пособие_1_2022

Стереомеры I и II, а также III и IV относятся друг к другу, как предмет и его зеркальное изображение, и являются энантиомерами.

Стереоизомеры I и III, I и IV, а также II и III, II и IV не являются зеркальными отображениями друг друга, они отличаются конфигурацией при одном из асимметрических атомов углерода. Такие стереоизомеры называют диастереомерами. В отличие от энантиомеров диастереомеры имеют различные физические и химические свойства.

Для соединений, содержащих 2 хиральных атома углерода, связанных с одинаковыми заместителями, общее количество стереоизомеров уменьшается до трех. Например, винная кислота должна существовать в виде четырех стереоизомеров (22 = 4), а известно лишь три. Это обусловлено появлением у одного из стереоизомеров такого элемента, как плоскость симметрии. Этот изомер называется мезоформой.

Стереомеры I и II являются энантиомерами. Стереоизомер III (мезоформа) оптически неактивен. Молекула мезовинной кислоты ахиральна. Каждый энантиомервиннойкислотыпоотношениюкмезоформеявляетсядиастереомером.

Номенклатура оптических изомеров. В такой номенклатуре наряду с названием соединения указывают также конфигурацию и направление вращения плоскости поляризации света. Последнее обозначают знаком (+) для правовращающего изомера и знаком (–) для левовращающего.

Чтобы сказать, какой энантиомер из пары имеет правое, а какой – левое вращение, необходимо знать истинное расположение атомов вокруг хирального центра, т. е. абсолютную конфигурацию молекул. Важно отметить, что направление и угол вращения плоскости поляризации никак не связаны с конфигурацией. Определение абсолютной конфигурации молекул оказалось довольно сложной задачей. Лишь в 1951 г. методом рентгеноструктурного анализа была впервые установлена абсолютная конфигурация натрий-рубидиевой соли (+)-винной кислоты. До того времени конфигурация оптических изомеров устанавливалась методом сравнения со специально выбранным стандарт-

61

ным веществом. Такая конфигурация получила название «относительной». В 1906 г. русским ученым М. А. Розановым в качестве стандарта для установления относительной конфигурации был предложен глицериновый альдегид. Правовращающему изомеру глицеринового альдегида была произвольно приписана абсолютная конфигурация, в фишеровской проекции которой группа

–ОН находится справа. Такую конфигурацию обозначили буквой D. Левовращающему энантиомеру глицеринового альдегида была соответственно приписана зеркальная конфигурация, которую обозначили буквой L (группа –ОН в проекции Фишера расположена слева):

Глицериновый альдегид был выбран в качестве стандарта потому, что с помощью ряда химических реакций его можно превратить во многие другие оптически активные соединения, не затрагивая связи с асимметрическим атомом углерода. С использованием в качестве эталона сравнения глицеринового альдегида была разработана D, L-система стереохимической классификации хиральных соединений, т. е. отнесения соединений соответственно к D- или L-стереохимическому ряду.

D, L-система обозначения конфигурации оптических изомеров приме-

нима только для структурно родственных глицериновому альдегиду соединений. К ним относят вещества с такой конфигурацией хирального центра, при которой в проекции Фишера с одной стороны от вертикальной линии расположен атом водорода, а с другой – группы –ОН, –NH2, –NO2, атом га-

логена и т. п. Если указанные заместители находятся справа, молекула имеет D-конфигурацию, а если слева – L-конфигурацию:

62

Применительно к соединениям с несколькими хиральными центрами принадлежность изомеров к D- или L-стереохимическому ряду устанавливают по конфигурации асимметрического атома углерода с наибольшим порядковым номером, т. е. по нижнему асимметрическому атому углерода в проекции Фишера.

Исключением из этого правила являются α-аминокислоты, α-гидрокси- кислоты и винная кислота, в которых принадлежность к D- или L-ряду устанавливают по конфигурации α-атома углерода (верхнего асимметрического атома углерода в проекции Фишера):

Пространственное положение одинаковых заместителей в молекулах с двумя соседними асимметрическими атомами углерода принято обозначать в названииизомераприставками трео- иэритро-.

Треоизомерами называют вещества, у которых в проекциях Фишера одинаковые заместители при асимметрических атомах углерода расположены по разные стороны, эритроизомерами – соответственно по одну сторону:

63

Для разделения рацемических форм на составляющие их энантиомеры применяют механический, биохимический и химический методы.

Механический метод можно использовать в тех случаях, когда образующие рацемическую форму энантиомеры кристаллизуются из раствора раздельно. При этом кристаллы лево- и правовращающего изомеров отличаются друг от друга по внешнему виду, так же как хиральный предмет отличается от своего зеркального изображения. Такие кристаллы можно разделить механически. Этим методом в 1848 г. Луи Пастер впервые разделил на энантиомеры натрийаммониевую соль виноградной кислоты. Поскольку раздельная кристаллизация энантиомеров свойственна лишь некоторым рацемическим формам, метод механического разделения имеет ограниченное применение.

Биохимический метод основан на избирательном потреблении некоторыми микроорганизмами какого-либо одного из двух энантиомеров рацемической формы. Врезультатедругойизомерможетбытьвыделенизостаткавчистомвиде.

Этим методом в 1857 г. Луи Пастер с помощью плесневого грибка Penicillium glaucum из рацемической винной (виноградной) кислоты получил

(–)-винную кислоту. Применение биохимического метода разделения ограничено необходимостью поиска подходящего микроорганизма, а также тем, что не всякое вещество может потребляться микроорганизмами. Кроме того, один из энантиомеров в процессе разделения пропадает. Однако биохимический метод используют для промышленного получения L-α-аминокислот.

Химический метод основан на превращении энантиомеров рацемической формы в диастереомеры с последующим их разделением и выделением индивидуальных энантиомеров. Диастереомеры получают взаимодействием рацемической формы с каким-либо оптически активным реагентом. Разделение рацемических форм химическим методом можно представить в общем виде следующей схемой:

66

При взаимодействии рацемической формы (А + В) с оптически активным реагентом (С) образуется смесь диастереомеров (А С) и (В С), которые, в отличие от энантиомеров, обладают разными физическими свойствами (температурами плавления и кипения, растворимостью и т. д.), на чем и основано их разделение.

Для разделения твердых диастереомеров чаще всего используют различие растворимостей (метод кристаллизации), для жидких – различие температур кипения (метод перегонки). В последнее время широкое распространение получили хроматографические методы разделения диастереомеров. Действием на индивидуальные диастереомеры (А С) и (В С) других реагентов получают индивидуальные энантиомеры (А) и (В).

Наиболее часто диастереомеры получают реакцией солеобразования, т. е. на смесь энантиомерных кислот действуют оптически активным основанием, а на смесь энантиомерных оснований – оптически активной кислотой.

Кроме рассмотренных методов разделения рацемических форм применяются также хроматографические методы.

4.2.3. Геометрическая изомерия

Геометрическими изомерами называют вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую последовательность связывания атомов в молекулах, но разное расположение заместителей в пространстве относительно плоскости двойной связи или плоскостицикла.

Появление данного вида изомерии обусловлено невозможностью свободного вращения вокруг двойной связи в молекуле и вокруг σ-связей, образующих циклы.

Геометрическая изомерия наблюдается в органических соединениях с двойной связью и в циклических соединениях.

Геометрическая изомерия соединений с двойной связью наиболее рас-

пространена среди органических соединений, молекулы которых содержат двойную углерод-углеродную связь. Она возможна лишь в том случае, когда у каждого из атомов углерода, образующих двойную связь, находится 2 разных заместителя.

1,2-дихлорэтен 2-бром-1-йод-1-хлорэтен

67

Молекулы таких соединений могут существовать в виде двух пространственных изомеров, отличающихся друг от друга расположением заместителей относительноплоскостидвойной связи(рис. 4.8).

Рис. 4.8. Геометрические изомеры 1,2-дихлорэтена

Для обозначения конфигурации геометрических изомеров используют цис-транс-систему и E, Z-систему.

Цис-транс-система обозначений конфигурации имеет ограниченное применение. Ее можно использовать только тогда, когда связанные двойной связью атомы углерода имеют одинаковые заместители. Если одинаковые заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи, то конфигурацию обозначают цис-, если по разные стороны – транс-:

цис-2-бутен транс-2-бутен

Когда атомы углерода, образующие двойную связь, имеют все разные заместители (например, в 1-бром-1-хлорпропене), применение цис-транс- системы невозможно. В таких случаях используют Е, Z-систему.

(Z)-1-бром-1-хлорпропен (E)-1-бром-1-хлорпропен

Е, Z-система обозначений более универсальна и применима к геометрическим изомерам с любым набором заместителей. Она основана на определении по Кану–Ингольду–Прелогу старшинства заместителей у каждого атома

68

углерода двойной связи. Если при этом старшие заместители каждой пары расположены по одну сторону от плоскости двойной связи, то конфигурацию обозначают буквой Z (от нем. zusammen – вместе), если по разные стороны, – буквой Е (от нем. еntgegen – напротив). Так, в приведенных изомерах 1-бром- 1-хлорпропена старшим заместителем у одного из атомов углерода является атом брома, у другого – группа –СН3. Следовательно изомеру, в котором эти заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи, соответствует Z-конфигурация, а изомеру, в котором они расположены по разные стороны, – E-конфигурация.

Следует отметить, что между цис-транс-системой и Е, Z-системой обозначений не существует какой-либо взаимосвязи. В одном случае цис-изомер может бытьE-изомером, ав другом– Z-изомером:

цис-1-бром-1,2-дихлорэтен, цис-бутен,

(E)-1-бром-1,2-дихлорэтен (Z)-бутен

Геометрические изомеры с двойной углерод-углеродной связью обладают высокой устойчивостью, причем транс-изомеры более устойчивы, чем цис- изомеры. Превращение одного изомера в другой происходит в довольно жесткихусловиях (высокая температура, УФ-облучение) и требуетразрыва π-связи.

Поскольку геометрические изомеры с двойной связью имеют одинаковую конфигурацию при одном из образующих двойную связь атомов и разную при другом, то они по отношению друг к другу являются диастереомерами. Такие диастереомеры содержат π-связь, поэтому их называют π-диа- стереомерами. Молекулы π-диастереомеров ахиральны, а потому не обладают оптической активностью.

Геометрическая изомерия циклических соединений. Подобно двойной связи наличие цикла в молекуле препятствует свободному вращению вокруг образующих его σ-связей и тем самым создает возможность для существования геометрической изомерии. Такая изомерия возможна при наличии в цикле двух атомов углерода, каждый из которых имеет 2 разных заместителя. В этом случае 2 заместителя у разных атомов углерода могут быть расположены по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер):

69