы наиболее окисленный атом углерода основной цепи находился сверху с вертикальными связями асимметрического атома углерода, направленными «назад», и горизонтальными связями, направ­ленными «вперед». Тогда D- и L-формы глицеринового альдегида мож­но представить следующими трехмерными изображениями и проекционными формулами Фишера;

Конфигурацию хиральной молекулы обозначают D- или L- в зави­симости от того, аналогична ли она конфигурации D- или L-глицеринового альдегида. Это правило широко применяется в химии углеводов и для обозначения конфигурации оптически активных α-аминокислот. Все аминокислоты (кроме глицина, который ахирален), получаемые гидро­лизом белков, имеют L-конфигурацию α -углеродного атома. Эта конфигурация соответствует фишеровской проекции;

Следует отметить, что нет прямой связи между знаком вращения и конфигурацией различных молекул. Аминокислота L-аланин, например, является правовращающей.

Аналогии между заместителями в энантиомерных глицериновых альдегидах и заместителями в аминокислотах и углеводах достаточно ясны, и особых трудностей в применении правила Фишера не возни­кает. Когда же заместители в рассматриваемом соединении значитель­но отличаются от заместителей в глицериновом альдегиде, то аналогии не всегда очевидны. Современным методом обозначения конфигурации яв­ляется правило Кана — Ингольда — Прелога, или, как оно было на­звано авторами, правило последовательности. Это правило заменило правило Фишера как более однозначный и удобный способ обозначения конфигураций. Оно однозначно при использовании и зависит не от каких-то субъек­тивных аналогий с заместителями стандарта, а от объективного крите­рия – атомных номеров атомов, связанных с хиральным центром, поэтому конфигурацию установленную по этим правилам называют абсолютной.

Чтобы обозначить абсолютную конфигурацию хиральной молекулы, сначала составляют последовательность заместителей у асимметрического цент­ра, располагая их в порядке уменьшения атомного номера. Атом с наи­большим атомным номером является старшим, атом с наименьшим атомным номером — младшим. Если расположить молекулу таким об­разом, чтобы младшая группа была удалена от наблюдателя, то поря­док расположения оставшихся заместителей определит конфигурацию. Конфигурация обозначается как R (лат. rectus — правый) или S (лат. sinister — левый) в зависимости от того, падает ли старшинство заме­стителей по часовой стрелке или против нее. Если с асимметрическим центром непосредственно связаны два одинаковых атома, то старшин­ство определяется сравнением атомных номеров заместителей у каж­дого из этих атомов. Атомы, связанные двойной связью, считают дваж­ды, тройной — трижды. Примеры определения конфигурации некоторых типичных молекул приводятся ниже. Так, конфигурацию изображенного энантиомера бутанола-2 определяют как S следующим образом: стар­шим атомом, связанным с асимметрическим центром, является О; млад­шим Н. Двумя другими атомами являются углероды, и выбор, какая из групп старше — метильная или этильная, делают на основании срав­нения заместителей. Метильная группа имеет заместители Н, Н, Н, а этильная С, Н, Н; следовательно, этильная группа старше метильной.

Полная последовательность изменения старшинства заместителей сле­дующая: ОН, СН₃СН₂, СН₃, Н. Если смотреть со стороны, противопо­ложной младшему заместителю, то видно, что оставшиеся группы рас­положены в порядке уменьшения старшинства против часовой стрелки, поэтому конфигурация обозначается S.

D-Глицериновый альдегид имеет R-конфигурацию:

Последовательность падения старшинства заместителей, связанных непосредственно с асимметрическим центром: ОН, СНО, СН₂ОН, Н. Альдегидная группа старше, чем оксиметильная, так как углерод аль­дегидной группы имеет заместители О, О, Н, а углерод оксиметильной группы — О, Н, Н. Заметим, что кислород альдегидной группы, связан­ный двойной связью, считается дважды. Когда молекула расположена так, что водород удален от наблюдателя, старшинство заместителей па­дает по часовой стрелке:

Так как правила Кана — Ингольда — Прелога и Фишера основаны на различных принципах, между ними нет прямой корреляции. То, что D-глицериновый альдегид (по правилу Фишера) соответствует R-глицериновому альдегиду (по правилу старшинства), является совпаде­нием. Достаточно рассмотреть пример цистеина, чтобы убедиться, что прямого соответствия нет. Ниже приведена фишеровская проекция цистеина;

Применение правила последовательности дает следующий порядок па­дения старшинства заместителей: NH₂, CH₂SH, СООН, Н. Меркаптометильная группа старше, чем карбоксильная, так как заместители у двух углеродных атомов соответственно S, Н, Н и О, О, Н, и S старше, чем О, ибо имеет больший атомный номер. Старшинство заместителей падает по часовой стрелке, L-цистеин имеет R-конфигурацию:

Следует отметить, что выбор символов, которые описывают конфи­гурацию в соответствии с, принятым правилом, никак не связан с хими­ческими процессами. L-Цистеин и L-серин могут быть превращены друг в друга химическими реакциями, которые не затрагивают асимметри­ческий центр и, следовательно, не нарушают ориентации лигандов. По­скольку правило Кана — Ингольда — Прелога для установления стар­шинства заместителей использует в качестве критерия атомный номер, то в серине карбоксильная группа старше, чем оксиметильнаяг, а в цистеин младше, чем меркаптометильная; в результате L-цистеин имеет R-конфигурацию, а L-серин —S-конфигурацию.

Когда хиральный центр является трехкоординационным, как в слу­чае оптически активных сульфоксидов, сульфониевых солей и фосфинов, то считают, что четвертый угол условного тетраэдра занят «атомом-фантомом» с нулевым атомным номером. Хиральность свойственна также некоторым молекулам, не имеющим хирального центра. Такие соединения могут иметь хиральную плоскость или хиральную ось; в этом случае говорят о диссимметрии по отноше­нию к плоскости или оси. Оптически активные аллены, биарилы, алкилиденциклогексаны и спираны являются примерами соединений с аксиальной диссимметрией (хиральная ось). транс-Циклоалкены слу­жат примером соединений с плоскостной диссимметрией в молекуле. Конфигурации этих классов соединений также могут быть обозначены согласно правилам Кана — Ингольда — Прелога с использованием обыч­ных R- и S-обозначений. Для этого применяют специальные правила, которые здесь не рассматриваются.