Основы строения органических соединений. Методические рекомендации для студентов 2-го курса фармацевтического факультета

Шаг 1

Из предложенных соединений в виде энантиомеров может существовать только глицериновый альдегид (2, 3-дигидроксипропаналь), т. к. только эта молекула хиральна. Число стереоизомеров зависит от числа центов хиральности и связано с ним формулой N = 2n, где N – число конфигурационных изомеров, п – число центров хиральности. В молекуле глицеринового альдегида имеется один асимметрический атом углерода (один центр хиральности), следовательно, глицериновый альдегид имеет два конфигурационных изомера.

Молекула глицерина ахиральна, поэтому не может существовать в виде энантиомеров.

Шаг 2

Для изображения хиральных молекул на плоскости используют проекционные формулы Фишера. При написании проекций Фишера руководствуются следующими правилами: проекция представляет собой пересекающиеся линии; на верху проекции записывается старшая характеристическая группа (или углеводородный заместитель с атомом углерода, имеющим наименьший номер при нумерации по заместительной номенклатуре ИЮПАК); на горизонтальной линии проекции располагаются атом водорода и функциональная группа (гидрокси-, аминогруппы или галогены); хиральный атом углерода находится в точке пересечения горизонтальной и вертикальной линий и не обозначается символом; внизу записывается остальная часть молекулы:

СОН старшая характеристическая группа асимметрический атом углерода

НОН функциональная группа

СН2ОН остальная часть молекулы

Шаг 3

Для обозначения конфигурации хиральных центров используется относительная D- и L-стереохимическая номенклатура. В ее основу положена конфигурация стандарта (глицеринового альдегида). Правовращающий глицериновый альдегид относят к D-ряду, а левовращающий глицериновый альдегид – к L-ряду.

Изобразим проекционные формулы Фишера энантиомеров глицеринового альдегида.

19

Заключение

В виде энантиомеров может существовать только глицериновый альдегид:

СОН СОН

Тесты для самоконтроля

8.Выберите номера правильных ответов.

Соединения, существующие в виде энантиомеров:

1) НООC–CН2-СООН 2) СН3-СНСlСН2СН2СН3

3) НООC–CО-СН2СН2СООН 4) СН3-СН(SH)СН2СООН 5) (СН3)2СН-СН2СООН

9.Укажите номер правильного ответа.

Пары энантиомеров:

20

Задача 2

В виде каких конфигурационных стереоизомеров существует 2- амино-3-метилпентановая кислота (изолейцин). Приведите их проекционные формулы и отнесите их к стереохимическим рядам. Отметьте трео- и эритро-изомеры.

Решение

Общий подход

В молекуле изолейцина имеются два асимметрических атома углерода (два центра хиральности), поэтому она должна иметь четыре конфигурационных стереоизомера.

Шаг 1

Изобразим проекционные формулы изолейцина Фишера в соответствии с правилами написания проекционных формул Фишера.

Шаг 2

Пары стереоизомеров I и II, а также III и IV относятся друг к другу, как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение, т. е. как энантиомеры.

Пары I и III, II и III, II и IV, I и IV неэнантиомеры, они не относятся друг к другу, как предмет и его зеркальное изображение, и представляют собой пары диастереомеров. Диастереомеры обладают различными физико-химическими свойствами.

Шаг 3

Так как изолейцин имеет два хиральных центра, то не все стереоизомеры можно однозначно отнести к D- или L-стереохимическим рядам. Структура IV по верхнему хиральному атому может быть отнесена к L-ряду, а по нижнему – к D-ряду. Во избежание путаницы введен гидроксикислотный ключ, согласно которому принадлежность амино- и гидроксикислот к стереохимическим рядам определяется по верхнему центру хиральности.

21

Таким образом, стереоизомеры I и III относятся к D-ряду, а II и IV – к L-ряду. Для того, чтобы отличить I и III, II и IV стереоизомеры, вводятся приставки эритро- и трео-.

Если одноименные группы на проекции расположены по одну сторону углеродной цепи, такие стереоизомеры называются эритро-. Если же одноименные группы на проекции расположены по разные стороны углеродной цепи, то такие стереоизомеры называются – трео-.

Заключение

2-амино-3-метилпентановая кислота существует в виде четырех конфигурационных стереоизомеров. Энантиомерами являются пары стереоизомеров I и II, III и IV. Диастереомерами являются пары стереомеров I и III, II и III, II и IV, I и IV.

Тесты для самоконтроля

10.Дополните фразу.

Энантиомеры – ________________, молекулы которых относятся между собой, как ____________________________________________.

22

11.Дополните фразу.

Максимальное число стереоизомеров определяется по формуле

_________, где п – ___________________________.

Задача 3

Обозначьте конфигурацию 2-аминопропановой кислоты (L-аланина) по R, S-номенклатурной системе.

Решение

Общий подход

Относительная D, L-стереохимическая номенклатура имеет ряд недостатков. Так, в случае соединений с двумя и более хиральными центрами она не дает однозначных результатов, при этом требуется введение дополнительных условий.

Более универсальной является R, S-система обозначений конфигурации. В ее основу положен принцип старшинства заместителей, окружающих хиральный центр. Старшинство заместителей определяется величиной атомного номера элемента (см. Периодическую систему элементов Менделеева), непосредственно связанного с центром хиральности. Если непосредственно с хиральным центром связаны атомы, имеющие одинаковый номер, то сравнивают номера второго, третьего и т. д. слоев то тех пор, пока не удастся установить приоритет одного из заместителей.

При обозначении конфигурации хирального соединения по R, S- системе младший заместитель (обычно водород) располагают внизу проекции Фишера, а заместители располагают по мере падения старшинства. Если при этом падение старшинства заместителей происходит по часовой стрелке, то соединение имеет R-конфигурацию, а если против – S-конфигурацию.

Шаг 1

Определим старшинство заместителей в молекуле L-аланина. Самым старшим заместителем в молекуле L-аланина является аминогруппа (7N), младший заместитель – водород (1Н). Для определения старшинства между СООН- и СН3-группами следует сравнивать атомные номера элементов второго слоя, в карбоксильной группе это кислород (8О), в метильной группе – водород (1Н).

Таким образом, падение старшинства заместителей в L-аланине

23

Шаг 2

1 - слой 2 - слой 3 - слой

По проекционной формуле Фишера нельзя решить, какую конфигурацию, R- или S-, имеет соединение. Для того, чтобы это сделать, необходимо преобразовать проекционные формулы так, чтобы заместители располагались в порядке падения старшинства. Причем младший заместитель (водород) должен находиться внизу. Существуют правила преобразования формул Фишера:

1)Проекционные формулы нельзя выводить из плоскости.

2)Четное число перестановок заместителей у хирального центра или поворот на 180º в плоскости не меняют стереохимического смысла формулы.

3)Нечетное число перестановок или поворот на 90º меняют стереохимический смысл на противоположный.

Преобразуем проекционную формулу L-аланина и обозначим ее по R, S-системе:

24

Заключение

ПоR,S-системеL-аланинобозначаетсякакS-2-аминопропановаякислота.

13.Дополните фразу.

Рацемат – это смесь __________________; рацемат не обладает

__________________.

Задача 4

Какие конформационные изомеры возможны для пропанола-1? Изобразите их в виде проекций Ньюмена и сравните их энергетическое состояние.

Решение

Общий подход

Атомы углерода в насыщенных углеводородных фрагментах связаны σ-свяью, вокруг которой возможно свободное вращение, не сопровождающееся ее разрывом. Заместители, соединенные с атомами C– C связи, меняют свое положение в пространстве относительно друг друга.

Стереоизомеры, образующиеся в результате вращения вокруг одинарных связей, называются конформациями, или конформационными изомерами.

При повороте одной группировки атомов относительно другой образуется множество различных конформаций. Наибольший интерес представляют крайние случаи – заслоненные и заторможенные конформации, образующиеся при повороте одной группы относительно другой на угол, кратный 60 (угол φ, торсионный угол).

Для изображения конформационных изомеров пользуются проекционными формулами Ньюмена. Для построения этих формул молекулярную модель располагают таким образом, чтобы глаз наблюдателя и σ-связь, вокруг которой осуществляется вращение, находились на одной прямой. Ближний к наблюдателю атом углерода обозначают точкой, а удаленный – окружностью. Связи с заместителями на проекции образуют углы 120ْ.

25

15. Укажите правильный ответ.

Энергетически наиболее выгодная конформация:

1)заторможенная (анти-)

2)заслоненная

3)скошенная (Гош-)

4)частично заслоненная

Задача 5

Укажите стереоизомеры 3-метилпентена-2.

Решение

Общий подход

Для соединений, содержащих двойную связь между атомами углерода, т. е. для алкенов и их производных, характерна π- диастереомерия. Основная причина существования π-диастереомеров заключается в невозможности вращения вокруг π-связи без ее нарушения. Относительно плоскости π-связи одинаковые заместители у двух атомов углерода, связанных двойной связью, могут располагаться по одну (цис-) или по разные (транс-) стороны. Цис- и транс-изомеры имеют одинаковое строение, одинаковую последовательность связи атомов, но отличаются друг от друга пространственным расположением, и поэтому являются стереоизомерами. С другой стороны, молекулы этих стереоизомеров ахиральны, так как имеют плоскость симметрии.

Таким образом, цис- и транс-изомеры являются π-диастереомерами. В настоящее время для обозначения π-диастереомеров используется E, Z-система, основанная на старшинстве заместителей, определяемом

атомным номером. π-диастереомер, у которого старшие заместители находятся по одну сторону плоскости π-связи, обозначается Z, по разные стороны – E.

28