книги / Механизмы органических реакций

При замыкании цепи углеродных атомов в плоский цикл валентные углы атомов углерода вынуждены отклоняться от своего нормального тетраэдрического значения, причем величина этого отклонения зависит от числа атомов в цикле. Чем больше угол отклонения валентных связей, тем больше должен быть запас энергии молекулы, тем меньше устойчивость цикла. Плоское строение имеет лишь циклопропан; начиная с циклобутана молекулы циклоалканов имеют неплоское строение, что понижает «напряжение» в системе.

Большинство молекул циклогексана существуют в форме «кресла». Причем в газовой и жидкой фазах происходит конформационный переход «кресло» – «кресло», при котором все аксиальные заместители становятся экваториальными. Аксиальное и экваториальное положения – это пространственные расположения заместителей в молекулах алициклических и неароматических гетероциклических соединений. Если заместитель расположен перпендикулярно к плоскости цикла, такое положение называют аксиальным, а если заместитель находится в плоскости цикла, то он имеет экваториальное положение. Аксиальные заместители обозначаются буквой а, экваториальные – буквой е:

51

В циклогексане шесть аксиальных связей, направленных поочередно то вверх, то вниз, и шесть экваториальных связей, направленных в стороны. Для большинства заместителей экваториальное положение энергетически более выгодно, чем аксиальное.

5.2. Геометрическая изомерия

Геометрические изомеры имеют одинаковое химическое строение, различаясь по пространственному расположению атомов, по конфигурации. Это различие и создает разницу в физических и химических свойствах.

Геометрические изомеры, в отличие от конформеров, могут быть выделены в чистом виде и существуют как индивидуальные устойчивые вещества. Для их взаимного превращения необходима обычно энергия порядка 125–170 кДж/моль. Эту энергию можно сообщить нагреванием или облучением.

Геометрические изомеры иначе называются цис-транс-, Z-E- либо син-анти-изомерами в зависимости от того, какие именно соединения мы рассматриваем и какую номенклатуру в конкретном случае удобнее применять. Цис-транс-изомеры различаются между собой пространственной ориентацией атомов или групп атомов в молекуле по отношению к некоторой плоскости, например плоскости двойной связи или плоскости цикла.

Цис-транс-номенклатура применяется для обозначения изомеров относительно простых соединений, содержащих два одинаковых заместителя. Чаще всего цис-транс-номенклатуру рассматривают как частный случай Z-E-номенклатуры.

Цис-транс-изомерия относительно двойной связи. В ал-

кенах и их производных положение заместителей рассматривается относительно двойной связи. Поскольку внутреннее вращение вокруг двойной связи невозможно, то наблюдаются устойчивые конфигурации. Цис-транс-изомеры имеют одинаковое строение, но различное пространственное расположение атомов, например:

52

Таким образом, делаем вывод о E-конфигурации данной молекулы.

Если кислород, сера или другой элемент связан двойной связью, то его атомный номер умножается на два. Если азот связан тройной связью, его считают трижды. Например, сумма атомных номеров для –CHO будет равна 17, так как 1 + 2∙8 = 17, для

–CH2OH она равна 10 (2 + 8 = 10), а для COOH она равна

24 (8 + 2∙8). Поэтому CH2OH < CHO < COOH.

Исходя из перечисленных правил, можно составить следующий ряд наиболее часто встречающихся заместителей в порядке возрастания их старшинства:

H < CH3 < CH2CH3 < CH=CH2 < C≡CH < C6H5 < CN < CH2OH < < CHO < COOH < NH2 < OH < OCH3 < F < SH < Cl < Br < I.

Таким образом, согласно Z,E-номенклатуре:

Аналогом Z,E-изомерии относительно связи С=С является син-анти-изомерия относительно связей С=N или N=N. Приставка анти- соответствует Е, приставка син- Z. Например:

Следует учитывать, что обозначения Z и син- не являются синонимами цис-обозначений, как и обозначения Е и анти- не всегда соответствуют расположению транс-.

55

5.3. Оптическая изомерия

Оптическая активность. Открытие оптической активности (Ж. Био, 1815) послужило отправной точкой развития стереохимии. Основной вклад в ее изучение внесли французские ученые Д. Араго, Ж. Био, Л. Пастер, Э. Коттон, О. Френель. Луи Пастер впервые высказал мысль, что оптическая активность вещества появляется вследствие асимметрии, т.е. хиральности молекул.

Оптическая активность – это способность соединений вращать плоскость поляризации света (отклонять плоскость поляризации колебаний векторов плоскополяризованного света). Соответственно, соединения, которые отклоняют плоскость плоскополяризованного света вправо или влево, называются оптически активными. Если молекула не имеет в своей структуре элементов симметрии (оси, плоскости), то ее называют хиральной. Все соединения, содержащие один хиральный центр и более, обладают оптической активностью.

Для измерения оптической активности вещества используется поляриметр (рис. 4). Измеренное поляриметром вращение плоскости поляризации света принято пересчитывать в удельное вращение.

Рис. 4. Принципиальная схема поляриметра: 1 – источник света; 2 – неполяризованный свет; 3 – поляризатор; 4 – поляризованный свет; 5 – кювета с раствором вещества; 6 – оптическое вращение;

7 – анализатор; 8 – наблюдатель

56

Угол, на который отклоняется плоскость поляризации при прохождении света через раствор 1 г оптически активного вещества, растворенного в 1 мл растворителя, при толщине слоя 1 дм, называется удельным вращением (обозначается [α]20D). Эта физическая характеристика является константой для данного соединения/изомера.

Если в молекуле соединения есть асимметрический атом углерода, то соединение может существовать в виде двух стереоизомеров (энантиомеров). Энантиомеры – стереоизомеры, молекулы которых относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение. Изображенные на плоскости молекулы энантиомеров не совпадают при наложении друг на друга. Физические и химические свойства энантиомеров в обычных условиях одинаковы, за исключением одного – знака вращения плоскости поляризации. Один из энантиомеров будет отклонять плоскость поляризации вправо (такой изомер называют правовращающим и обозначают (+)), второй из энантиомеров будет отклонять плоскость поляризации влево (такой изомер называют левовращающим и обозначают (–)). Если один из оптических антиподов имеет, например, удельное вращение [α] = +11°, то у другого удельное вращение [α] = –11°. Приведем примеры обозначения энантиомеров: (–)-аланин, (+)-2-хлорбутан, (–)-глицериновый альдегид.

Способностью вращать плоскость поляризованного луча света обладают все энантиомеры. Однако смесь равных количеств энантиомеров вследствие компенсации знака вращения не обладает оптической активностью. Такая смесь называется рацемической (или рацематом) и обозначается (±).

Хиральность. Как было упомянуто выше, одним из основных понятий стереохимии является хиральность (от греч. сheir – рука). Правая рука является зеркальным отражением левой. На правую руку можно надеть правую перчатку, тогда как на левую руку правую перчатку не наденешь.

Любая геометрическая фигура или группа точек называется хиральной, если ее отображение в зеркале не может быть совмещенным с нею самою. Приведем в пример α-аминокислоту ала-

57

нин. Как видно из рис. 5, она может иметь две зеркальные формы: (S)-аланин и (R)-аланин. При их повороте или кручении мы не можем совместить эти две формы.

Зеркальная плоскость

Рис. 5. Энантиомеры аланина

Очевидно, что они не имеют одинаковой трехмерной структуры. Причина состоит в том, что атом углерода в центре связывает четыре разных группы – H, CH3, NH2 и COOH, которые расположены в углах тетраэдра. Такой атом углерода, имеющий четыре различных заместителя, называется асимметрическим, и именно он является хиральным центром. Асимметрический атом углерода принято обозначать звездочкой. Сплошные линии связи NH2 и COOH показывают, что эти связи находятся в плоскости листа, в то время как черная клинообразная связь и пунктирная клинообразная связь показывают, что они направлены вверх и вниз соответственно по отношению

кплоскости листа. В данном случае метил находится ближе

кнам, а водород – за плоскостью листа.

(S)-аланин и (R)-аланин являются оптическими изомерами – энантиомерами. Молекулы с одним хиральным центром могут иметь только два энантиомера, так как каждому объекту соответствует лишь одно зеркальное отображение.

Молекулы, в которых имеются два хиральных центра, имеют две пары энантиомеров. Так, например, по паре энантиомеров имеют цис- и транс-1-бром-2-хлорциклопентан:

58

который был распространен на фармацевтическом рынке Германии как снотворное и седативное средство в 60-е г. ХХ в. Препарат выпускался в виде рацемической смеси, однако полезными свойствами обладал только (R)-талидомид, а (S)-изомер оказался сильнейшим тератогеном (рис. 6). За 6 лет использования талидомида на свет появилось порядка 10000 младенцев с различными уродствами, примерно половина из которых умерли в первый год жизни.

Рис. 6. Энантиомеры талидомида

Есть другие, менее драматические случаи разного действия двух энантиомеров на наши клетки. Так, в эфирном масле лимона и апельсина содержится терпен лимонен, но в лимонах это

(+)-лимонен, а в апельсинах (–)-лимонен, что и определяет разный запах лимонов и апельсинов:

Чтобы вызвать ощущение запаха, молекула должна взаимодействовать с белковым рецептором в носу, а все белковые рецепторы построены из хиральных молекул, и поэтому взаимодействие рецептора с энантиомерами может быть немного разным, что и проявляется в различном ощущении запаха.

60