книги из ГПНТБ / Блага К. Основы стереохимии и конформационного анализа

Производные полиметиленовых эфиров гидрохинона (XV) и замещенные парациклофаны ( X V I ) оптически активны, так как имеют плоскость хиральности:

С 0 2 Н

(СН2 )„

полного вращения ароматических колец и образования симме­ тричной (планарной) конфигурации. Эти соединения существуют в виде двух энантиомеров и, соответственно, рацемата .

Особый случай хиральности наблюдается в случае грамс-

Здесь асимметрия т а к ж е обусловлена тем, что небольшое на* пряжение кольца препятствует молекуле принять симметрич­ ную, планарную конфигурацию. Алифатическая цепь выдается

30

вперед или расположена позади плоскости, образованной ато­ мами, непосредственно связанными с этиленовой группой; воз­ можно, что заместители при двойной связи в этом случае будут

соответствующее замещение заставляет молекулу изгибаться от наиболее благоприятного, точно планарного расположения . Так, фенантрен, который имеет планарную молекулярную структуру, как это свойственно ароматическим системам, будучи замещен ­ ным в положениях 4 и 5, например, метальными группами, ста­

X I X X X

Хиральность производных бензофенантрена еще более вы­ ражена, например, в гексагелицене ( X X ) , характеризующемся необычайно высокой оптической активностью.

Х И М И Ч Е С К И Е Ф О Р М У Л Ы И М О Л Е К У Л Я Р Н Ы Е М О Д Е Л И

После рассмотрения общих стереохимических понятий можно

ном обсуждении. П р е ж д е всего следует точно определить неко­ торые понятия и термины, которые иначе могут подменить друг друга.

показателем преломления, спектрами в различных областях длин волн и, наконец, своей оптической активностью, которая яв­ ляется единственным критерием, позволяющим различить две химические индивидуальности, идентичные в других отношениях.

Выделив и охарактеризовав химическую индивидуальность, химик определяет ее структуру. Структура затем может быть в ы р а ж е н а с помощью молекулярной модели, показывающей

31

число, взаимную последовательность образующих молекулу ато­ мов и расстояние между ними. Однако построение молекулярных моделей не является обычным методом выражения структуры, поскольку это затрудняет передачу информации. Вследствие этого модель должна быть изображена на бумаге посредством некоторой подходящей проекции. Д а л е е к а ж д о е вещество д о л ж ­ но быть названо, чтобы сделать возможными запись и передачу

и о т р а ж а ю щ е й ее молекулярной моделью обозначается как оп­ ределение структуры; в области стереохимии это называется кор­ реляцией или определением абсолютной и относительной конфи­ гурации. Указанная связь д о л ж н а быть всегда подтверждена посредством химических или физико-химических экспериментов. Соотношения между другими элементами д и а г р а м м ы основаны на договоренностях, которые являются более или менее обще­ принятыми. Название соединения может быть выведено, как показано на диаграмме, или из стереохимической формулы, или непосредственно из модели. Первый метод является более обыч­ ным. Аналогично и символ может быть выведен или из фор­ мулы, или'прямо из модели. Поскольку написание точной стереохимической формулы требует знания определенных договорен­ ностей, проще выводить символ непосредственно из модели. Этот метод имеет большое значение, в особенности в общих случаях диастереомерии. Необходимо подчеркнуть, что название и сим­ вол выводятся из молекулярной модели или формулы, а не опре­ деляются свойствами или методом получения хим'ической ин­ дивидуальности.

м е ж д у имеющимися в молекуле атомами или вероятную реакци­ онную способность вещества. Однако, учитывая роль простран­ ственного строения молекулы, необходимо стремиться к тому,

32

чтобы уметь охарактеризовать структуру с еще большей точ­

В принципе молекулярные модели д о л ж н ы быть таких раз ­ меров и такой конструкции,, которые позволяли бы как можно точнее отразить в определенном масштабе межатомные рас­ стояния, валентные углы и, если это возможно, заполнение про­

связей. Существующие в настоящее время модели не отвечают

связь отражается или специальным типом атомной модели или кратным связыванием моделей обычного типа, причем исполь­ зуемый д л я соединения материал допускает существенное от­ клонение «валентностей». Преимущество моделей скелетного типа в их наглядности и особенно в том, что они позволяют не­

возможно только при условии высокой точности выполнения на­ бора моделей, особенно правильного отражения направленности связей в моделях отдельных атомов. Наилучшими в этом отно­ шении являются модели тетраэдрического типа, которые можно изготовить с требуемой точностью, или модели, где можно хо­ рошо регулировать торсионные углы. Скелетные модели имеют тот недостаток, что. дают неправильное представление о про­ странственных требованиях атомов. Таким образом, они не по­ зволяют адекватно интерпретировать стерические препятствия (эффективные объемы) .

Второй тип моделей дает увеличенное отображение всего про­ странства, занимаемого атомом вместе с его электронным обла­ ком, а не только изображение ядра или идеального центра атома. Отдельные части модели соединяются стержнями при

.помощи соответствующего механического устройства для их за­ крепления. Если элементы моделей сделаны из достаточно эла­ стичного материала, то обычно используют стержни с более толстыми концами в виде небольших гантелей. При сборке от­ дельных секций получают очень компактную, но не очень четкую пространственную фигуру, которая позволяет рассмотреть запол­ нение пространства молекулярной массой и исследовать стерические препятствия отдельных групп в определенных расположе­ ниях. Точное направление валентностей и точные межатомные расстояния здесь определить трудно.

Первые пространственные модели (модели Стюарта) были выполнены на основании измерений межатомных расстояний в насыщенных углеводородах. Позднее Бриглеб уточнил раз ­ меры моделей и дополнил набор моделями, соответствующими межатомным расстояниям в ненасыщенных и ароматических со­ единениях и учитывающими то большое пространство, которое занимают свободные электронные пары. Изготовление таких моделей очень сложно; д а ж е д л я одного и того ж е элемента необходимо создавать модели многих типов, ибо он может быть связан с различными заместителями. Например, модели угле­ родного атома с четырьмя простыми связями существенно отли­ чаются от моделей, углеродного атома с двойной связью, угле­ родного атома с тройной связью или ароматического углеродного атома. Модель атома углерода в насыщенном пятичленном цикле т а к ж е отличается от модели углеродного атома в ненасыщенном пятичленном цикле и т. д. Если атомная модель требующегося типа отсутствует, ее, как правило, нельзя заменить, и соответ­

стях, удаленных от места искажения . Вследствие этого необхо­ димо выполнять модели -с высокой точностью, которая из-за их сложной формы достигается с большим трудом. Из сказанного становится понятно, почему мало производится моделей, кото-, рые отвечают стандартным требованиям.

Проекции

Если не принимать во внимание пространственную изомерию, то молекулярные модели можно отобразить просто с помощью обычных структурных формул. Поскольку в этом случае меж­ атомные расстояния и углы связей не имеют большого значения,, обычные структурные формулы упрощены насколько возможно: общие группы изображаются с помощью общепринятых симво­ лов, а структура простых групп обычно не детализируется. На ­ правление линий валентностей в обычных формулах не имеет пространственного значения и формулы могут быть написаны

34

более или менее произвольно, лишь бы были у к а з а н ы число и порядок расположения атомов.

В случае стереохимического рассмотрения направлению ва­ лентностей, расстоянию между атомами и пространственному расположению атомов в молекуле должно быть уделено основное внимание. Кроме того, необходимо значительно более точное изображение модели. Казалось бы целесообразным иметь фото­ графию модели; в некоторых особенно трудных и в а ж н ы х слу­ чаях действительно прибегают к этому методу, и тогда фотогра­ фия модели или некоторой ее части иногда появляется в науч­ ных статьях. Фотография, однако, обычно не очень ясна в отношении деталей, дает одностороннюю картину, и, кроме того,

в точной проекции, или перспективно чертят только те части мо­ лекулы, которые интересны со стереохимической точки зрения, например непосредственное окружение двойной связи или асим­ метрического атома, в то время как другие части молекулы пе­ редают лишь общими символами. Способы детального изобра­ жения стереохимически в а ж н ы х деталей различны. Заместители при асимметрическом атоме легко можно различить, если поль­ зоваться для изображения связей утолщенными, тонкими и прерывистыми линиями. Принято, что связи, которые даны ли­ ниями обычной толщины, находятся в плоскости бумаги, утол­ щенные линии выдаются вперед, а прерывистые уходят за пло­ скость. Безразлично, какие из связей выбир-аются в качестве определяющих плоскость, так что одна и та ж е модель может быть представлена несколькими абсолютно эквивалентными изо­ бражениями:

в направлении наблюдателя . Формулы, выполненные таким об­ разом, ясны без дальнейших объяснений. Возможность варьиро ­ вать отображение одной и той же модели является преиму­ ществом в том смысле, что это допускает выбор такого угла

вотирования к а ж д ы й асимметрический атом рассматривают от­ дельно, например, модель, соответствующая ( + ) -винной кислоте, изображается (в перспективном виде) следующим образом: .

обратно к С(2>; чтобы избежать неопределенностей, цепь угле­ родных атомов представляют в виде разомкнутой арки, повер­

Фишеровская проекция дает очень ясное и в то ж е время однозначное изображение молекулярной модели. Ее недостатком является сильное искажение наиболее вероятной конформации молекулы, что, однако, относится и ко всем другим проекциям.

Проекция Хауэрса очень удобна для изображения простых циклических молекул. В ы б р а н н а я цепь атомов, составляющая цикл, изображается всегда в плоской конфигурации и проекти­ руется на бумагу под определенным углом. По этому методу проектирования одна часть кольца располагается ближе к на­ блюдателю, другая удалена от него. На чертеже более близкая сторона обычно выделяется утолщением соответствующих ва­ лентных линий. Если ближняя сторона не указана утолщением, то нижняя часть проекции рассматривается как более близкая . Заместители располагаются на перпендикулярных линиях, про­

ные атомы, являющиеся компонентами главной цепи, т. е. в этом

рактер соединений. В качестве примера можно привести фор ­ мулу а-глюкопиранозы ( X X I ) :

37

ние атома кислорода и, следовательно, положение кольца не

с фишеровской проекцией искажения при построении проекции Хауэрса меньше, хотя формула все ж е далека от реального вида молекулы. Более точное изображение молекулы дается только конформационнымй формулами .

Проекции Фишера и Хауэрса используют в основном в химии углеводов и аминокислот* хотя в общем они могут быть приме­ нены и д л я изображения соединений других классов. Анало­ гично в химии стероидов имеется свой общепринятый специаль­ ный метод изображения молекулы; он основан на почти планарном характере большой стероидной молекулы. Полицик­ лическая конфигурация стероида обычно проектируется на пло­ скость, параллельную плоскости идеализированного стероидного скелета. Заместители при всех атомах скелета разделяются на заместители, расположенные перед плоскостью бумаги, и заме ­ стители, расположенные за плоскостью бумаги. Первые изобра­ ж а ю т с я посредством утолщенных или сплошных линий, послед­ ние — прерывистыми линиями. Этот метод был перенесен из химии стероидов в родственную область тритерпеноидов, а те­ перь используется и во всей химии терпенов, алкалоидов и дру­ гих природных полициклических соединений. В случае относи­ тельно простых соединений подобный метод изображения часто применяется вместо проекций Фишера и Хауэрса. Однако д а ж е этот способ, дающий изображение, близко напоминающее дей­ ствительную конфигурацию, не может заменить конформационные формулы, если необходимо как можно точнее воспроизвести наиболее вероятный вид молекулы.

При выводе конфигурационного символа или названия не сле­ дует исходить из метода получения или происхождения соеди­ нения. , -

Н а з в а н и е должно быть дано в соответствии с молекулярной моделью или написанной формулой. В настоящем разделе будет рассмотрена только часть химической номенклатуры, непосред­

38

ции индивидуальных символов. В литературе встречаются оба способа.

Первый способ основан на том, что соединения не могут су­ ществовать более1 чем в двух энантиомерных формах. Следова­ тельно, д л я их обозначения достаточно двух символов: один символ д л я конфигурации, которую можно назвать положи­ тельной, а второй символ для отрицательной конфигурации. Способ, в принципе, очень прост, но при практическом приме­ нении встречаются с двумя основными трудностями. П е р в а я из них относится к соединениям, имеющим несколько асимметри­ ческих атомов, где несколько пар энантиомеров соответствуют одной/ структурной формуле и, следовательно, одному система­ тическому названию. Поэтому кроме конфигурационного сим­ вола необходимо вводить дополнительные обозначения, позво­ ляющие различать диастереомеры. Вторая трудность состоит в приписывании символов моделям данного типа, т. е. здесь стал­ киваются с проблемой общего'определения положительной или отрицательной конфигурации молекулы.

П е р в а я проблема — дифференциация диастереомеров — до­ вольно успешно разрешена . В основу названия берут тривиаль ­

обозначения аналогичных конфигураций соединений с двумя асим­ метрическими атомами (формулы даны в фишеровской проекции):

У