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

м е х а н и з м ам реакций. Наиболее простыми являются методы, где используются реакции, приводящие к образованию кольца, со­ держащего оба асимметрических атома [2]. Конфигурация может быть определена из сравнения стабильности циклов или лег­ кости их образования при проведении реакции с отдельными диастереомерами. В наиболее благоприятных случаях один из

циональными группами, связанными с асимметрическими ато­ мами; ее стабильность, которая может быть измерена с помощью ИК - спектров [3] или определением константы диссоциации, по­

Реакции аминоспиртов с альдегидами или кетонамй, приво­ дящие к образованию гетероциклов, являются удобным методом, так как образующиеся циклы стабильны и продукты циклизации могут быть выделены. В некоторых случаях один диастереомер образует циклическое производное при реакции с альдегидом, в

К а к правило, в реакцию вступают оба диастереомера, но стабильность образующихся продуктов в отношении реакции

60

обратного раскрытия цикла различна . На основе конформа - ционного анализа можно определить относительную конфигу­ рацию аминоспиртов и дигидрооксисоединений, используя ана­ логичные реакции (см. стр. 103).

вой ряда методов определения абсолютной конфигурации [5,6]. Методы, базирующиеся на сравнении вращения соединений со сходными структурами, между которыми проведена химическая корреляция, применяются в ограниченной степени, и к ним сле­ дует относиться с определенной осторожностью. Такие методы обычно достаточно надежны только для данного гомологиче­ ского ряда соединений с одним асимметрическим атомом. Не ­ правильно применять эти методы, основываясь на так называе­ мом принципе суперпозиции, т. е. на предположении, что инкре­ менты вращения индивидуальных центров и групп «независимы и аддитивны, к более сложным соединениям, в особенности к соединениям с большим числом элементов хиральности. Опре­

Физические основы вращения плоскости поляризации света

Под оптической активностью вещества понимают способность к вращению плоскости поляризации света. Механизм вращения плоскости поляризации света был объяснен Френелем.

Луч плоскополяризованного света, двигающийся под прямым углом к плоскости бумаги, колеблется в плоскости АВ и эквива­ лентен сумме право- и . левовращающих циркулярно поляризован­ ных компонентов равной амплитуды (рис. 5). При прохождении через оптически активную среду два циркулярно поляризо­ ванных луча распространяются с различными скоростями. При

ляемой новым суммированием циркулярно поляризованных лу­ чей и отклоненной от ^первоначальной плоскости АВ на угол а. Плоскополяризованный луч может быть представлен как два циркулярно поляризованных луча с равными амплитудами и противоположным направлением вращения. П р а в о в р а щ а ю щ и й и левовращающий поляризованные лучи распространяются в опти­ чески активной среде с различными скоростями (они имеют раз ­ личные показатели преломления) . Таким .образом, имеет место фазовый сдвиг, и при выходе из оптически активной среды луч колеблется в плоскости, отклоненной от первоначальной.

61

Оптическая активность органических соединений требует хиральной структуры молекулы и хирального распределения ва­ лентных электронов, которые проявляются в индивидуальных хромофорах электронного спектра. Молекулу можно представить

ме оптически активных хромофоров, анизотропия которых инду­ цируется эффектом их хирального окружения, имеются внутрен­ ние (прирожденные) хиральные хромофоры, в которых валентные электроны занимают энантиомерную конфигурацию д а ж е при нехиральном окружении, например дифе'нильное соединение (II)s

соон

соон

62

ших длин волн. Этот эффект явно заметен у ж е в области види­ мого света. Вид кривой в этой области описывается уравнением Д р у д е :

[ a l r - S M * 2 - * ? )

где'[а]г — удельное вращение при данной температуре; Кг и fa —

Вид кривой начинает становиться более интересным в области

(так называемая эллиптичность), имеет вид изолированной по­ лосы поглощения, и отличные от нуля значения достигаются только в той части спектра, в которой поглощает оптически ак­ тивный хромофор. Обе аномалиивместе называются эффектом Коттона. Точка перегиба кривой, эффект Коттона, расположена вблизи пика кривой циркулярного дихроизма и, как правило,

нии более коротких длин воли. Говорят о положительном эффекте Коттона, если кривая сначала образует пик, а затем впадину. При сравнении ре­ зультатов измерений различных соединений величина вращения может быть представлена в виде молекулярного вращения [М] или [Ф] = [а]-мол. вес/100. Величина циркулярного дихроизма выражается как молекулярная эллиптич­ ность [&] или как дихроичное поглощение Дв. Обе величины связаны простым уравнением [G] = 3300 Де.

63

что вращение обусловлено движением электронов, а дихроизм — поглощением световой энергии, которое само обусловлено пер­ вым. С экспериментальной точки зрения оба явления совершен­ но независимы и не взаимозаменяемы; области их практического применения значительно перекрываются [9].

Эмпирические соотношения между вращением и структурой

На основании ранее высказанных соображений можно сфор­ мулировать некоторые эмпирические правила .

1. В серии аналогичных соединений абсолютное вращение в целом тем больше, чем ближе к видимой области находятся соответствующие оптически активные полосы (влияние сдвига эффекта Коттона) . Например, в случае соединений

как изменения при соседних атомах менее эффективны и вели­ чина их влияния падает с увеличением расстояния от асиммет­ рического атома.

Именно поэтому вращение членов гомологического ряда отно­

положенном в непосредственной близости к асимметрическому атому углерода, влияет на вращение согласно правилу сдвига: аналогичные соединения с одной и той ж е конфигурацией изме­ няют свое вращение в одном и том же направлении, если соот­

64

П р е в р а щ е н ие карбоксильной группы в карбоксилат-анион т а к ж е сопровождается положительным сдвигом вращения в слу­ чае веществ с указанной абсолютной конфигурацией вне зави­ симости от того, сравнивают ли пару а -гидроксикислота/карбо- ксилат-ион или пару соль ос-аминокислоты с минеральной кисло­ той/свободная аминокислота в водном растворе (так называемое правило Лутца — Юргенсона):

Лактонное правило имеет значение прежде всего в химии углеводов и совсем недавно было использовано для ряда других соединений: лактон с конфигурацией (IV) имеет более положи­ тельное вращение, чем соответствующая гидроксикислота, а так­ ж е эпимерный лактон (V)

метод разностей молекулярного вращения, применяемый в основ­ ном при исследовании стероидных и тритерпеноидных соедине­ ний. Предполагая, что насыщенный полициклический углеводо­ род, имеющий ненапряженные шести- и пятичленные циклы, об­ л а д а е т пренебрежимо малым молекулярным вращением и что

в виде суммы инкрементов его отдельных частей. Разность А[Ф] между вращением исследуемого соединения и более простого производного, предпочтительно родоначального соединения рас­ сматриваемого ряда, является характеристической для данной структуры и конфигурации. Тогда с помощью известных значе­ ний инкрементов вращения можно определить характер (струк­ туру, положение, конфигурацию) заместителя и, сравнивая Д[Ф]

значения, провести корреляцию м е ж д у двумя соединениями, для которых трудно осуществить химическую корреляцию. В каче­ стве" примера можно привести определение конфигурации угле­ родных атомов С(12) и C(i3) в абиетиновой кислоте (VI) сравне­ нием с 3,5-холестадиеном ( V I I ) :

V I I

В обоих случаях вращение ненасыщенного соединения более отрицательно, чем вращение насыщенного.

Применение метода дисперсии вращения

При практическом применении метода дисперсии вращения [7,8] учитывают два фактора: значительное увеличение абсо­ лютного значения вращения, -а т а к ж е характерный вид кривых дисперсии. При проведении количественного анализа смеси оп­

ниях позволяет определить положение хромофорной группы, про­

Если определяют абсолютную конфигурацию сравнением кри­ вых дисперсии вращения двух соединений с одинаковой структу­ рой в интересующем элементе молекулы, то исходят из предпо­ сылки, что вещества с одинаковой абсолютной конфигурацией показывают в первом приближении одну и ту ж е общую ори­ ентацию кривой дисперсии, особенно эффекта Коттона. Стеро­ идные соединения с известной абсолютной конфигурацией осо­ бенно часто используются для сравнения. Хорошим примером яв­ ляются иохимбин ( V i l l a ) , псевдоиохнмбин ( V I I I 6 ) и гербацеин ( I X ) :

66

мерна кривой псевдоиохимбина (VII16) . Следовательно, абсо­

Прямую химическую корреляцию в этом случае трудно д а ж е представить.

Определить абсолютную конфигурацию с помощью плавных кривых дисперсии, не показывающих эффекта Коттона, обычно нельзя, и всегда целесообразно ввести в исследуемое соединение новый заместитель, благодаря которому появляется эффект Коттона. В качестве примера можно привести L-a-аминокислоты и L-a-гидроксикислоты, которые сами по себе имеют мало харак ­ терные кривые дисперсии. Некоторые из их серусодержащих про-

изводных [дитнокарбаматы(ХП) и сходные по строению ксантогенаты(XIII)] показывают хорошо выраженный эффект Коттона:

разветвление в а-положении, в производные тиомочевины, а оле-

Правило октантов

ляется правильный выбор веществ для сравнения, последние д о л ж н ы быть достаточно близки по структуре к исследуемому соединению. При использовании недостаточно удовлетворитель­ ных структурных моделей легко можно сделать ошибочные за­ ключения. Несомненно, представляет интерес попытаться более точно определить связь между структурой вещества и его вра­ щением, так чтобы это позволило определять абсолютную конфи­ гурацию измерением вращения только одного изучаемого соеди­ нения или, наоборот, определять направление вращения и знак эффекта Коттона, а также, хотя бы полуколичественно, их вели­ чину па основе известной стереохимической структуры соедине­ ния.

Систематические исследования кривых дисперсии оптического вращения кетонов различного строения позволили сформулиро­ вать так называемое правило октантов, которое в настоящее время является наиболее успешной попыткой создать более точ­ ную связь м е ж д у структурой и вращением. В своей первоначаль­ ной форме это правило было предназначено только для замещен­ ных циклогексанонов. Оказалось, что при определенных условиях это правило может быть применено к ближайшим гомологам (циклопентанонам и циклогептанонам). Кроме того, правило октантов было распространено на проявляющие атропоизомерию

63

производные дифенила, 1,3-диены и ненасыщенные алифатиче­ ские кетоны [10]. По-видимому, «расширенное» таким образом правило октантов является достаточно общим. Чтобы лучше по­ нять основные принципы правила, остановимся на производных циклогексанона.

Молекула циклогексанона ориентируется в системе трех пло­ скостей (рис. 8): первая содержит карбонильную группу и два соседних атома углерода С( 2) и С(в> (плоскость ху); вторая — атом кислорода, углеродный атом Cw и противоположный атом С(4) * (плоскость yz)\ наконец, третья плоскость под прямым углом пересекает двойную'связь карбонильной группы (плоскость xz).

Рис. 8. Правило октантов.

Плоскости делят пространство, в которое помещена молекула, на восемь октантов — четыре передних октанта, расположенных ближе к наблюдателю, если смотреть в направлении 0 = С-связи (см. стрелку на рис. 8), и четыре задних. Расположение замести­ телей в октантах иллюстрирует взаимное расположение электро­ нов, вносящих свой вклад в образование оптически активной полосы.

При сравнении вращения большого числа производных цикло­ гексанона оказалось возможным определить знак вклада моле­ кулярных сегментов в отдельных октантах в общий вид кривой дисперсии оптического вращения. Вклады атомов, расположен­ ных в одном и том ж е октанте, одинаковы по знаку; эти вклады суммируются. Вклады атомов, расположенных наиболее близко к карбонильной группе, имеют наибольшее значение. Атомы, ле­

69