Среди соединений, содержащих замкнутую сопряженную систему π-электронов, интересны ароматические соединения. Несмотря на высокую сте­пень ненасыщенности, ароматические соединения устойчивы к действию окислителей и температуры, они более склонны вступать в реакции замеще­ния, а не присоединения. Эти соединения обладают повышенной термодина­мической стабильностью по сравнению с сопряженными системами с откры­той цепью. Известна также тенденция некоторых циклических соединений превращаться при благоприятных условиях в ароматические.

К ароматическим соединениям прежде всего относятся бензол и вещест­ва, сходные с ним. Но могут иметь и существенно отличающуюся структуру. Замкнутая цепь может состоять не только из 12 С (карбоциклы), но и содержать гетероатомы (гетероциклы). Единая замкнутая система π-электронов может образовываться посредством как π,π-, так и р,π-сопряжения. Совокупность характерных свойств сопряженных систем была объеди­нена понятием ароматичности. В 1865 г. Ф. А. Кекуле предложил описывать бензол при помощи двух структур, между которыми ос­циллирует молекула бензола. Но индивидуальная структура Кекуле не может объяс­нить симметрию и характерную реакционную способность бензола. Бензол представляет собой плоский правильный шестиугольник с валентными углами 120°. Все 12 С- 12 С связи равноценны, длина их составляет 0,139 нм, т. е. является промежуточной между длинами одинарной и двойной связей. Все 12 С находятся в sp 2 -гибридизации, и все σ-связи С-С и С-Н в одной плоскости.

Каждый 12 С в молекуле бензола имеет одну негибридизованную р-орбиталь. Шесть этих орбиталей располагаются перпендикулярно плоскому σ-скелету и параллельно друг другу. При их взаимном перекрывании образуется единое π-электронное облако, т. е. осуществляется круговое сопряжение. π-Электронная плотность равномерно распределена по всей циклической системе.

Определение теплот сгорания или гидрирования циклических соединений и сравнение экспериментальных значений с рассчитанными, исходя из пред­положения, что соединение содержит только изолированные двойные связи, является одним из доказательств ароматичности. При гидрировании циклогексена до циклогексана выделяется 120 кДж/моль теплоты.

Если представить бензол структурой Кекуле с тремя двойными связями, то теплота гидрирования бензола должна быть в три раза больше теплоты гидрирования циклогексена:

Экспериментально определяемая величина намного меньше. Следователь­но, бензол обладает меньшей энергией, чем гипотетический циклогексатриен. 151 кДж/моль - эмпирическую энергию сопряжения (энергию делокализации). Для бензола энергия сопряжения на порядок выше, чем для бутадиена-1,3. Чтобы нарушить ароматическую систему бензола, нужно затратить количество энер­гии, равное этому значению.

Критерии ароматичности. На основании теоретических расчетов и экс­периментального изучения циклических сопряженных систем было установ­лено, что соединение ароматично, если оно имеет:

плоский циклический σ-скелет;

сопряженную замкнутую π-электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую 4п + 2π- электронов, где п = 0, 1, 2, 3 и т. д. – правило Хюккеля.

Критерии ароматичности позволяют отличать сопряженные ароматические системы от всех других. Бензол содержит секстет π-электронов и соответствует правилу Хюккеля при п = 1.

Конденсированные ароматические системы. Правило Хюккеля было сформулировано для плоских моноциклических систем. Но его можно приме­нить и к плоским конденсированным системам, в которых нет атомов, являю­щихся общими более чем для двух циклов. К таким системам относятся мно­гоядерные ароматические углеводороды - нафталин, антрацен, фенантрен:

В этих соединениях все атомы углерода находятся в состоянии sp 2 -гибри­дизации, циклический σ-скелет плоский, π-электронное облако охватывает все атомы углерода циклов, число π-электронов подчиняется правилу Хюкке­ля. В конденсированных аренах нет полной выравненности электронной плотности, и они менее термодинамически стабильны.

Многие ароматические полициклические углеводороды обладают канце­рогенными свойствами и интенсивно изучаются в связи с проблемами возник­новения и профилактики рака. Некоторые канцерогенные ароматические со­единения обнаружены в табачном дыме.

Небензоидные ароматические соединения. Существуют циклические сопряженные системы, не содержащие шестичленных циклов, но соответст­вующие критериям ароматичности и обладающие ароматическими свойства­ми. Правило Хюккеля не ограничивает проявление ароматичности только нейтральными частицами. Ароматическими могут быть карбанионы и карбокатионы.

Нейтральная молекула циклопентадиена не является ароматической, (один 12 С в sp 3 -гибридизации и не имеет р- АО, цикл не плоский). Атомы водорода метиленовой группы весьма подвижны. При дейст­вии на циклопентадиен натрием в тетрагидрофуране или гидридом натрия в 1,2-диметоксиэтане отщепляется протон и образуется циклопентадиенид-ион:

После разрыва связи С-Н у 12 С остается два электрона. Теперь все атомы углерода находятся в sp 2 -гибридном состоянии, в молекуле имеются плоский циклический σ-скелет и единая замкнутая сопряженная система, со­держащая на пяти p-орбиталях шесть π-электронов. Это соответствует всем критериям ароматичности. Чтобы отра­зить равномерное распределение «-» заряда, циклопентадиенид-ион изображают структурой с кружком и знаком «минус» в кружке:

Циклопентадиенид-ион это π-избыточная система, высту­пать донором электронной плотности по отношению к атомам или молекулам с вакантными орбиталями. Он образует с ионами металлов металлоцены (ферроцен). В ферроцене ион железа находится на равном расстоянии между двумя па­раллельными плоскостями циклопентадиенид-ионов - «сендвичевая структура». Производное ферроцена - ферроцерон - стимулирует процессы кроветворения и применяется при анемиях.

Циклогептатриен - циклическая система, содержащая семь 12 С и 6 π-электронов. И в этом случае 12 С метиленовой груп­пы находится в состоянии sp 3 -гибридизации и не имеет p-орбитали. При от­щеплении от метиленовой группы водорода в виде гидрид-иона образуется циклогептатриенил-катион (тропилий-катион):

В тропилий-катионе седьмая р-орбиталь вакантна и перекрывается с соседними p-орбиталями с образованием единой со­пряженной системы. Он удовлетворяет критериям ароматич­ности. Положительный заряд равномерно распределяется по всей системе. Се­мичленное кольцо лежит в одной плоскости, расстояния С-С равны 0,140 нм. В природе распространена семичленная ароматическая система трополона. Некоторые производные трополона являются природны­ми антибиотиками - фунгицидами.

Еще одним примером небензоидных ароматических соединений - азулен. Это углеводород, содержащий конденсирован­ные семичленный и пятичленный циклы. Каждый из 10 12 С находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Единая сопряженная систе­ма содержит 10 π-электронов. Азулен ароматичен и обладает высокой энерги­ей стабилизации (180 кДж/моль). В отличие от других ароматических углево­дородов, азулен (I) обладает дипольным моментом. Наличие дипольного момента заставляет предполагать, что значительный вклад в строение азулена вносит структура (II), в которой одно кольцо представляет собой циклопентадиенид-ион, а второе - ароматический тропилий-катион:

Термин «абсолютная конфигурация» используют для обозначения известного расположения лигандов относительно элемента хиральности в трехмерном пространстве . После 1951 г. стало возможным определять абсолютную стереохимию хиральной молекулы с помощью метода, основанного на флуоресценции рентгеновских лучей . Абсолютная конфигурация молекулы может быть изображена в плоскости бумаги с помощью хорошо знакомых «клиньев» и «штрихов» или с помощью построенных по определенному принципу проекционных формул, например проекционных формул Фишера.

Однако и в этом случае, как и при описаний строения, возникает необходимость обозначать абсолютную конфигурацию с помощью специальных символов, которые добавлялись бы к названию соединений. В последние годы RS-система стереохимической номенклатуры, предложенная Каном, Ингольдом и Прелогом в 1951 г и модифицированная в 1956 г. и в 1966 г. , во многих областях органической химии постепенно вытесняет старую DL-систему.

RS-Система обозначений.

Система Кана - Ингольда - Прелога для обозначения абсолютной конфигурации заключается в том, что в конфигурационно-хиральной молекуле хиральность каждого элемента хиральности (центра или оси) уточняется в соответствии со «старшинством» лигандов .

В наиболее знакомой форме эта система была использована для описания хирального () атома углерода (47), хотя ее с равным успехом можно распространить и на другие атомы , окруженные четырьмя различными лигандами (abed); в качестве лиганда можно рассматривать даже свободную пару электронов! На основании правила старшинства (см. ниже) лиганды а, b, с и d размещают в последовательности . Затем рассматривают хиральный центр со стороны, противоположной лиганду d, обладающему наименьшим старшинством:

Если лиганды а, b и с окажутся расположенными по направлению движения часовой стрелки, то используют символ R, а если они расположены против движения часовой стрелки - символ 5 [обозначения R и S производятся от латинских слов rectus (правый) и sinister (левый)]. Для того чтобы определить старшинство применяют следующее правило. Прежде всего, лиганды располагают в порядке убывания атомных номеров, так что в бромиодхлорметане (63) последовательность имеет вид , и, следовательно, указанному расположению лигандов в пространстве соответствует -конфигурация.

Если атомы, непосредственно связанные с хиральным центром, у нескольких лигандов одинаковы, то их старшинство устанавливается последовательным рассмотрением второго слоя лигандов, окружающих эти одинаковые атомы. Если и после этого старшинство установить не удается, то рассматривается третий слой лигандов, и так до тех пор, пока не обнаружится различие. Эту процедуру можно пояснить на примере установления старшинства для лигандов в соединении (64), где и, следовательно, хиральный центр имеет здесь -конфигурацию.

Следует обратить внимание на то, что как только в одном из сравниваемых лигандов мы доходим до атома с наибольшим атомным номером, в данном случае до иода, он сразу же обеспечивает старшинство этого лиганда по сравнению с другим лигандом, в котором содержатся атомы с меньшими атомными номерами, в данном случае бром и кислород. Многократно связанные атомы (в двойных и тройных связях) формально рассматривают как соответственно два или три атома. Ниже показано, как можно обозначить двойные и тройные связи с помощью дополнительных простых связей и атомов (в скобках):

В -глицериновом альдегиде, , старшинство соответствует последовательности и поэтому ему приписывается -конфигурация:

Наконец, если в состав лиганда входят изотопы, то старшинство присуждается атому с большим массовым числом, например (см. разд. 1.1.5.2). Разумеется, в соединении может быть несколько хиральных центров. В таких случаях символы R и S приводятся вместе с указателем положения хирального центра по номенклатуре IUPAC. Например, энантиомерные обозначаются как и .

Соответствующим образом замещенные аллены (48) обладают конфигурационной хиральностью: элементом хиральности у них является ось, относящаяся к точечной группе (38). Сравнение формул (47) и (48) показывает, что для возникновения хиральности относительно оси требуется меньшее различие между лигандами, чем для образования хирального центра. Хиральный аллен можно рассматривать с любого конца оси хиральности. При установлении старшинства сначала определяют старшинство лигандов, лежащих ближе к наблюдателю. Так, применяя правило старшинства к диметилаллену (66) нетрудно убедиться, что независимо от выбора точки наблюдения ему следует приписать -конфигурацию:

Другие примеры осевой хиральности встречаются среди алкилиденциклоалканов, спиросоединений и систем, подобных адамантану. Кроме того, алленовый фрагмент может входить в состав циклической системы, как, например, в случае (+)- (см. разд. 2.2.1); этот углеводород имеет -конфигурацию.

D,L -система обозначений.

Эта гораздо более старая система обозначений все еще широко используется в химии -аминокислот , циклитолов и углеводов . Она применима для молекул типа RCHXR, которые можнп ориентировать на проекционной формуле Фишера таким образом, чтобы наиболее окисленный углеродсодержащий лиганд оказался сверху. Если при этом заместитель X находится справа, то молекула имеет -конфигурацию, а если слева - -конфигурацию. Так, (+)-глицериновый альдегид ) относится к -ряду, а (-) -глицериновый альдегид - к -ряду. В случае соединений с несколькими хиральными центрами применение D, L-системы может вызвать затруднения. В подобных случаях атомы углерода на проекции Фишера нумеруют сверху вниз и по абсолютной конфигурации хирального атома углерода с наибольшим порядковым номером устанавливают символ абсолютной конфигурации для молекулы в целом. На основании этого принципа (-)-треоза относится к -ряду, а (-арабиноза к -ряду:

Относительные конфигурации при остальных хиральных центрах в L- (67) и D- (68) определяются соответственно приставками трео- и арабиноотносящимися к группам родственных соединений. Пожалуй, целесообразно, чтобы эти «локальные» системы номенклатуры были сохранены , так как переход на RS-систему был бы здесь и сложен, и чреват путаницей. В то же время нет никаких препятствий к тому, чтобы для тех соединений, где это удобно, RS-система применялась наряду с системой DL.

a,b-Система обозначений.

Одна из широко распространенных сегодня систем обозначения абсолютной конфигурации - это - система, используемая в сочетании с тривиальным названием в химии стероидов и родственных им соединений . Если рассматривать кольца стероидной молекулы как проекцию на плоскость бумаги, то формула располагается так, как, например, в случае холестерина (8) (см. с. 21). Заместитель, связанный с кольцом, обозначается символом а, если он расположен ниже плоскости проекции (например, атом Н при ), символом р, если он выше нее (например, метильная группа при ).
ГЛАВА 7. СТЕРЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

ГЛАВА 7. СТЕРЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Стереохимия (от греч. stereos - пространственный) - это «химия в трех измерениях». Большинство молекул трехмерны (threedimentional, сокращенно 3D). Структурные формулы отражают двумерное (2D) строение молекулы, включающее в себя число, тип и последовательность связывания атомов. Напомним, что соединения, имеющие одинаковый состав, но различное химическое строение, называются структурными изомерами (см. 1.1). Более широкое понятие структуры молекулы (иногда образно называемой молекулярной архитектурой) наряду с понятием химического строения включает стереохимические компоненты - конфигурацию и конформацию, отражающие пространственное строение, т. е. трехмерность молекулы. Молекулы, обладающие одинаковым химическим строением, могут различаться пространственным строением, т. е. существовать в виде пространственных изомеров - стереоизо- меров.

Пространственное строение молекул - это взаимное расположение атомов и атомных групп в трехмерном пространстве.

Стереоизомеры - соединения, в молекулах которых имеется одинаковая последовательность химических связей атомов, но раз- личное расположение этих атомов относительно друг друга в пространстве.

В свою очередь стереоизомеры могут быть конфигурационными и конформационными изомерами, т. е. различаться соответственно конфи- гурацией и конформацией.

7.1. Конфигурация

Конфигурация - это порядок расположения атомов в пространстве без учета различий, возникающих вследствие вращения вокруг одинарных связей.

Конфигурационные изомеры могут переходить друг в друга путем разрыва одних и образования других химических связей и могут существовать раздельно в виде индивидуальных соединений. Они подразделяются на два основных типа - энантиомеры и диастереомеры.

7.1.1. Энантиомерия

Энантиомеры - стереоизомеры, относящиеся друг к другу, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение.

В виде энантиомеров могут существовать только хиральные молекулы.

Хиральность - это свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отражением. Хиральными (от греч. cheir - рука), или асимметричными, объектами являются левая и правая рука, а также перчатки, ботинки и др. Эти парные предметы представляют собой объект и его зеркальное отражение (рис. 7.1, а). Такие предметы не могут быть полностью совмещены друг с другом.

В то же время существует множество окружающих нас предметов, которые совместимы со своим зеркальным отражением, т. е. они являются ахиральными (симметричными), например тарелки, ложки, стаканы и т. д. Ахиральные предметы обладают по крайней мере одной плоскостью симметрии, которая делит объект на две зеркальноидентичные части (см. рис. 7.1, б ).

Подобные взаимоотношения наблюдаются также в мире молекул, т. е. молекулы делятся на хиральные и ахиральные. У ахиральных молекул есть плоскости симметрии, у хиральных их нет.

В хиральных молекулах имеется один или несколько центров хиральности. В органических соединениях в качестве центра хиральности чаще всего выступает асимметрический атом углерода.

Рис. 7.1. Отражение в зеркале хирального объекта (а) и плоскость симметрии, разрезающая ахиральный объект (б)

Асимметрическим является атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами.

При изображении стереохимической формулы молекулы символ «С» асимметрического атома углерода обычно опускается.

Чтобы определить, является молекула хиральной или ахиральной, нет необходимости изображать ее стереохимической формулой, достаточно внимательно рассмотреть все атомы углерода в ней. Если находится хотя бы один атом углерода с четырьмя разными заместителями, то этот атом углерода асимметричен и молекула за редкими исключениями (см. 7.1.3) хиральна. Так, из двух спиртов - пропано- ла-2 и бутанола-2 - первый ахирален (две группы СН 3 у атома С-2), а второй - хирален, так как в его молекуле у атома С-2 все четыре заместителя разные (Н, ОН, СН 3 и С 2 Н 5). Асимметрический атом углерода иногда помечают звездочкой (С*).

Следовательно, молекула бутанола-2 способна существовать в виде пары энантиомеров, которые не совмещаются в пространстве (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Энантиомеры хиральных молекул бутанола-2 не совмещаются

Свойства энантиомеров. Энантиомеры обладают одинаковыми химическими и физическими свойствами (температуры плавления и кипения, плотность, растворимость и т. д.), но проявляют различную оптическую активность, т. е. способность отклонять плоскость поляризованного света*.

При прохождении такого света через раствор одного из энантиомеров происходит отклонение плоскости поляризации влево, другого - вправо на один тот же по величине угол α. Значение угла α, приведенное к стандартным условиям, является константой оптически активного вещества и называется удельным вращением [α]. Левое вращение обозначается знаком «минус» (-), правое - знаком «плюс» (+), а энантиомеры называют соответственно лево- и правовращающими.

С проявлением оптической активности связаны другие названия энантиомеров - оптические изомеры или оптические антиподы.

Каждое хиральное соединение может иметь и третью, оптически неактивную форму - рацемат. Для кристаллических веществ это обычно не просто механическая смесь кристаллов двух энантиомеров, а новая молекулярная структура, образованная энантиомерами. Рацематы оптически неактивны, так как левое вращение одного энантиомера компенсируется правым вращением равного количества другого. В этом случае перед названием соединения иногда ставят знак «плюс-минус» (?).

7.1.2. Относительная и абсолютная конфигурации

Проекционные формулы Фишера. Для изображения конфигурационных изомеров на плоскости можно пользоваться стереохимическими формулами. Однако удобнее применять более простые в написании проекционные формулы Фишера (проще - проекции Фишера). Рассмотрим их построение на примере молочной (2-гидроксипропа- новой) кислоты.

Тетраэдрическую модель одного из энантиомеров (рис. 7.3) располагают в пространстве так, чтобы цепь атомов углерода оказалась в вертикальном положении, а карбоксильная группа - сверху. Связи с неуглеродными заместителями (Н и ОН) у хирального центра долж-

* Подробнее см. учебник Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. 4-е изд., перераб. и дополн. - М.: Дрофа, 2003.- С. 365-375.

Рис. 7.3. Построение проекционной формулы Фишера (+)-молочной кислоты

ны быть направлены к наблюдателю. После этого модель проецируют на плоскость. Символ асимметрического атома при этом опускается, под ним понимают точку пересечения вертикальной и горизонтальной линий.

Тетраэдрическую модель хиральной молекулы перед проецированием можно располагать в пространстве по-разному, не только так, как показано на рис. 7.3. Необходимо только, чтобы связи, образующие на проекции горизонтальную линию, были направлены к наблюдателю, а вертикальные связи - за плоскость рисунка.

Полученные таким образом проекции можно с помощью несложных преобразований привести к стандартному виду, в котором углеродная цепь расположена вертикально, а старшая группа (в молочной кислоте это СООН) - сверху. Преобразования разрешают две операции:

В проекционной формуле разрешается менять местами два любых заместителя у одного и того же хирального центра четное число раз (двух перестановок бывает достаточно);

Проекционную формулу разрешается поворачивать в плоскости рисунка на 180? (что эквивалентно двум перестановкам), но не на 90?.

D.L-Система обозначения конфигурации. В начале ХХ в. была предложена система классификации энантиомеров для относительно простых (с позиций стереоизомерии) молекул, таких, как α-аминокислоты, α-гидроксикислоты и им подобные. За конфигурационный стандарт был принят глицериновый альдегид. Его левовращающему энантиомеру была произвольно приписана формула (I). Такая конфигурация атома углерода была обозначена буквой l (от лат. laevus - левый). Правовращающему энантиомеру соответственно была приписана формула (II), а конфигурация обозначена буквой d (от лат. dexter - правый).

Заметим, что в стандартной проекционной формуле l -глицеринового альдегида группа ОН находится слева, а у d -глицеринового альдегида - справа.

Отнесение к d- или l -ряду других родственных по структуре оптически активных соединений производится путем сравнения конфигурации их асимметрического атома с конфигурацией d- или l -глицеринового альдегида. Например, у одного из энантиомеров молочной кислоты (I) в проекционной формуле группа ОН находится слева, как у l -глицеринового альдегида, поэтому энантиомер (I) относят к l -ряду. Из тех же соображений энантиомер (II) относят к d -ряду. Так из срав- нения проекций Фишера определяют относительную конфигурацию.

Следует отметить, что l -глицериновый альдегид имеет левое вращение, а l -молочная кислота - правое (и это не единичный случай). Более того, одно и то же вещество может быть как лево-, так и правовращающим в зависимости от условий определения (разные растворители, температура).

Знак вращения плоскости поляризованного света не связан с принадлежностью к d- или l -стереохимическому ряду.

Практическое определение относительной конфигурации оптически активных соединений проводят с помощью химических реакций: либо исследуемое вещество превращают в глицериновый альдегид (или другое вещество с известной относительной конфигурацией), либо, наоборот, из d- или l -глицеринового альдегида получают исследуемое вещество. Разумеется, что в ходе всех этих реакций не должна изменяться конфигурация асимметрического атома углерода.

Произвольное приписание лево- и правовращающему глицериновому альдегиду условных конфигураций было вынужденным шагом. В то время абсолютная конфигурация не была известна ни для одного хирального соединения. Установление абсолютной конфигурации стало возможным только благодаря развитию физико-химических методов, особенно рентгеноструктурного анализа, с помощью которого в 1951 г. впервые была определена абсолютная конфигура,ция хиральной молекулы - это была соль (+)-винной кислоты. После этого стало ясно, что абсолютная конфигурация d- и l-глицериновых альдегидов действительно такая, какая им была первоначально приписана.

d,l-Система в настоящее время применяется для α-аминокислот, гидроксикислот и (с некоторыми дополнениями) для углеводов

(см. 11.1.1).

R,S-Система обозначения конфигурации. d,L-Система имеет весьма ограниченное применение, так как часто невозможно соотнести конфигурацию какого-либо соединения с глицериновым альдегидом. Универсальной системой обозначения конфигурации центров хиральности является R,S-система (от лат. rectus - прямой, sinister - левый). В ее основе лежит правило последовательности, основанное на старшинстве заместителей, связанных с центром хиральности.

Старшинство заместителей определяется атомным номером элемента, непосредственно связанного с центром хиральности, - чем он больше, тем старше заместитель.

Так, группа ОН старше NH 2 , которая, в свою очередь, старше любой алкильной группы и даже СООН, поскольку в последней с асимметрическим центром связан атом углерода. Если атомные номера оказываются одинаковыми, старшей считается группа, у которой следующий за углеродом атом имеет больший порядковый номер, причем, если этот атом (обычно кислород) связан двойной связью, он учитывается дважды. В результате следующие группы так располагаются в порядке падения старшинства: -СООН > -СН=О > -СН 2 ОН.

Для определения конфигурации тетраэдрическую модель соединения располагают в пространстве так, чтобы самый младший замес- титель (в большинстве случаев это атом водорода) был наиболее удален от наблюдателя. Если старшинство трех остальных заместителей убывает по часовой стрелке, то центру хиральности приписывают R-конфигурацию (рис. 7.4, а), если против часовой стрелки - S -конфигурацию (см. рис. 7.4, б), как это видно водителю, находящемуся за рулем (см. рис. 7.4, в).

Рис. 7.4. Определение конфигурации энантиомеров молочной кислоты по R,S- системе (объяснение в тексте)

Для обозначения конфигурации по RS-системе можно применить проекции Фишера. Для этого проекцию преобразуют так, чтобы младший заместитель разместился на одной из вертикальных связей, что соответствует его положению за плоскостью чертежа. Если после преобразования проекции старшинство остальных трех заместителей убывает по часовой стрелке, то асимметрический атом имеет R-конфигурацию, и наоборот. Применение такого способа показано на примере l-молочной кислоты (цифрами обозначено старшинство групп).

Существует более простой способ определения R- или S-конфигу- рации по проекции Фишера, в которой младший заместитель (обычно атом Н) расположен на одной из горизонтальных связей. В этом случае не проводят указанных выше перестановок, а сразу определяют старшинство заместителей. Однако, поскольку атом Н находится «не на месте» (что равносильно противоположной конфигурации), падение старшинства будет означать теперь не R-, а S-конфигурацию. Этот способ показан на примере l-яблочной кислоты.

Указанный способ особенно удобен для молекул, содержащих несколько хиральных центров, когда для определения конфигурации каждого из них потребовались бы перестановки.

Между d,l- и RS-системами отсутствует корреляция: это два разных подхода к обозначению конфигурации хиральных центров. Если в d,L-системе сходные по конфигурации соединения образуют стерео- химические ряды, то в RS-системе хиральные центры в соединениях, например, l-ряда, могут иметь как R-, так и S-конфигурацию.

7.1.3. Диастереомерия

Диастереомерами называют стереоизомеры, не относящиеся друг к другу, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение, т. е. не являющиеся энантиомерами.

Наиболее важными группами диастереомеров являются σ-диастереомеры и π-диастереомеры.

σ-Диастереомеры. Многие биологически важные вещества содержат в молекуле более одного центра хиральности. При этом возрастает число конфигурационных изомеров, которое определяется как 2 n , где n - число центров хиральности. Например, при наличии двух асимметрических атомов соединение может существовать в виде четырех стереоизомеров (2 2 = 4), составляющих две пары энантиомеров.

2-Амино-3-гидроксибутановая кислота имеет два центра хиральности (атомы С-2 и С-3) и, следовательно, должна существовать в виде четырех конфигурационных изомеров, один из которых является природной аминокислотой.

Структуры (I) и (II), соответствующие l- и d-треонину, а также (III) и (IV), соответствующие l- и d-аллотреонину (от греч. alios - другой), относятся друг к другу, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение, т. е. они представляют собой пары энантиомеров. При сопоставлении структур (I) и (III), (I) и (IV), (II) и (III), (II) и (IV) видно, что в этих парах соединений у одного асимметрического центра конфигурация одинаковая, а у другого - противоположная. Такие пары стереоизомеров представляют собой диастереомеры. Подобные изомеры называют σ-диастереомерами, так как заместители в них связаны с центром хиральности σ-связями.

Аминокислоты и гидроксикислоты с двумя центрами хиральности относят к d- или l -ряду по конфигурации асимметрического атома с наименьшим номером.

Диастереомеры, в отличие от энантиомеров, различаются физическими и химическими свойствами. Например l-треонин, входящий в состав белков, и l-аллотреонин имеют разные значения удельного вращения (как показано выше).

Мезосоединения. Иногда в молекуле содержатся два асимметрических центра и более, но молекула в целом остается симметричной. Примером таких соединений может служить один из стереоизомеров винной (2,3-дигидроксибутандиовой) кислоты.

Теоретически эта кислота, в которой имеется два центра хиральности, могла бы существовать в виде четырех стереоизомеров (I)-(IV).

Структуры (I) и (II) соответствуют энантиомерам d- и l-ряда (отнесение проведено по «верхнему» центру хиральности). Может показаться, что структуры (III) и (IV) также соответствуют паре энантиомеров. В действительности это формулы одного и того же соединения - оптически неактивной мезовинной кислоты. В идентичности формул (III) и (IV) легко убедиться, повернув формулу (IV) на 180?, не выводя ее из плоскости. Несмотря на два центра хиральности, молекула мезовинной кислоты в целом является ахиральной, так как имеет плоскость симметрии, проходящую по середине связи С-2-С-3. По отношению к d- и l-винным кислотам мезовинная кислота является диастереомером.

Таким образом, существует три (а не четыре) стереоизомера винных кислот, не считая рацемической формы.

При использовании R,S-системы не возникает трудностей с описанием стереохимии соединений с несколькими хиральными центрами. Для этого определяют конфигурацию каждого центра по R,S-системе и указывают ее (в скобках с соответствующими локантами) перед полным названием. Так, d-винная кислота получит систематическое название (2R,3R)-2,3-дигидроксибутандиовая кислота, а мезовинная кислота будет иметь стереохимические символы (2R,3S)-.

Подобно мезовинной кислоте существует мезоформа α-аминокислоты цистин. При двух центрах хиральности число стереоизомеров цистина равно трем вследствие того, что молекула внутренне сим- метрична.

π-Диастереомеры. К ним относятся конфигурационные изомеры, содержащие π-связь. Этот вид изомерии характерен, в частности, для алкенов. Относительно плоскости π-связи одинаковые заместители у двух атомов углерода могут располагаться по одну (цис) или по разные (транс) стороны. В связи с этим существуют стереоизомеры, известные под названием цис- и транс -изомеров, как показано на примере цис- и транс-бутенов (см. 3.2.2). π-Диастереомерами являются простейшие ненасыщенные дикарбоновые кислоты - малеиновая и фумаровая.

Малеиновая кислота является термодинамически менее стабильным цис -изомером по сравнению с транс -изомером - фумаровой кислотой. Под действием некоторых веществ или ультрафиолетовых лучей между обеими кислотами устанавливается равновесие; при нагревании (~150 ?C) оно смещено в сторону более стабильного транс -изомера.

7.2. Конформации

Вокруг простой связи С-С возможно свободное вращение, в результате которого молекула может принимать различные формы в пространстве. Это видно на стереохимических формулах этана (I) и (II), где отмеченные цветом группы СН 3 расположены по-разному относительно другой группы СН 3.

Поворот одной группы СН 3 относительно другой происходит без нарушения конфигурации - изменяется лишь взаимное расположение в пространстве атомов водорода.

Геометрические формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг σ-связей, называют конформациями.

В соответствии с этим конформационными изомерами являются стереоизомеры, различие между которыми вызвано поворотом отдельных участков молекулы вокруг σ-связей.

Конформационные изомеры обычно нельзя выделить в индивидуальном состоянии. Переход различных конформаций молекулы друг в друга происходит без разрыва связей.

7.2.1. Конформации ациклических соединений

Простейшим соединением со связью С-С является этан; рассмотрим две из множества его конформаций. В одной из них (рис. 7.5, а) расстояние между атомами водорода двух групп СН 3 наименьшее, поэтому находящиеся друг против друга связи С-Н отталкиваются. Это приводит к увеличению энергии молекулы, а следовательно, к меньшей устойчивости этой конформации. При взгляде вдоль связи С-С видно, что три связи С-Н у каждого атома углерода попарно «заслоняют» друг друга. Такую конформацию называют заслоненной.

Рис. 7.5. Заслоненная (а, б) и заторможенная (в, г) конформации этана

В другой конформации этана, возникающей при повороте одной из групп СН 3 на 60? (см. рис. 7.5, в), атомы водорода двух метильных групп максимально удалены друг от друга. При этом отталкивание электронов связей С-Н будет минимальным, энергия такой конформации также будет минимальной. Эту более устойчивую конформацию называют заторможенной. Разница в энергии обеих конформаций невелика и составляет ~12 кДж/моль; она определяет так называемый энергетический барьер вращения.

Проекционные формулы Ньюмена. Эти формулы (проще - проекции Ньюмена) используют для изображения конформаций на плоскости. Для построения проекции молекулу рассматривают со стороны одного из атомов углерода вдоль его связи с соседним атомом углерода, вокруг которой происходит вращение. При проецировании три связи от ближнего к наблюдателю атома углерода к атомам водорода (или в общем случае - к другим заместителям) располагают в виде трехлучевой звезды с углами 120?. Удаленный от наблюдателя (невидимый) атом углерода изображают в виде круга, от которого также под углом 120? отходят три связи. Проекции Ньюмена также дают наглядное представление о заслоненной (см. рис. 7.5, б) и заторможенной (см. рис. 7.5, г) конформациях.

При обычных условиях конформации этана легко переходят друг в друга, и можно говорить о статистическом наборе различных конформаций, незначительно различающихся по энергии. Выделить в инди- видуальном виде даже более устойчивую конформацию невозможно.

В более сложных молекулах замена атомов водорода при соседних атомах углерода на иные атомы или группы приводит к их взаимному отталкиванию, что сказывается на увеличении потенциальной энергии. Так, в молекуле бутана наименее выгодной будет заслоненная конформация, а самой выгодной - заторможенная конформация с максимально удаленными группами СН 3 . Разница между энергиями этих конформаций составляет ~25 кДж/моль.

По мере удлинения углеродной цепи в алканах быстро возрастает число конформаций в результате расширения возможностей враще- ния вокруг каждой связи С-С, поэтому длинные углеродные цепи алканов могут принимать множество разнообразных форм, например зигзагообразную (I), нерегулярную (II) и клешневидную (III).

Предпочтительна зигзагообразная конформация, в которой все связи С-С в проекции Ньюмена образуют угол 180?, как в затормо- женной конформации бутана. Например, фрагменты длинноцепочечных пальмитиновой C 15 H 31 COOH и стеариновой C 17 H 35 COOH кислот в зигзагообразной конформации (рис. 7.6) входят в состав липидов клеточных мембран.

Рис. 7.6. Скелетная формула (а) и молекулярная модель (б) стеариновой кислоты

В клешневидной конформации (III) сближаются атомы углерода, удаленные друг от друга в иных конформациях. Если на достаточно близком расстоянии оказываются функциональные группы, например Х и Y, способные реагировать друг с другом, то в результате внутримолекулярной реакции это приведет к образованию циклического продукта. Такие реакции распространены довольно широко, что связано с выгодностью образования термодинамически устойчивых пяти- и шестичленных циклов.

7.2.2. Конформации шестичленных циклов

Молекула циклогексана не является плоским шестиугольником, так как при плоском строении валентные углы между атомами углерода составляли бы 120?, т. е. существенно отклонялись от величины нормального валентного угла 109,5?, и все атомы водорода находились в невыгодном заслоненном положении. Это привело бы к неустойчивости цикла. В действительности шестичленный цикл наиболее устойчив из всех циклов.

Различные конформации циклогексана возникают в результате частичного вращения вокруг σ-связей между атомами углерода. Из нескольких неплоских конформаций наиболее энергетически выгодна конформация кресла (рис. 7.7), так как в ней все валентные углы между связями С-С равны ~110?, а атомы водорода при соседних атомах углерода не заслоняют друг друга.

В неплоской молекуле можно только условно говорить о расположении атомов водорода «над и под плоскостью». Вместо этого используют другие термины: связи, направленные вдоль вертикальной оси симметрии цикла (на рис. 7.7, а показаны цветом), называют аксиаль- ными (а), а связи, ориентированные от цикла (как бы по экватору, по аналогии с земным шаром), называют экваториальными (е).

При наличии в кольце заместителя более выгодна конформация с экваториальным положением заместителя, как, например, конформация (I) метилциклогексана (рис. 7.8).

Причина меньшей устойчивости конформации (II) с аксиальным расположением метильной группы заключается в 1,3-диаксиальном отталкивании группы СН 3 и атомов Н в положениях 3 и 5. В таком

Рис. 7.7. Циклогексан в конформации кресла:

а - скелетная формула; б - шаростержневая модель

Рис. 7.8. Инверсия цикла молекулы метилциклогексана (показаны не все атомы водорода)

случае цикл подвергается так называемой инверсии, принимая более устойчивую конформацию. Особенно велико отталкивание в про- изводных циклогексана, имеющих положениях 1 и 3 объемные группы.

В природе встречается множество производных циклогексанового ряда, среди которых важную роль играют шестиатомные спирты - инозиты. В связи с наличием в их молекулах асимметрических центров инозиты существуют в виде нескольких стереоизомеров, из которых наиболее распространен миоинозит. Молекула миоинозита имеет стабильную конформацию кресла, в которой пять из шести групп ОН находятся в экваториальных положениях.

Как обозначить конфигурацию соединения, чтобы по названию можно было изобразить пространственное расположение групп у хирального атома углерода? Для этого используют R,S -систему, предложенную К. Ингольдом, Р. Каном, З. Прелогом. R,S -система основана на определении старшинства заместителей вокруг хирального центра. Старшинство групп определяется следующим образом:

1). Атом с большим атомным номером является старшим относительно атома с меньшим атомным номером.

2). Если непосредственно соединенные с углеродом С* атомы одинаковы, то необходимо рассмотреть старшинство последующих атомов.

Например, как определить старшую из групп: -C 2 Н 5 и СН(СН 3) 2 в соединении

В этильной группе за атомом, соединённым с хиральным центром, следуют Н, Н и С, а в изопропильной группе - Н, С и С. Сравнивая эти группы между собой, устанавливаем, что изопропильная группа старше, чем этильная.

3). Если хиральный углерод С* соединён с атомом, имеющим кратную связь, то связи этого атома следует представить как простые связи.

4). Для того, чтобы установить конфигурацию молекулы, её располагают так, чтобы связь хирального центра с младшей группой под номером 4 была направлена от наблюдателя, и определяют расположение оставшихся групп (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Определение R,S -конфигураций

Если старшинство групп убывает (1®2®3) по часовой стрелке, то конфигурация хирального центра определяется как R (от латинского слова “rectus” - правый). Если старшинство заместителей убывает против часовой стрелки, то конфигурация хирального центра - S (от латинского “sinister” - левый).

Знак оптического вращения (+) или (-) определяется экспериментально и не связан с обозначением конфигурации (R ) или (S ). Например, правовращающий 2-бутанол имеет (S )-конфигурацию.

Для того, чтобы определить конфигурацию соединения, изображённого проекционной формулой Фишера поступают следующим образом.

1). Выполняют чётное число перестановок заместителей у хирального центра (нечётное число перестановок приведёт к энантиомеру) так, чтобы младший заместитель под номером 4 оказался вверху или внизу.

2). Определяют расположение оставшихся групп, обходя их в порядке убывания старшинства. Если старшинство заместителей убывает по часовой стрелке, то исходную конфигурацию определяют как R -конфигурацию, если против часовой стрелки, то конфигурацию определяют как S -конфигурацию.

Если преобразовать проекционную формулу непросто, можно установить порядок уменьшения старшинства, отбросив младший заместитель, стоящий сбоку, но выбрать для обозначения конфигурации «обратный» символ. Например, в исходном соединении

отбросив младший заместитель (H), устанавливаем порядок уменьшения старшинства: 1→2→3. Получаем обозначение (S ), меняем его на (R ) и получаем правильное название: (R )-2-хлорэтансульфоновая кислота.

Понятие хиральности – одно из важнейших в современной стереохимии.Модель является хиральной, если она не обладает никакими элементами симметрии (плоскостью, центром, зеркально-поворотными осями), кроме простых осей вращения. Мы называем молекулу, которая описывается такой моделью, хиральной (что означает «подобная руке», от греч. хиро – рука) по той причине, что, как и руки, молекулы не совместимы со своими зеркальными отображениями.На рис. 1 приведен ряд простых хиральных молекул. Совершенно очевидны два факта: во-первых, пары приве­денных молекул представляют зеркальные отражения друг дру­га, во-вторых, эти зеркальные отражения нельзя совместить друг с другом. Можно заметить, что в каждом случае молекула содержит углеродный атом с четырьмя различными заместителями. Такие атомы называют асимметрически­ми. Асимметрический атом углерода является хиральным или стереогенным центром. Это наиболее распространенный тип хиральности. Если молекула хиральна, то она может существовать в двух изомерных формах, связанных как предмет и его зеркальное отражение и несовместимых в пространстве. Такие изомеры (пара) называются энантиомерами .

Термин «хиральный» не допускает вольного толкования. Когда хиральной является молекула, то она, по аналогии с рукой, должна быть либо левой, либо правой. Когда же мы называем хиральным вещество или некоторый его образец, то это просто обозначает, что оно (он) состоит из хиральных молекул; при этом вовсе не обязательно, что все молекулы одинаковы с точки зрения хиральности (левые или правые, R или S , см. раздел 1.3). Можно выделить два предельных случая. В первом образец состоит из одинаковых с точки зрения хиральности молекул (гомохиральных, только R или только S ); такой образец называют энантиомерно чистым . Во-втором (противоположном) случае образец состоит из одинакового числа разных с точки зрения хиральности молекул (гетерохиральных, мольное соотношение R : S =1:1); такой образец тоже хиральный, но рацемический . Есть и промежуточный случай – неэквимолярная смесь энантиомеров. Такую смесь называют скалемической или нерацемической. Таким образом, утверждение, что макроскопический образец (в отличие от индивидуальной молекулы) хирален, следует считать не вполне ясным и поэтому в некоторых случаях недостаточным. Может потребоваться дополнительное указание, является ли образец рацемическим или нерацемическим. Отсутствие точности в понимании этого ведет к определенного рода заблуждениям, например, в заголовках статей, когда провозглашается синтез некоторого хирального соединения, но остается непонятным, желает ли автор просто привлечь внимание к самому факту хиральности обсуждаемой в статье структуры, либо продукт действительно был получен в виде единственного энантиомера (т.е. ансамбля гомохиральных молекул; этот ансамбль, впрочем, не стоит называть гомохиральным образцом). Таким образом, в случае хирального нерацемического образца правильнее говорить «энантиомерно обогащенный» или «энантиомерно чистый» .

Способы изображения оптических изомеров

Способ изображения выбирается автором исключительно из соображений удобства передачи информации. На рисунке 1 изображения энантиомеров даны с помощью перспективных картинок. При этом принято связи, лежащие в плоскости изображения, рисовать сплошной линией; связи, уходящие за плоскость, - пунктиром; а связи, направленные к наблюдателю, - жирной линией. Такой способ изображения вполне информативен для структур с одним хиральным центром. Эти же молекулы можно изобразить в виде проекции Фишера. Данный способ был предложен Э.Фишером для более сложных структур (в частности, углеводов), имеющих два и более хиральных центра.

Зеркальная плоскость

Рис. 1

Для построения проекционных формул Фишера тетраэдр поворачивают так, чтобы две связи, лежащие в горизонтальной плоскости, были направлены к наблюдателю, а две связи, лежащие в вертикальной плоскости, - от наблюдателя. На плоскость изображения попадает только асимметрический атом. При этом сам асимметрический атом, как правило, опускают, сохраняя лишь перекрещивающиеся линии и символы заместителей. Чтобы помнить о пространственном расположении заместителей, часто сохраняют в проекционных формулах прерывистую вертикальную линию (верхний и нижний заместитель удалены за плоскость чертежа), однако часто этого не делают. Ниже приведены примеры различных способов изображения одной и той же структуры с определенной конфигурацией (рис. 2)

Проекция Фишера

Рис. 2

Приведем несколько примеров проекционных формул Фишера (рис.3)

(+)-(L )-аланин(-)-2-бутанол (+)-(D )-глицериновый альдегид

Рис. 3

Поскольку на тетраэдр можно смотреть с разных сторон, то каждый стереоизомер может быть изображен двенадцатью (!) различными проекционными формулами. Чтобы стандартизировать проекционные формулы, введены определенные правила их написания. Так, главную (номенклатурную) функцию, если она находится в конце цепи, принято ставить наверху, главную цепь изображать вертикально.

Для того чтобы сопоставлять "нестандартно" написанные проекционные формулы, надо знать следующие правила преобразования проекционных формул.

1. Формулу нельзя выводить из плоскости чертежа и нельзя поворачивать на 90 о, хотя можно вращать в плоскости чертежа на 180 о, не меняя их стереохимического смысла (рис. 4)

Рис. 4

2. Две (или любое четное число) перестановки заместителей у одного асимметрического атома не меняют стереохимического смысла формулы (рис.5)

Рис. 5

3. Одна (или любое нечетное число) перестановка заместителей у асимметрического центра приводит к формуле оптического антипода (рис.6)

Рис. 6

4. Поворот в плоскости чертежа на 90 0 превращает формулу в антиподную, если только при этом одновременно не изменить условие расположения заместителей относительно плоскости чертежа, т.е. считать, что теперь боковые заместители находятся за плоскостью чертежа, а верхний и нижний - перед ней. Если пользоваться формулой с пунктиром, то изменившаяся ориентация пунктира прямо напомнит об этом (рис.7)

Рис. 7

5. Вместо перестановок проекционные формулы можно преобразовывать путем вращения любых трех заместителей по часовой стрелке или против нее (рис.8); четвертый заместитель при этом положения не меняет (такая операция эквивалентна двум перестановкам):

Рис. 8

Проекции Фишера нельзя применять к молекулам, хиральность которых связана не с хиральным центром, а с другими элементами (осью, плоскостью). В этих случаях необходимы трехмерные изображения.

D , L - Номенклатура Фишера

Одну проблему мы обсудили – как изобразить трехмерную структуру на плоскости. Выбор способа диктуется исключительно удобством представления и восприятия стреоинформации. Следующая проблема связана с составлением названия для каждого индивидуального стереоизомера. В названии должна быть отражена информация о конфигурации стереогенного центра. Исторически первой номенклатурой для оптических изомеров была D , L - номенклатура, предложенная Фишером. До 1960–х годов боле привычным было обозначать конфигурацию хиральных центров на основании плоских проекций (Фишера), а не на основании трехмерных 3D – формул, при этом использовались дескрипторы D и L . В настоящее время D , L –система используется ограниченно – главным образом для таких природных соединений, как аминокислоты, оксикислоты и углеводы. Примеры, иллюстрирующие ее применение, показаны на рис.10.

Рис. 10

Для α – аминокислот конфигурация обозначается символом L , если в проекционной формуле Фишера амино –(или аммонийная) группа расположена слева,; символ D используется для противоположного энантиомера. Для сахаров обозначение конфигурации основано на ориентации ОН – группы с высшим номером (самой удаленной от карбонильного конца). Если ОН – группа направлена вправо, то это – конфигурация D ; если ОН слева – конфигурация L .

Система Фишера в свое время позволила создать логичную и непротиворечивую стереохимическую систематику большого числа природных соединений, ведущих свое происхождение от аминокислот и сахаров. Однако ограничения Фишеровской системы, а также тот факт, что в 1951 г. появился рентгеноструктурный метод определения истинного расположения групп вокруг хирального центра, привели к созданию в 1966 г. новой, более строгой и непротиворечивой системы описания стереоизомеров, известной под названием R , S - номенклатуры Кана-Ингольда-Прелога (КИП). В системе КИП к обычному химическому названию прибавляются специальные дескрипторы R или S (в тексте выделяются курсивом), строго и однозначно определяющие абсолютную конфигурацию.

Номенклатура Кана-Ингольда-Прелога

Для того,чтобы определить дескриптор R или S для данного хирального центра, используется так называемое правило хиральности. Рассмотрим четыре заместителя, связанные с хиральным центром. Их следует расположить в единообразной последовательности стереохимического старшинства; для удобства давайте обозначим эти заместители символами А, В, D и Е и условимся считать, что в общей последовательности старшинства (иначе говоря, по приори­тету) А старше В, В старше D, D старше E(A>B>D>E). Правило хиральности КИП требует, чтобы модель рассматривалась со стороны, противоположной той, которую занимает заместитель Е с низшим приоритетом или стереохимически младший заместитель (рис.11). Тогда остальные три заместителя образуют нечто вроде треножника, ножки которого направлены на зрителя.

Рис. 11

Если падение старшинства заместителей в ряду A>B>D осуществляется по часовой стрелке (как на рис 11), то центру присваивается конфигурационный дескриптор R ( от латинского слова rectus - правый). При другом расположении, когда стереохимическое старшинство заместителей падает против часовой стрелки, центру присваивается конфигурационный дескриптор S (от латинского sinister - левый).

При изображении соединений с помощью Фишеровских про­екций можно легко определить конфигурацию без построения пространственных моделей. Формулу надо записать так, чтобы младший заместитель находился внизу или вверху, так как по правилам представления проекций Фишера вертикальные связи направлены от наблюдателя (рис.12). Если при этом остальные заместители в порядке уменьшения старшинства располагаются по часовой стрелке, соединение относят к (R )-ряду, а если про­тив часовой стрелки, то к (S )-ряду, например:

Рис. 12

Если младшая группа не находится на вертикальных связях, то следует поменять ее местами с нижней группой, но следует помнить, что при этом происходит обращение конфигурации. Можно сделать две любые перестановки – при этом конфигурация не изменится.

Таким образом, определяющим является стереохимическое старшинство . Обсудим теперь правила последовательности старшинства , т.е. правила, по которым группы А,В,D и Е располагают в порядке приоритета.

Предпочтение по старшинству отдается атомам с большим атомным номером. Если номера одинаковы (в случае изотопов), то более старшим становится атом с наибольшей атомной массой (например, D>Н). Самый младший «заместитель» - неподеленная электронная пара (например, у азота). Таким образом, старшинство возрастает в ряду: не­поделенная пара

Рассмотрим простой пример: в бромхлорфторметане CHBrCIF (рис.13) имеется один стереогенный центр, и два энантиомера можно раз­личить следующим образом. Сначала ранжируют заместители по их стереохимическому старшинству: чем больше атомный но­мер, тем старше заместитель. Поэтому в данном примере Br > С1 > F > Н, где «>» обозначает «более предпочтителен» (или «старше»). Следующий шаг - рассмотреть молекулу со стороны, проти­воположной самому младшему заместителю, в данном случае во­дороду. Видно, что три остальных заместителя расположены в углах треугольника и направлены к наблюдателю. Если старшинство в этой тройке заместителей уменьшает­ся по часовой стрелке, то этот энантиомер обозначают как R . При другом расположении, когда старшинство заместителей падает против часовой стрелки, энантиомер обозначают как S . Обозначения R и S пишут курсивом и помещают в скобках перед названием структуры. Таким образом, два рассмотренных энантиомера имеют названия (S )-бромхлорфторметан и (R )-бромхлорфторметан.

Рис. 13

2. Если с асимметрическим атомом непосредственно связаны два, три или все четыре одинаковых атома, старшинство устанавливается по атомам второго пояса, которые связаны уже не с хиральным центром, а с теми атомами, которые имели одинаковое старшинство.

Рис. 14

Например, в молекуле 2-бром-3-метил-1-бутанола (рис.14) по первому поясу легко определяется самый старший и самый младший заместители – это бром и водород соответственно. Но по первому атому групп СН 2 ОН и СН(СН 3) 2 установить старшинство не удается, так как в обоих случаях это атом углерода. Для того чтобы определить, какая из групп старше, снова применяют правило последовательности, но теперь рассматривают атомы следующего пояса. Сравнивают два набора атомов (две тройки), записанных в порядке падения старшинства. Старшинство теперь определяют по первой точке, где обнаруживается различие. Группа С Н 2 ОН – кислород, водород, водород С (О НН) или в цифрах 6(8 11). Группа С Н(СН 3) 2 – углерод, углерод, водород С (С СН) или 6(6 61). Первая точка различия подчеркнута: кислород старше углерода (по атомному номеру), поэтому группа СН 2 ОН старше СН(СН 3) 2 . Теперь можно обозначить конфигурацию энантиомера, изображенного на рисунке 14 как (R ).

Если и такая процедура не привела к построению однозначной иерархии, ее продолжают на все более возрастающих расстояни­ях от центрального атома, пока, наконец, не встретятся разли­чия, и все четыре заместителя получат свое старшинство. При этом любое предпочтение, приобретаемое тем или иным заместителем на одной из стадий согласования старшинства, считается окончательным и на последующих стадиях переоценке не подле­жит.

3. Если в молекуле встречаются точки разветвления, процедуру установления старшинства атомов следует продолжать вдоль молекулярной цепи наибольшего старшинства. Предположим, следует определить последовательность старшинства двух заместителей, изображенных на рис.15. Очевидно, что решение не будет достигнуто ни в первом (С), ни во втором (С,С,Н) ни в третьем (С,Н,F,С,Н,Br) слоях. В этом случае придется переходить в четвертый слой, но сделать это следует по пути, преимущество которого установлено в третьем слое (Br >F). Следовательно, решение о приоритете заместителя В над заместителем А делается на основании того, что в четвертом слое Br >CI для той ветви, переход на которую диктуется старшинством в третьем слое, а не на основании того, что наибольшим атомным номером в четвертом слое обладает атом I (который находится на менее предпочтительной и поэтому не исследуемой ветви).

Рис. 15

4. Кратные связи представляются как сумма соответствующих простых связей. В соответствии с этим правилом каждому атому, связанному кратной связью, ставится в соответствие дополнительный «фантомный» атом (или атомы) того же сорта, расположенный на другом конце кратной связи. Комплементарные (дополнительные или фантомные) атомы заключаются в скобки, и считается, что они не несут никаких заместителей в следующем слое.В каче­стве примера рассмотрим представления следующих групп (рис.16).

Группа Представление

Рис. 16

5. Искусственное увеличение числа заместителей требуется и тогда, когда заместитель (лиганд) является бидентатным (или три-, или тетрадентатным),а также когда заместитель содержит циклический или бициклический фрагмент. В таких случаях каждая ветвь циклической структуры рассекается после точки ветвления [где она раздваивается сама по себе], и атом, являющий точкой ветвления, помещается (в скобках) в конце цепи, возникшей в результате рассечения. На рис.17 на примере производного тетрагидрофурана (ТГФ) рассмотрен случай бидентатного (циклического) заместителя. Две ветви пятичленного кольца (по отдельности) рассекаются по связям с хиральным атомом, который после этого добавляется к концу каждой из двух вновь образованных цепей. Видно, что в результате рассечения А получается гипотетический заместитель –СН 2 ОСН 2 СН 2 -(С), который оказывается старше, чем реальный ациклический заместитель -СН 2 ОСН 2 СН 3 по причине преимущества фантомного (С) на конце первого заместителя. Напротив, образованный в результате рассечения В гипотетический лиганд –СН 2 СН 2 ОСН 2 –(С) по старшинству оказывается ниже реального заместителя –СН 2 СН 2 ОСН 2 СН 3 , поскольку у последнего к концевому углероду присоединены три атома водорода, а у первого в этом слое нет ни одного. Следовательно, с учетом установленного порядка старшинства заместителей, конфигурационным символом для данного энантиомера оказывается S .

Определяют старшинство

Заместитель А

В >A

Заместитель А

Рис.17

Рис. 18

Сходный случай рассечения циклического заместителя поясняется на примере соединения на рис. 18 , где структура В иллюстрирует трактовку циклогексильного кольца (в структуре А ). В этом случае правильной последовательностью старшинства является ди-н -гесилметил > циклогексил > ди-н -пентилметил > Н.

Теперь мы достаточно подготовлены, чтобы рассмотреть такой заместитель, как фенил (рис.19 структура А ). Схему раскрытия каждой кратной связи мы обсудили выше. Поскольку (в любой структуре Кекуле) каждый из шести атомов углерода связан двойной связью с другим атомом углерода, то (в системе КИП) каждый углеродный атом кольца несет в качестве «заместителя» дополнительный углерод. Дополненное таким образом кольцо (рис.19, структура В ) затем раскрывается по правилам для циклических систем. В результате рассечение описывается схемой, изображенной на рис.19, структура С .

Рис. 19

6. Теперь мы рассмотрим хиральные соединения, в которых различия между заместителями носят не материальный или конституционный характер, а сводятся к различиям в конфигурации. Соединения, содержащие более одного хирального центра, будут рассмотрены ниже (см. раздел 1.4) Здесь же мы коснемся заместителей, которые отличаются цис– транс – изомерией (олефинового типа). Согласно Прелогу и Хельмхену, олефиновый лиганд, в котором старший заместитель, расположен по ту же сторону от двойной связи олефина, что и хиральный центр, обладает преимуществом над лигандом, в котором старший заместитель оказывается в транс –положении к хиральному центру. Это положение не имеет отношения ни к классической цис–транс- , ни к E –Z–номенклатуре для конфигурации двойной связи. Примеры изображены на рис.20.

Рис. 20

Соединения с несколькими хиральными центрами

Если в молекуле имеются два хиральных центра, то, поскольку каждый центр может иметь (R )- или (S )-конфигурацию, возможно существование четырех изомеров - RR , SS , RS и SR :

Рис. 21

Поскольку молекула имеет только одно зеркальное отображение, энантиомером соединения (RR ) может быть только изомер (SS ). Аналогично другую пару энантиомеров образуют изомеры (RS ) и (SR ). Если меняется конфигурация лишь одного асимметрическо­го центра, то такие изомеры называются диастереомерами. Диастереомеры - это стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами. Так, диастереомерны пары (RR )/(RS ), (RR )/(SR ), (SS )/(RS ) и (SS )/(SR ). Хотя в общем случае при сочетании двух хиральных центров образуются четыре изомера, сочетание центров одинакового хи­мического строения дает лишь три изомера: (RR ) и (SS ), являю­щиеся энантиомерами, и (RS ), находящийся в диастереомерном отношении к обоим энантиомерам (RR ) и (SS ). Типичным при­мером является винная кислота (рис.22), которая имеет только три изо­мера: пару энантиомеров и мезо-форму .

Рис. 22

мезо-Винная кислота является (R , S )-изомером, который оптически неактивен, поскольку объединение двух зеркально-симметричных фраг­ментов приводит к появлению плоскости симметрии (а). мезо-Винная кислота представляет собой пример ахирального соеди­нения мезо-конфигурации, которое построено из равного числа одинаковых по структуре, но разных по абсолютной конфигура­ции хиральных элементов.

Если в молекуле имеется п хиральных центров, максималь­ное число стереоизомеров можно рассчитать по формуле 2 n ; правда, иногда число изомеров будет меньше благодаря нали­чию мезо-форм.

Для наименований стереоизомеров молекул, содержащих два асимметрических атома углерода, два заместителя при каждом из которых одинаковы, а третьи отличаются, часто используют пре­фиксы эритро- и трео - от названий сахаров эритрозы и треозы. Эти префиксы характеризуют систему в целом, а не каждый хиральный центр в отдельности. При изображении та­ких соединений с помощью проекций Фишера в паре эритро- изомеров одинаковые группы располагаются с одной стороны, и если бы разные группы (С1 и Вг в приведенном ниже приме­ре) были одинаковы, получилась бы мезо-форма. В паре трео- изомеров одинаковые группы располагаются с разных сторон, и если бы разные группы были одинаковы, новая пара осталась бы энантиомерной парой.

Рис. 23

Все рассмотренныевыше примерысоединений имеют центр хиральности. Таким центром является асимметрический атом углерода. Однако, центром хиральности могут быть и другие атомы (кремния, фосфора, серы), как, например, в метилнафтилфенилсилане, о-анизилметилфенилфосфине, метил-п-толилсульфоксиде (рис. 24)

Рис. 24

Хиральность молекул, лишенных хиральных центров

Необходимым и достаточным условием хиральности молекулы является ее несовместимость со своим зеркальным изображением. Наличие единственного (конфигурационно устойчивого) хирального центра в молекуле является достаточным, но вовсе не необходимым условием существования хиральности. Рассмотрим хиральные молекулы, лишенные хиральных центров. Некоторые примеры приведены нарисунках 25 и 26.

Рис. 25

Рис. 26

Это соединения с осями хиральности (аксиальный тип хиральности ): аллены; алкилиденциклоалканы; спираны; так называемые атропоизомеры (бифенилы и похожие соединения, хиральность которых возникает благодаря затрудненному вращению вокруг простой связи). Другой элемент хиральности – плоскость хиральности (планарный тип хиральности ). Примерами таких соединений являются анса-соединения (в которых алициклическое кольцо слишком мало, чтобы ароматическое кольцо могло через него провернуться); парациклофаны; металлоцены. Наконец хиральность молекулы может быть связана со спиральной организацией молекулярной структуры. Молекула может заворачиваться либо в левую, либо в правую спираль. В этом случае говорят о спиральности (спиральный тип хиральности).

Для того чтобы определить конфигурацию молекулы, обладающей осью хиральности, необходимо ввести дополнительный пункт в правило последовательности: ближайшие к наблюдателю группы считаются старше удаленных от наблюдателя групп. Это дополнение необходимо сделать, так как для молекул с аксиальной хиральностью допустимо наличие одинаковых заместителей на противоположных концах оси. Применение этого правила к молекулам, изображенным на рис. 25, показано на рис. 27.

Рис. 27

Во всех случаях молекулы рассматриваются вдоль хиральной оси слева. При этом следует понимать, что если молекулы рассматриваются справа, то конфигурационный дескриптор останется тем же. Таким образом, пространственное расположение четырех опорных групп соответствует вершинам виртуального тетраэдра и может быть представлено с помощью соответствующих проекций (рис.27). Для определения соответствующего дескриптора пользуемся стандартными правилами R , S -номенклатуры. В случае бифенилов важно заметить, что заместители в кольце рассматриваются, начиная от центра (через который проходит ось хиральности) к перифирии, в нарушении стандартных правил последовательности. Так, для бифенила на рис. 25 правильная последовательность заместителей в правом кольце С-ОСН 3 >С-Н; атом хлора слишком удален, чтобы принимать его во внимание. Опорные атомы (те, по которым определяют конфигурационный символ) оказываются теми же самыми, если молекулу рассматривать справа. Иногда, чтобы отличить аксиальную хиральность от других типов, используют дескрипторы aR и aS (или R a и S a ), однако использование префикса «a » не носит обязательного характера.

Альтернативно, молекулы с осями хиральности можно рассматривать как спиральные, и их конфигурацию можно обозначать символами Р и М . При этом для определения конфигурации рассматриваются только заместители с высшим приоритетом как в передней, так и задней (удаленной от наблюдателя) части структуры (заместители 1 и 3 на рис.27). Если переход от переднего заместителя 1 с высшим приоритетом к приоритетному заднему заместителю 3 осуществляется по часовой стрелке, то это конфигурация Р ; если против часовой стрелки, - это конфигурация М .

На рис. 26 показаны молекулы с плоскостями хиральности . Дать определение плоскости хиральности не так легко, и оно не столь однозначно, как определение центра и оси хиральности. Это плоскость, которая содержит как можно больше атомов молекулы, но при этом не все. Фактически хиральность потому (и только потому), что по крайней мере один заместитель (чаще больше) не лежит в плоскости хиральности. Так, хиральной плоскостью анса-соединения А является плоскость бензольного кольца. В парациклофане В в качестве хиральной плоскости рассматривается наиболее замещенное (нижнее) кольцо. Для того чтобы определить дескриптор для планарно-хиральных молекул, на плоскость смотрят со стороны ближайшего к плоскости, но не лежащего в этой плоскости атома (если имеется два или более кандидата, то выбирается тот, который находится ближе к атому с высшим приоритетом согласно правилам последовательности). Этот атом, иногда называемый пробным или пилотным атомом, на рис.26 отмечен стрелкой. Тогда, если три последовательных атома (a, b, c) c наивысшим приоритетом образуют в хиральной плоскости ломаную линию, изгибающуюся по часовой стрелке, то конфигурация соединения pR (или R p ), а если ломаная линия изгибается против часовой стрелки, то дескриптор конфигурации pS (или S p ). Планарная хиральность, подобно аксиальной хиральности, может альтернативно рассматриваться как разновидность хиральности. Для того чтобы определить направление (конфигурацию) спирали, нужно рассматривать пилотный атом вместе с атомами a,b и c, как они определены выше. Отсюда видно, что pR -соединениям соответствует Р-, а pS - соединениям – М –спиральность.