Практическое пособие по химии. Проекционные формулы Фишера

Вещества, способные поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света, называют оптически активными . Само это явление называется оптической активностью . Оптичеcки активные вещества существуют в виде пар оптических антиподов или энантиомеров , которые отличаются (при прочих равных условиях - одинаковой концентрации, одинаковой длиной пробега светового луча в веществе) знаком поворота плоскости поляризации света.

Молекулы оптически активных веществ обладают свойством хиральности - энантиомеры относятся друг к другу как оригинал и его зеркальное отражение (несовместимы ни при каком повороте). Чаще всего для возникновения хиральности необходимо присутствие в молекуле хирального атома углерода (хирального или асимметрического центра) - находящегося в состоянии sp 3 -гибридизации и имеющего четыре разных заместителя:

Эквимолярная смесь энантиомеров не обладает оптической активностью. Такая смесь называется рацемической смесью или рацематом .

Если молекула содержит несколько хиральных центров, изобразить ее в проекции,аналогичной предыдущему рисунку, очень трудно. В этом случае пользуются проекционными формулами Э. Фишера .

Число стереоизомеров в случае нескольких хиральных центров можно определить по формуле 2 n , где n - число хиральных атомов углерода. В случае альдотетроз, в которых два хиральных, центра существует 4 стереоизомера:

Молекулы 1 и 2, 3 и 4 представляют собой энантиомеры. Молекулы 2 и 4, 1 и 3, 2 и 3энантиомерами не являются, тем не менее это - стереоизомеры.

Стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами .

Диастереомеры отличаются по химическим и физическим свойствам, их можно разделить обычными химическими методами.

Число стереоизомеров может быть меньше, чем 2 n в случае существования мезоформы . Мезоформа возникает, если в молекуле имеются внутренние плоскости симметрии. Например у винной кислоты существует три стереоизомера:

Если изомеры 1 и 2 представляют собой пару энантиомеров, то 3 и 4 - это одно и то же - в молекуле есть внутренняя плоскость симметрии, показанная пунктиром. Мезоформа - это, по существу, внутримолекулярный рацемат. Действительно, верхняя часть 3 (выше пунктира) является зеркальным отражением нижней части. Оптической активностью мезоформа не обладает .

Номенклатура оптических изомеров

Первыми веществами, для которых было открыто и изучено явление оптической изомерии, были углеводы и аминокислоты. Поэтому исторически сложилось так, что стереоизомеры этих соединений определяют принадлежностью к тому или иному стерическому ряду и к эритро-трео -изомерам. Для соединений других классов используют понятие абсолютной конфигурации хирального центра.

Проекционные формулы Фишера

Формулы Фишера - это один из способов изображения на плоскости трехмерной структуры хирального центра. Возьмем пару энантиомеров и построим проекцию Фишера для правой молекулы:

Выберем направление, с которого будем рассматривать молекулу - оно показано стрелкой:

В этом случае связи С-А и С-Е направлены к нам, они, в соответствии с правилами записи формулы Фишера, изображаются горизонтальной линией. Связи C-B и C-D направлены от нас, они изображаются вертикальной линией. В результате проекция Фишера будет выглядеть как (1):

В настоящее время и вертикальная и горизонтальная линии изображаются как сплошные, атом углерода не рисуется - пересечение линий и подразумевает хиральный центр, в результате общепринятой является проекция (2).

Если рассматривать эту же молекулу с другой стороны, то можно получить еще одну проекцию Фишера:

Вообще можно нарисовать двенадцать проекций Фишера для данной молекулы. Для того, чтобы сравнить между собой полученные проекции, необходимо учесть, что проекции Фишера допускают над собой ряд преобразований.

Преобразования, сохраняющие исходную формулу

1. Четное число перестановок. Под перестановкой подразумевается обмен местами двух любых заместителей. Например, в формуле 2b можно поменять сначала D и A (первая перестановка), апотом E и D (который теперь стоит на месте А) - это будет вторая перестановка, в результате2b преобразовалось в 2. Заметно, что это - одно и то же.

2. Поворот проекции в плоскости чертежа на 180, 360, 540 и т.д. градусов:

3. Циклическая перестановка: один заместитель (любой) оставляем на месте,три оставшихся переставляем по кругу - по или против часовой стрелке. Эта операция эквивалентна двум перестановка, но иногда оказывается удобнее.

Преобразования, приводящие к энантиомеру

1. Нечетное число перестановок - меняем местами D и E - одна перестановка, с помощью зеркала, изображенного вертикальным пунктиром легко убедиться, что это - энантиомеры.

2. Поворот в плоскости чертежа на 90, 270, 450 и т.д. градусов. Повернем 2b на 90 o против часовой стрелки:

В полученной формуле сделаем четное число перестановок - поменяем местами В и Е, А и D. Сравнив2b и то, что получилось, наблюдаем, что это - энантиомер.

3. Отражение в зеркале или рассматривание "на просвет".

Стандартная проекция Фишера

В стандартной записи проекции Фишера главная цепь или цикл изображаются вертикальной линией, нумерация атомов углерода (по ИЮПАК) в цепи идет сверху вниз.

(проекции Фишера), способ изображения на плоскости пространств. структур орг. соед., имеющих один или неск. хиральных центров. При проектировании молекулы на плоскость (рис.) асимметрич. атом обычно опускают, сохраняя лишь перекрещивающиеся линии и символы заместителей; при этом заместители, находящиеся перед плоскостью, располагают справа и слева, а за плоскостью - вверху и внизу (пунктирная линия).

Ф-лы Фишера для молекулы с одним асимметрич. атомом (I), а также схема построения такой ф-лы для соединений с двумя асимметрич. атомами (П)ХОУОРСА ФОРМУЛЫ

ХОУОРСА ФОРМУЛЫ

(Хеуорса ф-лы), изображение на плоскости пространств. структур циклич. соед. При построении X. ф. цикл условно считают плоским (на самом деле молекула м. б. в конформации кресла или ванны) и проецируют на плоскость под нек-рым углом; при этом ближняя к наблюдателю часть кольца на чертеже располагается снизу и обычно выделяется более жирной линией (рис.). В моносахаридах кислородный атом цикла располагают обычно на наиб. удалении от наблюдателя (в случае пиранозного цикла - справа).

Формулы Фишера (а) и Хоуорса (б)дам моносахаридов - -D-глюкопиранозы (I) и -L-галактофуранозы (II).

Атомы или группы атомов, изображаемые в ф-лах Фишера слева и справа, в X. ф. располагаются соотв. над и под плоскостью цикла. Боковые цепи при атоме С-5 в пиранозах или при С-4 в фуранозах изображают над плоскостью цикла при D-конфигурации атома углерода и под плоскостью - при L-конфигурации (см.Номенклатура стереохимическая ).
Предложены У. Хоуорсом (Хеуорсом) в 1926.

55. Соединения с гидроксильной группой.

Гидроксильная группа (гидроксил ) - функциональная группа OH органических и неорганических соединений, в которой атомы водорода и кислорода связаны ковалентной связью. В органической химии носит также название «спиртовой группы ».

Фенолами называют производные ароматических углеводородов, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп, непосредственно соединенных с бензольным кольцом.

Названия фенолов составляют с учетом того, что для родоначальной структуры по правилам ИЮПАК сохранено тривиальное название "фенол". Нумерацию атомов углерода бензольного кольца начинают от атома, непосредственно связанного с гидроксильной группой (если она является старшей функцией), и про­должают в такой последовательности, чтобы имеющиеся замес­тители получили наименьшие номера.

Простейший представитель этого класса - собственно фенол, С 6 Н 5 ОН.

Строение фенола. Одна из двух неподеленных электронных пар атома кислорода втягивается в -электронную систему бен­зольного кольца (+M-ЭФФЕКТ группы ОН). Это приводит к двум эффектам: а) увеличивается электронная плотность в бензольном кольце, причем максимумы электронной плотности находятся в орто- и пара-положениях по отношению к группе ОН; б) элек­тронная плотность на атоме кислорода, напротив, уменьшается, что приводит к ослаблению связи О―Н. Первый эффект прояв­ляется в высокой активности фенола в реакциях электрофильного замещения, а второй - в повышенной кислотности фенола по сравнению с предельными спиртами.

Монозамещенные производные фенола, например метилфенол (крезол), могут существовать в виде трех структурных изомеров - орто-, мета- и пара-крезолов:

Физические свойства. Фенолы в большинстве своем - кри­сталлические вещества (мета-крезол - жидкость) при комнат­ной температуре. Они обладают характерным запахом, довольно плохо растворимы в холодной воде, но хорошо - в горячей и особенно в водных растворах щелочей. Фенолы образуют прочные водородные связи и имеют довольно высокие температуры кипения и плавления. Так, собственно фенол представляет собой бесцветные кристаллы с t пл = 41 °С и t кип =182 °С. С течением времени кристаллы краснеют и темнеют.

56. Пятичленные гетероциклические соединения.

Пятичленные гетероциклы - органические циклические соединения, в состав которого входит как минимум один гетероатом.

Наиболее известные представители:

Представитель	Структурная формула	Родственные соединения
Фуран		Фурфурол, Пирослизевая кислота, Кумпарон, Изобензфуран, Тетрагидрофуран, 1,3-диоксолан
Тиофен		Тионафтен, Тиофтен, Тетрагидротиофен, Тиолан, Тиоландиоксид, Биотин
Пиррол		Индол, Оксиндол, Индоксил, Изатин, Карбазол, Пирролидин, 2-пирролидон, N-метилпирролидон, Пролин
Оксазол		Бензоксазол, 2-оксазолин
Изоксазол

57. Спиртами называют алифатические соединения, содержащие гидроксильную группу (алканолы, алкенолы, алкинолы); гидроксиарены или ароматические гидроксипроизводные называются фенолами . Название спирта образуется прибавлением суффикса -ол к названию соответствующего углеводорода или на основе углеводородного радикала. В зависимости от строения углеводородного радикала различают спирты:

первичные:

вторичные:

третичные:

Одноатомные фенолы:

Фенолы характеризуются более сильными кислотными свойствами, чем спирты, последние в водных растворах не образуют карбониевые ионы AIk – O – , что связано с меньшим поляризующим действием (электроакцепторными свойствами акильных радикалов по сравнению с ароматическими).

Спирты и фенолы тем не менее легко образуют водородные связи, поэтому все спирты и фенолы имеют более высокие температуры кипения, чем соответствующие углеводороды.

Если углеводородный радикал не обладает ярко выраженными гидрофобными свойствами, то эти спирты хорошо растворяются в воде. Водородная связь обусловливает способность спиртов переходить при отвердении в стеклообразное, а не кристаллическое состояние.

Соединения с двумя и более гидроксильными группами называются многоатомными спиртами и фенолами:

58. Кислоты и основания по Льюису.

Дж. Льюисом была предложена более общая теория кислот и оснований.

Основания Льюиса – это доноры пары электронов (спирты, алкоголят-анионы, простые эфиры, амины и т.д.)

Кислоты Льюиса – это акцепторы пары электронов, т.е. соединения, имеющие вакантную орбиталь (ион водорода и катионы металлов: H + , Ag + , Na + , Fe 2+ ; галогениды элементов второго и третьего периодов BF 3 , AlCl 3 , FeCl 3 , ZnCl 2 ; галогены; соединения олова и серы: SnCl 4 , SO 3).

Таким образом, основания Бренстеда и Льюиса – это одни и те же частицы. Однако основность по Бренстеду есть способность присоединять только протон, в то время как основность по Льюису – понятие более широкое и означает способность к взаимодействию с любой частицей, имеющей низколежащую свободную орбиталь.

Кислотно-основное взаимодействие по Льюису есть доноро-акцепторное взаимодействие и любую гетеролитическую реакцию можно представить как взаимодействие кислоты и основания Льюиса:

Единой шкалы для сравнения силы кислот и оснований Льюиса не существует, так как их относительная сила будет зависеть от того, какое вещество взято за стандарт (для кислот и оснований Бренстеда таким стандартом является вода). Для оценки легкости протекания кислотно-основного взаимодействия по Льюису Р. Пирсоном была предложена качественная теория “жестких” и “мягких” кислот и оснований.

Жесткие основания обладают высокой электроотрицательностью и низкой поляризуемостью. Они трудно окисляются. Их высшие занятые молекулярные орбитали (ВЗМО) имеют низкую энергию.

Мягкие основания имеют низкую электроотрицательность и высокую поляризуемость. Они легко окисляются. Их высшие занятые молекулярные орбитали (ВЗМО) имеют высокую энергию.

Жесткие кислоты имеют высокую электроотрицательность и низкую поляризуемость. Они трудно восстанавливаются. Их низшие свободные молекулярные орбитали (НСМО) имеют низкую энергию.

Мягкие кислоты обладают низкой электроотрицательностью и высокой поляризуемостью. Они легко восстанавливаются. Их низшие свободные молекулярные орбитали (НСМО) имеют высокую энергию.

Самая жесткая кислота - Н + , самая мягкая – СН 3 Hg + . Наиболее жесткие основания – F - и OH - , наиболее мягкие – I - и Н - .

59. .Простые эфиры.

Простые эфиры - органические вещества, имеющие формулу R-O-R 1 , где R и R 1 - углеводородные радикалы. Следует, однако, учитывать, что такая группа может входить в состав других функциональных групп соединений, не являющихся простыми эфирами Способы получения]

• По Вильямсону

В лабораторных условиях эфиры получают по Вильямсону взаимодействием галогенопроизводных, способных вступать в реакцию Sn2 и алкоксид- и феноксид-ионами. Реакция протекает гладко с галогенметаном и первичными галогеналканами. В случае вторичных галогеналканов реакция может быть осложнена побочной реакцией элиминирования.

Физические свойства

Простые эфиры - подвижные легкокипящие жидкости, малорастворимые в воде, очень легко воспламеняющиеся. Проявляют слабоосновные свойства (присоединяют протон по атому O).

Простые эфиры образуют перекисные соединения под действием света:

Вследствие этого при перегонке простых эфиров в лабораторных условиях запрещается перегонять их досуха, поскольку в этом случае произойдёт сильный взрыв в результате разложения пероксидов.

Важнейшие эфиры

Название	Формула	Температура плавления	Температура кипения
Диметиловый эфир	CH 3 OCH 3	−138,5 °C	−24,9 °C
Диэтиловый эфир	CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3	−116,3 °C	34,6 °C
Диизопропиловый эфир	(CH 3) 2 CHOCH(CH 3) 2	−86,2 °C	68,5 °C
Анизол		−37 °C	154 °C
Оксиран		−111,3 °C	10,7 °C
Тетрагидрофуран		−108 °C	65,4 °C
Диоксан		11.7 °C	101.4 °C
Полиэтиленгликоль	HOCH 2 (CH 2 OCH 2) n CH 2 OH	−	−

Биологическое значение

Ариловые эфиры - консерванты, антиоксиданты, применяются в парфюмерной промышленности. Некоторые простые эфиры обладают инсектицидным действием.

60. Заместительная номенклатура (ИЮПАК) органических соединений.

В заместительной номенклатуре ИЮПАК наименование органического соединения определяется названиями главной цепи (корень слова), атомы углерода в которой нумеруются в определённом порядке, а также заместителей и функциональных групп (обозначаемых в виде префиксов или суффиксов). В качестве заместителя рассматривается любой атом или группа атомов, замещающих водород. Функциональной группой считается атом или группа атомов неуглеводородного характера, которые определяют принадлежность соединения к тому или иному классу. Если групп несколько, то выделяют старшую:

ИЮПАК - общепринятая номенклатура, сейчас она является стандартом в химии.

61. Окисление С-Н и С = С связей.

62. Ковалентные связи. Гибридизация.

Ковалентная связь (атомная связь, гомеополярная связь) - химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой . Ковалентная связь образуется парой электронов, поделённой между двумя атомами, причём эти электроны должны занимать две устойчивые орбитали, по одной от каждого атома.

A· + ·В → А: В

В результате обобществления электроны образуют заполненный энергетический уровень. Связь образуется, если их суммарная энергия на этом уровне будет меньше, чем в первоначальном состоянии (а разница в энергии будет ни чем иным, как энергией связи).

Согласно теории молекулярных орбиталей, перекрывание двух атомных орбиталей приводит в простейшем случае к образованию двух молекулярных орбиталей (МО): связывающей МО и антисвязывающей (разрыхляющей) МО . Обобществленные электроны располагаются на более низкой по энергии связывающей МО.Гибридизация орбиталей - гипотетический процесс смешения разных (s, p, d, f) орбиталей центрального атома многоатомной молекулы с возникновением одинаковых орбиталей, эквивалентных по своим характеристикам.

Виды гибридизации

Этими формулами обычно пользуются для пространственного изображения молекул, содержащих асимметрический атом углерода : это тетраэдрический (sp 3 -гибридный) атом углерода, связанный с четырьмя разными атомами или группами атомов.

Для изображения проекционной формулы тетраэдрическую модель молекулы располагают так, чтобы асимметрический атом находился в плоскости чертежа, а две связи от асимметрического атома углерода лежали в горизонтальной плоскости, выступающей к наблюдателю из плоскости чертежа. Две другие связи должны располагаться в вертикальной плоскости, уходящей от наблюдателя за плоскость чертежа.

При использовании проекций Фишера символ асимметрического атома углерода обычно опускают:

Следует всегда учитывать, что формулы Фишера являются проекциями на плоскость и их не следует рассматривать как пространственные модели.

Поэтому необходимо соблюдать следующие правила:

­ проекционную формулу, отвечающую конкретному стереоизомеру, нельзя выводить из плоскости чертежа и нельзя поворачивать в плоскости на 90 о и 270 о;

­ возможен поворот формулы на 180 о

­ если положение одной атомной группы не менять, то остальные три можно вращать по часовой или против часовой стрелки:

4.2. Оптическая активность* и хиральность

Под оптической активностью подразумевают свойство, способность вещества вращать (отклонять на определённый угол) плоскость поляризованного света.

Поворот плоскости поляризации происходит либо по часовой стрелке (правое вращение), либо против хода часовой стрелки (левое вращение).

Для соединения, содержащего один асимметрический атом углерода возможны два изомера, которые соотносятся между собой как предмет и его зеркальное отражение, что видно на примере молочной кислоты.

Два изомера, каждый из которых является зеркальным отражением другого, называются оптическими или зеркальными изомерами .

Такая пара зеркальных изомеров называется энантиомерами или оптическими антиподами .

Энантиомерам присущи одинаковые физические свойства, за исключением направления вращения плоскости поляризации: они отклоняют поляризованный свет на один и тот же угол, но в противоположных направлениях.

Соединения, которые несовместимы со своим зеркальным отражением, принято называть хиральными .

Хиральность (от cheir – рука) – это основное понятие стереохимии, обозначающее свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отображением; является обязательным условием оптической активности молекул.

Смесь веществ, состоящая из равных количеств обоих энантиомеров, называется рацемической смесью . Оптическая активность такой смеси равна 0.

Стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами (подробно см. ниже, разд. 4.4.).

Таким образом, все хиральные молекулы являются молекулами оптически активных соединений.

Между хиральностью и оптической активностью существует однозначное соответствие. Характерной особенностью хиральных молекул является отсутствие оси, центра и плоскости симметрии, которые являются элементами симметрии .

Ось симметрии. Если вращение вокруг оси, проходящей через молекулу, на угол 2π/n=360 o /n вновь приводит её в исходное состояние, то такую ось называют осью симметрии n-го порядка С n . Понятно, что при значении n=1 в любом случае поворот вокруг оси возвращает молекулу в первоначальное состояние.

Например, молекула воды (а) имеет ось симметрии второго порядка (n=2), хлорметана (б) – третьего порядка, а в бензоле (в) наряду с шестью осями, располагающимися в плоскости цикла (n=2), имеется ещё одна ось (n=6), которая перпендикулярна плоскости цикла.

Плоскость симметрии. Если плоскость, проходящая через молекулу (объект) делит её на две части, соотносящиеся между собой как зеркальные изомеры, то её называют плоскостью симметрии . Вода имеет две плоскости симметрии, а хлорметан – три.

Центр симметрии i – это точка в центре молекулы, на равном расстоянии от которой на одной прямой располагаются две эквивалентные, равноценные точки данной молекулы.

В молекуле не может быть более одного центра симметрии.

Таким образом, с точки зрения наличия или отсутствия в молекулах элементов симметрии принято говорить о хиральности и ахиральности . В большинстве случаев по смыслу они совпадают с понятиями «асимметричность» и «симметричность». Вместе с тем хиральность – это понятие гораздо шире, чем асимметричность, поскольку хиральная молекула может содержать некоторые элементы симметрии. По этой же причине в стереохимии термин «асимметрический» атом очень часто заменяют термином «центр хиральности». Следовательно, под хиральностью следует подразумевать свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отображением. Ахиральная молекула содержит по крайней мере один элемент симметрии (либо центр, либо плоскость симметрии). Частным случаем ахиральности является прохиральность: способность, свойство ахиральной молекулы переходить в хиральную путём одноразового изменения одного какого-либо структурного фрагмента. Как правило, такая операция возможна при наличии прохирального центра – то есть центра, содержащего два различных и два одинаковых заместителя. Замещение одного из таких одинаковых заместителей на другой, отличающийся от всех имеющихся, превращает этот центр в хиральный:

Конфигурация и конформация

Стереоизомеры могут различаться конфигурациями (конфигурационные изомеры) или конформациями (конформационные изомеры).

Конфигурация – пространственное расположение атомов и/или атомных групп вокруг хирального центра, плоскости двойной связи или плоскости цикла и характеризующее определённый стереоизомер. Это понятие в большей степени имеет качественный характер и по сути отражает стереохимическую особенность конкретного расположения атомов в пространстве вокруг хирального центра данной молекулы.

Ниже показаны пары соединений, представляющие собой кофигурационные изомеры:

Конформация* - определённая геометрия молекулы, обусловленная внутренним вращением атомов или атомных групп вокруг простых связей. При этом стереохимическая конфигурация молекулы остаётся неизменной.

Для изображения конформаций пользуются проекциями Ньюмена. Для этана возможны две граничные конформации – заслоненная (I) и заторможенная (II).

Бутан отличается от этана наличием двух метильных групп, в связи с чем для данной молекулы возможно большее число заторможенных конформаций, что показано ниже. Более устойчивая конформация I обозначается как анти- : здесь метильные группы максимально удалены друг от друга (двугранный угол равен 180 о). Две другие конформации – скошенные, или иначе гош-конформации (II и III), в которых метильные группы образуют угол 60 о:

Проекция трёхмерной молекулы на плоскость

Проекция Фишера (проекционная формула Фишера , формула Фишера ) - способ изображения трёхмерной молекулы в виде проекции , в которой вертикальные связи удаляются за проекционную плоскость, а горизонтальные связи выступают перед этой плоскостью . Данные формулы были предложены Э. Фишером в 1891 году для изображения структур углеводов . Использование проекций Фишера для неуглеводных молекул может ввести в заблуждение и не рекомендуется ИЮПАК .

Построение

В проекции Фишера химические связи изображаются в виде горизонтальных и вертикальных линий, на перекрестьях которых находятся стереоцентры. Углеродный скелет изображают вертикально, при этом сверху находится атом углерода, с которого начинается нумерация скелета (например, альдегидный -атом для альдоз). Кроме того, в проекции Фишера все горизонтальные связи направлены в сторону наблюдателя, а вертикальные - удалены от наблюдателя. Данное условие важно для правильного построения проекции Фишера, а также при восстановлении трёхмерной структуры молекулы из её проекции. По этой причине проекцию Фишера нельзя вращать на 90° или 270°, так как это приведёт к изменению конфигурации стереоцентров. Согласно рекомендациям ИЮПАК, атомы водорода следует изображать в явном виде, однако структуры без атомов водорода также считаются приемлемыми .

Восстановление трёхмерной записи

Для восстановления пространственной формы молекулы из проекции Фишера необходимо горизонтальные связи изобразить направленными в сторону наблюдателя (жирными клинышками), а вертикальные - уходящими за плоскость изображения (штриховыми клинышками). Далее можно изобразить молекулу в любом трёхмерном представлении.

Использование

Проекции Фишера наиболее широко используются для построения структурных формул моносахаридов , а также аминокислот . Они также лежат в основе d/l -номенклатуры, используемой для различения энантиомеров этих природных соединений.

При изображении стереоизомеров часто пользуются формулами Фишера. В этих формулах хиральный центр рисуют с четырьмя связями, образующими друг с другом прямые углы. Вертикальные линии изображают проекцию на плоскость заместителей, находящихся за плоскостью, в то время как горизонтальные линии - это проекция заместителей, находящихся перед плоскостью. Символ асимметрического атома углерода в проекционных формулах Фишера принято опускать.

До 1951 г. установление абсолютной конфигурации было невозможно. Розанов в 1906 г предложил использовать в качестве относительного стандарта правовращающий (+) глицериновый альдегид, которому произвольно приписали конфигурацию D. Левовращающий антипод обозначили буквой L.

D-глицериновый альдегид L-глицериновый альдегид

В формулах Фишера самая длинная углеродная цепь записывается вертикально с атомом углерода №1 наверху; вертикальные связи асимметрического атома углерода располагаются за плоскостью чертежа, а горизонтальные над плоскостью.

D-молочная кислота L-молочная кислота

Если в проекции Фишера поменять местами две соседние группы, то получим зеркальное изображение исходного соединения. Зеркальное изображение начальной структуры получается и при повороте проекции Фишера на 90 о.

Диастереоизомерия

В виде диастереомеров могут существовать соединения, молекулы которых имеют два и более стереоцентров. С увеличением числа асимметрических атомов углерода число стереоизомеров увеличивается с появлением каждого нового стереоцентра и может быть вычислено по формуле N = 2 n , где n – число стереоцентров. Молекулы с двумя асимметрическими атомами углерода могут существовать в виде четырех стереоизомеров. Например, в молекуле 2,3-дибромпентана имеется два стереоцентра и, следовательно, у этого соединения 4 стереоизомера.

2,3-дибромпентан

(2S,3R)-2,3-дибромпентан (2R,3S)-2,3-ди… (2S,3S)-2,3-ди… (23,3R)-2,3-ди…

(I) (II) (III) (IV)

Пары стереоизомеров (I) и (II), также (III) и (IV) относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение, т.е. являются парами энантиомеров. Стереоизомеры в любых других парах являются диастереомерами. Две различные конфигурации одной молекулы, но не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами. Два диастереомера различаются по всем свойствам и сравнительно легко разделяются, как два различных соединения.

В проекционных формулах (I) и (II) одинаковые лиганды находятся по одну сторону проекции, такие стереоизомеры называют эритро -формами. В формулах (III) и (IV) эти же лиганды находятся по разные стороны вертикальной линии проекции Фишера, соответствующие им соединения называют трео -формами.

А. Мезо-соединения

У структуры с двумя стереоцентрами не всегда может быть 4 стереоизомера. Например, у 2,3-дибромбутана имеется два стереоцентра, но не 4 а только 3 стереоизомера.

(2S,3R)-2,3-дибромбутан (2S,3S)-2,3-ди… (2R,3R)-2,3-ди…

мезо- форма

Нумеровать атомы 2,3-дибромбутана можно сверху вниз или снизу вверх и тогда видно, что первые две структуры изображают один и тот же стереоизомер. Этот стереоизомер ахирален и оптически не активен, т. к. имеет плоскость симметрии

Упр. 7. Изобразите формулы Фишера пространственных изомеров: (а) глицеринового альдегида (2,3-дигидроксипропаналя), (б) молочной (2-гидроксипропа-новой) кислоты, (в) яблочной (2-гидроксибутандиовой или гидроксиянтарной) кислоты, (г) винной (2,3-дигидроксибутандиовой или дигидроксиянтарной) кислоты.

P-Диастереомеры

Алкены и их производные с общей формулой ABC=CDE могут существовать в виде p-диастереомеров. p-Диастереомеры возникают при условии неидентичности лигандов, связанных с отдельными атомами углерода двойной связи. p-Диастерео-меры отличаются друг от друга различным расположением лигандов относительно проскости симметрии p-связи.

О заместителях, расположенных по одну сторону от двойной связи, говорят, что они находятся в цис -положении относительно друг друга; если они расположены по разные стороны от плоскости двойной связи, то это транс -положение. В последнее время вместо терминов цис- и транс - рекомендуется Z,E-система. Если две наиболее старшие группы (по системе Кана-Ингольда-Прелога) расположены по одну сторону от p-связи, то конфигурация заместителей обозначается символом Z, если же эти группы находятся по разные стороны от плоскости p-связи, то конфигурация обозначается символом Е.

Таким образом, мы обсудили два вида диастереоизомерии:

Диастереоизомерия возникающая в результате комбинации элементов хиральности (в этом случае диастереоизомерия и энантиомерия накладываются друг на друга);

Диастереоизомерия цис-транс -изомеров.

Упр. 8. . Напишите структурные формулы (а) цис- 1,2-дихлорэтена и транс -1,2-дихлорэтена, (б) цис- 1,2-дифторэтена и транс -1,2-дифторэтена, (в) цис- 1,2-дихлор-

1,2-дифторэтена и транс- 1,2-дихлор-1,2-дифторэтена.

2.4 Цис-транс изомерия и конформации циклоалканов

Циклопропан, средство для ингаляционного наркоза (т. кип. -33 о С) имеет плоскую структуру. Каждый из трех атомов водорода по одну сторону от плоскости кольца занимает транс положение по отношению к каждому атому водорода, находящемуся по другую сторону плоскости кольца. Любые два атома водорода, расположенные по одну сторону кольца, находятся в цис положении и заслоняют друг друга.

циклопропан цис -водороды транс -водороды

Существует только один монозамещенный циклопропан. Дизамещенный циклопропан c одинаковыми заместителями может существовать в виде двух диастереомеров. Традиционно их описывают как цис - и транс- формы. У цис -формы есть плоскость симметрии, и она, поэтому не может существовать в виде пары энантиомеров, в то время как транс -форма - может.

цис -1,2-диметилциклопропан транс -1,2-диметилциклопропан

Б. Циклопентан

Молекула циклопентана почти плоская. В молекуле 1,2-диметилциклопентана два стереоцентра и поэтому он существует в виде трех стереоизомеров.

энантиомеры мезо соединение

Транс изомер существует в виде двух энантиомеров, а цис -1,2-диметилцикло-пентан является мезо соединением, т. к. у него есть плоскость симметрии. 1,3-Диме-тилциклопентан также существует в виде трех стереоизомеров.

энантиомеры мезо соединение

В. Циклогексан

Если в циклогексановом кольце имеется более одного заместителя, то при оценке стабильности той или иной конформации учитывают взаимное расположение заместителей в кольце и их строение. Так в молекуле транс -1,2-диметилцикло-гексана оба заместителя могут занимать или аксиальное, или экваториальное положение; разумеется, более выгодной является диэкваториальная конформация.

транс -1,2-диметилциклогексан цис -1,2-диметилциклогексан

У цис -изомера в любой из двух конформаций кресла одна из метильных групп занимает аксиальное положение, другая – экваториальное.

Молекула циклогексана может принимать несколько конформаций.

«кресло» «ванна»

При обычной температуре на 99,9% она существует в форме двух быстро интерконвертирующих кресловидных конформаций. Конформация кресла наиболее симметрична, каждый атом углерода имеет по две неэквивалентные связи С–Н.

У формы кресла есть ось симметрии третьего порядка. Шесть связей С-Н в циклогексане параллельны этой оси: три из них направлены вверх, а три - вниз, эти атомы водорода занимают аксиальное (а) положение. Еще шесть связей С-Н почти перпендикулярны оси симметрии, эти атомы водорода занимают экваториальное (е) положение.

В процессе конформационных превращений все аксиальные заместители а становятся экваториальными, и соответственно экваториальные е – аксиальными. С этой точки зрения конформационные переходы циклогексана называют инверсией .

Переход осуществляется через промежуточно возникающую твист-конформацию. Барьер конформационного перехода в циклогексане равен приблизительно 42 кДж/моль и мало меняется при введении заместителей.

Из ньюменовской проекции “кресла” циклогексана ясно, что соседние атомы водорода не заслонены.

проекция Ньюмена циклогексана

Кроме формы кресла существует также форма ванны, полу кресла (или полу твист) и твист-форма циклогексана. Эти формы известны под названием подвижных форм.

Рис.4. Энергетическая характеристика конформаций циклогексана

В форме ванны два атома водорода называют бушпринтными и два - флагштоковыми. Форма ванны является переходной между различными твист-формами, а полутвист-форма - переходной между формой кресла и твист-формой. Из трех подвижных форм наиболее важную роль играет твист-форма.

Кроме того, через полутвист-конформацию идет важный процесс взаимного превращения кресло-кресло (инверсия), в результате которого все (а) связи становятся (е) (в то же время все цис-транс соотношения между ними остаются неизменными).

Для монозамещенных циклогексанов имеются две неэквивалентные конформации с заместителями в аксиальном и экваториальном положениях. Обычно более устойчива экваториальная форма.

Разница в относительной стабильности конформеров с аксиальным и экваториальным положением заместителей объясняется диаксиальным взаимодействием аксиальных атомов водорода с заместителями.

проекции Ньюмена конформеров метилциклогексана

Барьер взаимопревращения (а)- и (е)-конформеров очень низок. Большинство заместителей предпочитают экваториальное положение. трет -Бутильная группа в циклогексане фактически всегда экваториальна.