2. ИЗОМЕРИЯ. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ

Различные органические соединения, представленные одной и той же молекулярной формулой, называются изомерами. Правила IUРАС позволяют выявить две основные группы изомеров: структурные изомеры и стереоизомеры.

2.1 Структурная изомерия

Изомеры, отличающиеся по строению, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разные структурные формулы (разную последовательность связей или атомов в молекуле), называют изомерами строения или структурными изомерами. Строение молекул определяется природой и последовательностью связей между атомами: положением заместителей, кратных связей. Примерами могут служить:

Кетонная и енольная формы (таутомерия)

2.2 Стереоизомерия

Явление существования двух или более соединений с одинаковыми молекулярными и структурными формулами, но различным пространственным расположением атомов или атомных групп, не связанных друг с другом, называется стереоизомерией. Такие изомеры называются стереоизомерами(стереомерами). Различаютстереоизомеры конфигурационного и конформационного типа.

26

2.2.1 Конфигурационные изомеры Конфигурационные изомеры имеют одинаковую молекулярную

формулу, одинаковую последовательность связей и атомов в молекуле, но отличаются пространственным расположением атомов или групп атомов, не связанных между собой, без учета различий, возникающих вследствие вращения вокруг одинарных связей.

2.2.1.1 Геометрическая изомерия или цис-транс-изомерия один из видов стереоизомерии, возникающий при разном расположении одинаковых заместителей по одну или по разные стороны плоскости π связи или неароматического цикла (Рис.2.1).

Рис.2.1 Геометрические изомеры: цис-бутен-2 и транс-бутен-2

Если какое-либо соединение существует в формецис-и транс- изомеров (например, бутендиовая кислота), то, как правило, только один из этих геометрических изомеров может служить в качестве субстрата для действия фермента. Например, фумараза, фермент, катализирующий процесс гидратации транс-бутендиовой кислоты (фумаровой кислоты) в цикле Кребса и обратный процесс дегидратации яблочной кислоты,

катализирует превращение только фумаровой кислоты, но не действует на цис- бутендиовую кислоту (малеиновую кислоту):

27

Цис-транс изомерия является разновидностью диастереомерии и называется π- диастереомерией.

2.2.1.2 Хиральность.

Несовместимость объекта со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трехмерном пространстве вследствие отсутствия в объектах элементов симметрии называется хиральностью. В природе существование подобных объектов довольно распространено, в том числе, в живых организмах. В частности, существование парных органов (глаза, почки), частей тела (руки, ноги).

асимметрический атом углерода

оптические изомеры аминокислот

Рис. 2.2 Примеры хиральных объектов

28

В химии подобными объектами являются органическиe молекулы определенного строения, которые не обладают элементами симметрии. Молекулы, не имеющие элементов симметрии, называются хиральными. Такие молекулы оказываются несовместимыми со своим зеркальным изображением. Термин хиральность (от греч. cheir-рука) означает, что какие-либо два предмета находятся в таких отношениях друг с другом, как левая и правая рука (Рис.2.2).

Установлено, что хиральные молекулы имеют в своем составе асимметрический атом углерода. Асимметрическим атомом углерода является атом, связанный с четырьмя различными заместителями. Такие органическиe молекулы не обладают элементами симметрии: осью, плоскостью симметрии или центром симметрии.

Количество изомеров молекул, имеющих в своем составе асиммет-

рический атом углерода, определяется по формуле 2n, где n – количество асимметрических атомов углерода (хиральных центров).

2.2.1.3 Оптическая изомерия. Энантиомеры и диастереомеры

Молекулы, которые относятся между собой как предмет и его зеркальное отображение, но не могут быть совмещены друг с другом, называются энантиомерами. Энантиомеры одинаковы по физическим

ихимическимсвойствам.Ониимеютодинаковыетемпературыкипения

иплавления, обладают одинаковой растворимостью, вступают с одинаковой скоростью в одни и те же реакции, обладают оптической активностью, т.е. вращают плоскость поляризованного луча света на один и тот же угол, однако отличаются друг от друга направлением вращения. Правое вращение обозначают знаком (+) или (d), левое – знаком (–) или (l).

Соединения, содержащие асимметрический атом углерода принято на плоскости изображать с помощью проекционных формул Фишера, в которых хиральный углеродный атом не обозначается (перекрестье). Углеродный скелет изображают вертикально, при этом наверху

29

находится наиболее окисленный атом углерода, с которого начинается нумерация скелета (например, альдегидный С-атом дляальдоз).

Еще задолго до открытия исследовательских методов определения абсолютной конфигурации за конфигурационный стандарт были приняты D (+) и L (–) глицериновые альдегиды:

Буквы D и L являются символами стереохимической номенклатуры. К D-стереохимическому ряду относят соединения с конфигурацией хирального центра, в которой функциональные группы (ОН, NН2, галогены) в проекции Фишера находятся справа от вертикальной линии, к L-ряду– слева. Например:

Знак вращения определяется экспериментально. Однако необходимо указать, что не все хиральные соединения проявляют оптическую активность. Молекулы, в которых имеются элементы симметрии (ось, плоскость или центр симметрии), обладают симметрией отражения и называются ахиральными. Такие молекулы не могут образовать энантиомерные пары и не проявляют оптическую активность. Например, мезовинная кислота (Рис.2.3). В молекуле мезовинной

30

кислоты присутствует элемент симметрии – плоскость симметрии, поэтому она оптически неактивна. Обе симметричные части молекулы вращают плоскость поляризованного света в противоположные стороны, но угол вращения при этом одинаковый. В результате суммарный эффектравеннулю,а количествоизомеров2,3-дигидроксибутандиовой кислоты равно 3, хотя в молекуле два хиральных центра.

Рис 2.3 Изомеры дигидроксибутандиовой кислоты

Диастереомеры– это любые стереоизомеры, которые не являются зеркальным отображением друг друга (не энантиомерны).

D(+)иL(-) винныекислоты являютсяэнантиомерами, а мезовинная кислота по отношению к ним является диастереомером. Диастереоизомеры заметно отличаются по свойствам. Это дает возможность отделять их друг от друга. Диастереоизомеры, отличающиеся конфигурацией одного хирального центра, называются эпимерами

(Рис.2.4.).

31

Рис.2.4 Энантиомеры, диастереомеры (эпимеры) эритроз

Вбиологических системах высокая избирательность действия ферментов – стереоспецифичность – основана именно на комплементарности структуры субстрата и активного центра фермента только к одному из стереоизомеров. Например, почти все ферменты человека взаимодействуют только с L-аминокислотами, а аспартаза реагирует только с транс-изомером – фумаровой кислотой, но не с малеиновой кислотой (цис-изомер).

Вслучае лекарственных соединений обычно активность проявляет лишь один энантиомер соединения, в то время как другой энантиомер активности не проявляет.

Смесь эквимолярных количеств энантиомеров называется рацематом. Рацематы оптически неактивны, поскольку эффекты двух энантиомеров полностью компенсируют друг друга. Величина и знак угла вращения определяются экспериментально с помощью поляриметров (Рис.2.5).

32