Диастереомерия

В введении диастереомеры были определены как стереоизомеры, которые не относятся друг к другу, как предмет к своему зеркальному изображению. Рассмотрим четыре стереоизомерные структуры 2,3,4-тригидроксибутаналя.

Эти структуры представляют четыре возможных комбинации двух не­эквивалентных хиральных центров. Конфигурации у атомов С2 и С3 обозна­чены по Кану – Ингольду – Прелогу. Каждая структура является стереоизомером по отношению к любой другой. 2R,3R- и 2S,3S-изомеры являются энантиомерами, так же как и пара 2S,3R- и 2R,3S-изомеров. 2R,3R-изомер является диастереомером по отношению к 2R,3S-изомеру, так как эта пара представляет собой пару стереоизомеров, но не энантиомеров. Зеркальным изображением 2R,3R-изомера является 2S,3S-изомер, а любой объект может иметь только одно зер­кальное изображение.

В отличие от энантиомеров диастереомеры могут иметь различные температуры плавления, температуры кипения, показатели преломле­ния, растворимость, дипольные моменты и т. д., при реакции с опреде­ленным реагентом они могут давать различные вещества. Оптическое вращение диастереомеров может отличаться как по величине, так и по знаку.

Обозначение конфигураций диастереомеров довольно просто. Каж­дый хиральный центр получает обозначение R или S в соответствии с правилами старшинства по системе Кана – Ингольда – Прелога.

В относительно простых случаях на системы с более чем с одним асимметрическим центром распространяют правила Фишера, основан­ные на структуре и номенклатуре углеводов. Эти правила можно про­иллюстрировать на примере уже рассмотренных стереоизомеров 2,3,4-тригидроксибутаналя- 2R,3R- и 2S,3S-Изомеры представляют собой соответственно D- и L-эритрозы. 2S,3R- и 2R,3S-изомеры — соот­ветственно D- и L-треозы. Эти проекционные формулы Фишера при­ведены ниже:

По правилу Фишера определенный стереохимический ряд обозна­чается D или L в зависимости от того, аналогична ли конфигурация асимметрического центра с наибольшим номером D- или L-глицериновому альдегиду. При распространении правила Фишера на соединения с двумя асимметрическими центрами используют приставки эритро- и трео- для описания относительной конфигурации двух центров, когда аналогии между заместителями очевидны.

Если молекула имеет два идентично замещенных хиральных цент­ра, число стереоизомеров уменьшается с 4-х до 3-х, что хорошо изве­стно для винной кислоты. Эти три изомера: D- и L-формы (энантиомеры) и диастереомерная мезо-форма. Мезо-форма совместима со своим зеркальным изображением, так как она имеет плоскость симметрии; она ахиральна и оптически неактивна. Ниже приведены три возможных стереоизомера винной кислоты:

Введение хиральных центров в циклические структуры приводит к некоторым интересным следствиям. Если в качестве примера взять диметилциклоалканы, то окажется, что цис-изомеры ахиральны, так как имеют плоскость симметрии. транс-Диметилциклоалканы хиральны, если число звеньев в кольце нечетное. Если в цикле четное число звеньев, то будет ли он хиральным или ахиральным зависит от характера заме­щения. Эти стереохимические особенности заметны при рассмотрении диметилциклопропанов и диметилциклобутанов. Три возможных стереоизомера 1,2-диметилциклопропана:

Три возможных стереоизомера 1,2-диметилциклобутана:

Два возможных стереоизомера 1,3-диметшщиклобутана:

Для 1,2-диметшщиклопропана и 1,2-диметилциклобутана возможно су­ществование трех стереоизомеров: мезо-формы (цис-) и пары энантиомеров (транс-). Для 1,3-диметилциклобутана возможно только два сте­реоизомера, оба они ахиральны. 1,3-цис-Изомер имеет две плоскости симметрии: одна проходит через С1 и С3, другая через С2 и С4. 1,3-транс-Изомер имеет плоскость симметрии, проходящую через С1 и С3. Если продолжить рассмотрение стереохимии системы транс-1,3-диметилциклобутана, можно подметить некоторые другие интересные осо­бенности. Посмотрим, что произойдет, если ввести заместители при С2 и С4. Если эти заместители находятся в цис-положении по отношению друг к другу, то плоскость симметрии сохраняется, и молекула ахи­ральна. Если заместители находятся в транс-положении друг к другу, то плоскость симметрии исчезает. Хирален ли транс-2,4-дибром-транс-1,3-диметилциклобутан? Рассмотрение молекулы к ее зеркального изо­бражения показывает, что они совместимы.

Это пример молекулы, которая имеет центр симметрии — в этом случае совпадающий с центром циклобутанового кольца. Пример иллюстри­рует важное взаимоотношение симметрии и хиральности: молекула с центром симметрии совместима со своим зеркальным изображением и поэтому ахиральна.

Как видно из этих примеров, для молекул, имеющих более одного хирального центра, нет простых правил, связывающих число хиральных центров с числом стереоизомеров, так как некоторые из форм могут быть совместимы с их зеркальными изображениями. При отсутствии таких осложнений число стереоизомеров, возможных для системы с n асимметрических центров равно 2ⁿ.

Диастереомерные взаимоотношения дают основу для ряда важных процессов. Расщепление — это разделение смеси равных количеств энантиомеров (называемой рацематом или рацемической смесью) на ее компоненты. Разделение обычно достигается превращением смеси энантиомеров в смесь диастереомеров действием оптически активного реагента (расщепляющего реагента). Поскольку диастереомеры имеют различные физические и химические свойства, их можно разде­лить удобными методами и затем на следующей стадии регенерировать энантиомеры. Альтернативный метод расщепления основывается на различиях в скоростях реакций энантиомеров с хиральным агентом. Энергии пе­реходных состояний для реакций одной хиральной молекулы с другой могут быть для энаитиомеров различны. Если рацемическая смесь (R-мо­лекула + S-молекула) реагирует с оптически активным реагентом (R-реагент), то два переходных состояния (R-молекула-•••-R-реагент и S-молекула ••• R-реагент) являются диастереомерными. Разделение энантиомеров селективной реакцией с оптически активным реагентом называют кинетическим расщеплением. Ферменты являются очень эффективными и селективными катали­заторами разнообразных биологических превращений. Во многих из этих превращений участвуют хиральные субстраты, и в этом случае обычно наблюдается, что один энантиомер значительно реакционноспособнее другого. Причина этого состоит в том, что сами ферменты хиральны и взаимодействие фермента с одним энантиомером диастереомерно по отношению к взаимодействию этого же фермента с другим энантиоме­ром; таким образом, одно взаимодействие фермент — субстрат преоб­ладает над другими. Реакции, катализируемые ферментами, исполь­зуются для расщепления органических молекул, когда один энантио­мер является предпочтительным субстратом для фермента.

Как говорилось ранее, геометрические изомеры алкенов в общем представляют собой диастереоизомеры, поскольку они являются стереоизомерами, но не энантиомерами. Обычное обозначение геометриче­ских изомеров как цис- или транс- глубоко укоренилось, но оно стра­дает той же неопределенностью, что и правила Фишера, так как осно­вано на аналогиях, которые не всегда очевидны.

При решении проблемы обозначения геометрических изомеров также используется правило последовательности, оно получает все более широкое применение.

Основным критерием снова является атомный номер. Четыре за­местителя у двойной углерод-углеродной связи рассматриваются по­парно и сравниваются следующим образом: расположены ли замести­тели с большим атомным номером из каждой пары по одну или по разные стороны двойной связи. Если они находятся по одну сторону, ис­пользуют обозначение Z (нем. zusammen — вместе). Если же они нахо­дятся по разные стороны, то используют обозначение Е (нем. entgegen — напротив). Так же как при применении правила старшинства к хиральным центрам, если атомы, непосредственно связанные с двой­ной связью, имеют одинаковый атомный номер, то старшинство опреде­ляется сравнением атомов, присоединенных к атомам первого слоя. Си­стема может быть также применена в случае других кратных связей, таких как, например, C=N. Она предпочтительнее, чем обозначения син- и анти-, используемые для изомеров оксимов. Как и в случае хиральных центров, если атом двойной связи не имеет двух заместителей (как в оксимах), то используется «фантом» — лиганд с нулевым атомным номером.