Лекция 2.1. Пространственное cтроение

ЛЕКЦИЯ 02. Пространственное строение.doc
ЛЕКЦИЯ 02. Пространственное строение.ppt
ТЕМА 2.1 ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ (СТЕРЕОХИМИЯ)

Реальные трехмерные молекулы химик изображает с помощью структурных формул на плоском листе бумаги, как это предписывает теория химического строения. По этой причине наша химическая мысль развивается, прежде всего, в двумерном пространстве. До поры до времени это не вредит делу, потому что многие макроскопические проявления химической индивидуальности того или иного вещества (цвет, физическое состояние или даже реакционную способность) можно охарактеризовать только скалярными (не имеющими выражен­ного направления) параметрами его внутреннего строения. Однако остаются еще и векторные (стереонаправленные) корреляции между химическими свойствами и признаками молекулярных систем. Мы рискуем просто потерять их, если в своем химическом сознании так и не сумеем выйти за пределы плоского двумерного листа бумаги. Вот почему, совершенно необходимо отдельно обсудить все те специальные научные аспекты современной химии, которые связаны с проникновением химического воображения именно в трехмерное пространство, рассмотреть пространственное строение органических соединений (стереохимию).

Стереохимические представления начали утверждаться в органической химии более ста лет тому назад. В настоящее время стереохимические явления (стереоизомерия, конформационный анализ, динамическая стереохимия) изучены основательно и показана их важная роль в решении основной проблемы химии – создании материалов и веществ с заданными свойствами.

Основой стереохимических представлений в органической химии является стереохимическая теория Вант-Гоффа–Ле-Беля.

     2.1 СТЕРЕОХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВАНТ-ГОФФА–ЛЕ-БЕЛЯ

Предпосылкой для возникновения стереохимической теории явилось невозможность объяснения свойств некоторых органических соединений с точки зрения плоскостного строения, с точки зрения теории химического строения А.М.Бутлерова.

Так, например, теория химического строения предполагала существование только одной молочной кислоты, строение которой изображалась структурной формулой (2.1):

На самом же деле существует три молочных кислоты: мясо-молочная кислота с т.пл.25-26OC, [α]20D = -2,26O, правовращающая молочная кислота с т.пл.25-26OC, [α]20D = +2,3O и молочная кислота брожения с т.пл.18OC, [α]20D = 0O.

Также невозможно было объяснить различие между фумаровой (т.пл. 287 OC, растворимость в воде 1:150, встречается в природе, не ядовита, не образует ангидрид) и малеиновой (т.пл. 130 OC, растворимость в воде 1:2, не встречается в природе, ядовита, образует ангидрид) кислотами, обе имеют одинаковую брутто-формулу и обе являются двухосновными.

В 1874 г. Якоб Генрих Вант-Гофф опубликовал работу под заголовком «Химия в пространстве», в которой, созданное Бутлеровым представление о химическом строении дополнил представлением о пространственном расположении атомов в молекуле.

В соответствии с теорией Вант-Гоффа углеродный атом не является плоским. Четыре валентности углеродного атома направлены к четырем углам тетраэдра, в центре которого находится углеродный атом (2.2).

Из этого неизбежен вывод, что когда у углеродного атома все четыре заместителя различны, возникают две формы (оптические антиподы), которые нельзя совместить в пространстве (2.3).

Рассматривая структурные формулы веществ, способных существовать в виде двух оптических антиподов (молочная кислота), Вант-Гофф установил, что они содержат атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Таким образом, возникла мысль, что две пространственные геометрические модели отвечают двум реально существующим объектам – оптическим анти­подам.

Атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями Вант-Гофф назвал асимметрическим атомом. Следовательно, причиной оптической активности является наличие асимметрического атома, вызывающего появление двух пространственных форм мо­лекулы, двух оптических антиподов. Оптические антиподы отличаются друг от друг, прежде всего отношением к поляризованному свету. Если один антипод спо­собен вращать плоскость поляризации света на некий угол в одну сторону   (например, влево), то второй антипод будет вращать плоскость поляризации на тот же самый угол в противоположную сторону (например, вправо). Оба тетраэдра относятся друг к другу как предмет к своему изобра­жению в зеркале; поэтому оптическую изомерию называют также зеркальной изомерией. Для обозначения пары оптических антипо­дов пользуются часто названием «энантиомерные (или энантиоморфные) формы», «энантиомеры».

Таким образом, с помощью предложенной Вант-Гоффом (а ныне физически доказанной) тетраэдрической модели углеродного атома можно объяснить появление двух оптических антиподов веществ, в молекуле которых имеется асимметрический атом угле­рода. Однако этим далеко не исчерпываются все возможности тетраэдрической модели. Продолжая рассуждения, Вант-Гофф переходит от соединений, в молекулы которых входит один атом углерода, к соединениям более сложным, молекулы которых содержат два и более углеродных атомов.

Известно, что соединения типа С2Х6 (простейший случай— этан) стереоизомеров не имеют. Между тем, если построить соответ­ствующую тетраэдрическую модель (два тетраэдра, соприкасаю­щиеся одной из вершин), то можно предвидеть бесконечное множе­ство взаимных поворотов пары тетраэдров по простой С-С-связи. Например, молекулу этана можно изобразить в двух вариантах (2.5 и 2.6) при рассмотрении модели молекулы (2.4) «сверху» вдоль оси, соединяющей углерод­ные атомы.

Отсутствие подобных изомеров заставляет предположить, что либо всегда по каким-то причинам (например, энергетическим) реализуется только одно из возможных геометрических положе­ний, либо существует свободное вращение. Так, сочетая тетра­эдрическую модель с методом «соответствия числа изомеров», Вант-Гофф вывел «правило свободного вращения вокруг простой связи».

В настоя­щее время считают, что «изомеры» типа изображенных выше (2.4-2.6) в ряде случаев существуют. Однако они столь легко пе­реходят друг в друга, что разделить их обычно не удается. Такие изомеры называют поворотными изомерами. Говорят также, что молекула в этих случаях обладает различной конформацией .

Молекулу вещества, содержащего два углеродных атома, соединенных двойной связью, можно представить в виде модели, в которой тетраэдры соприкасаются двумя вершинами (2.7):

Эта модель наглядно показывает, что свободного вращения по двойной связи в этих соединениях быть не может (для этого в мо­мент поворота: должен был бы происходить разрыв связи). Но в таком случае при наличии двух разных заместителей у каждого из ненасыщенных атомов должны возникать две геометрические формы—цис- и транс-. Этому отвечает существование геометриче­ских изомеров (фумаровой и малеиновой кислот).

Молекулы с тройной связью изображаются моделью, в которой тетраэдры соприкасаются тремя вершинами, т. е. одной из гра­ней (2.8):

Это значит, что в молекуле X—С≡С—X все четыре атома должны располагаться на одной прямой. Отсюда следуют отвечающие экспериментальным фактам выводы, что у молекул рассматри­ваемого типа не может быть и действительно не существует гео­метрических изомеров.

Пользуясь тетраэдрической моделью, Вант-Гофф высказал пред­положение, что оптическая изомерия может проявляться у ве­ществ, молекулы которых не содержат асимметрического атома. В частности, Вант-Гофф предсказал, что у соединений алленового типа (2.9) должны существовать оптические антиподы:

Во времена Вант-Гоффа соединения такого типа были неизвестны, но когда в 30-х годах XX столетия подобные соединения были получены, предсказание Вант-Гоффа оправдалось. Алленовые соединения представляют один из примеров молекулярной асимметрии, которая возникает не вследствие наличия асиммет­рического атома углерода, а из-за асимметрии молекулы в целом.

Чтобы покончить с рассмотрением истории возникновения основ стереохимии, следует сказать несколько слов о французском ученом Ле-Беле, имя которого упоминается обычно наряду с именем Вант-Гоффа в связи с созданием стереохимической гипо­тезы. Действительно, двумя месяцами позднее Вант-Гоффа и не­зависимо от него Ле-Бель опубликовал работу, в которой объ­яснял появление оптической активности пространственными осо­бенностями строения молекул примерно так же, как это сделал и Вант-Гофф. В приложении к объяснению причин оптической активности при наличии так называемого «асимметрического атома» оба подхода давали одинако­вый результат, однако более четко сформулированная теория Вант-Гоффа оказалась значительно плодотворнее при объяс­нении ряда других фактов.

В последующие годы гипотеза Вант-Гоффа –Ле-Беля получила экспериментальное подтверждение и превратилась наряду с теорией химического строение в основополагающую теорию органической химии.

2.2 АСИММЕТРИЯ И ХИРАЛЬНОСТЬ

Исходя из стереохимической теории Вант-Гоффа – Ле-Беля следует, что органическое соединение обладает оптической активностью, если его молекула асимметрична, т.е. не обладает ни центра, ни осью, ни плоскостью симметрии. Однако есть среди опти­чески активных соединений и такие, молекулы которых не асимметричны. Рассмотрим в качестве примера проекционную формулу оптически активной винной кислоты (2.10): в ней есть один элемент симметрии — ось в центре молекулы, проходящая перпендикулярно к плоскости чертежа (в формуле эта ось отмечена точкой):

При повороте вокруг этой оси на 180° формула совпадает с исходной.

Этот пример показывает, что оптически активные молекулы могут иметь оси симметрии – в них не должно быть лишь плоскостей и центров симметрии. Поскольку термин «асимметрические» оказался таким образом неточным, моле­кулы, удовлетворяющие указанному выше условию, предло­жено называть «хиральными», происходящее от греч. χειρ — рука.

Следует запомнить, что об оптически активных веществах всегда можно сказать, что их молекулы хиральны, но они не обязаны всегда быть асимметричными.

Таким образом, органические соединения являются оптически активными, если их молекулы являются хиральными.

Хиральность – свойство молекулы быть не совместимым со своим отображением в идеальном плоском зеркале.

В настоящее время различают следующие типы элементов хиральности: хиральный центр, ось хиральности, плоскость хиральности, спиральность.

Атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями (a,b,c,d), называется асимметрическим атомом углерода и символически обозначается как C*. Такая молекула хиральна и две возможные пространственные формы можно представить следующим образом (2.11):

Если, как в этом примере, асимметрический атом углерода (в общем случае – любой асимметрический атом) находится в центре хирального геометрического расположения атомов, то он образует центр хиральности.

Кроме атома углерода центрами хиральности могут быть четырехвалентные асимметрические атомы других элементов, например кремний в силанах ( 2.12), азот в четвертичных аммониевых солях (2.13) и аминооксидах (2.14), а также фосфор в фосфониевых солях (2.15) и фосфиноксидах (2.16).

Трехвалентные атомы элементов третьего периода, имеющие пирамидальную структуру также могут быть асимметрическими, а, следовательно, являться центрами хиральности, если они связаны с тремя разными заместителями. Примером этому служат фосфор в фосфинах (2.17) или сера в сульфониевых солях (2.18) и сулфоксидах (2.19).

Трехвалентные атомы элементов второго периода, имеющие пирамидальную структуру, таких как углерод в карбанионах, азот во вторичных и третичных аминах, кислород в оксониевых солях подвержены пирамидальной инверсии. Пирамидальная инверсия обусловлена быстро протекающим обратимым превращением энантиомеров друг в друга.

Если в молекуле четыре заместителя a,b,c и d попарно расположены на одной оси, но не лежат в одной плоскости, такая ось называется осью хиральности (2.20).

            Такая форма оптической активности, не связанная с наличием асимметрического атома, свойственна алленам (2.21), алкилиденциклоалканам (2.22), спиранам (2.23) и бифенилам (атропоизомерия) ( 2.24).

Оптическая активность может быть обусловлена также наличием плоскости хиральности, относительно которой две части молекулы отличны друг от друга. Примером могут служить ансасоединения (2.25).

Спиральность представляет собой особый вид хиральности. Молекулы биополимеров, таких как полисахариды, полипептиды, белки, полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты, можно описать с помощью спирали (винта). Спираль всегда хиральна, помимо своей оси и шага она характеризуется также и типом винтообразного движения. Последний может быть или правовращающим (вращение по часовой стрелке с перемещением по оси в направлении от наблюдателя; символ «P», от «плюс») или левовращающим (символ «M», от «минус»).

В таких соединениях как гелицены (2.26) расположение ароматических колец в одной плоскости невозможно, вследствие чего они имеют спиральную структуру и существуют в виде пары оптических изомеров.

2.3. КОНФИГУРАЦИЯ

     Конфигурация – пространственное расположение заместителей вокруг стерических центров. В качестве стерических центров рассматриваются элементы хиральности.

2.3.1 ЭНАНТИОМЕРИЯ

     Если имеется только один элемент хиральности, то такая молекула существует в виде пары энантиомеров и этот вид оптической изомерии носит название энантиомерия. В общем курсе органической химии в основном рассматривается энантиомерия в присутствии только одного элемента хиральности – центра хиральности, который совпадает с асимметрическим атомом углерода.

В качестве классического примера энантиомерии служит молочная кислота (2.27). Молекула молочной кислоты содержит асимметрический углеродный атом, с которым совпадает хиральный центр. По этой причине молочная кислота существует в виде правовращающего энантиомера с т.пл.25-26OC, левовращающего энантиомера (мясо-молочная кислота с т.пл.25-26OC). Равная смесь обоих энантиомеров является рацемической модификацией и известна, как синтетическая или молочная кислота брожения с т.пл.18OC, она , естественно, является оптически неактивной.

Оба энантиомера обладают противоположной конфигурацией, но одинаковым химическим строением. Поскольку химическое строение у них одинаковое они обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами по отношению к ахиральным объектам. Это следует из теории химического строения А.М.Бутлерова. Отличаются энантиомеры друг от друга лишь знаком (но не величиной) оптического вращения, а также химическими свойствами по отношению к хиральным объектам.

Для лучшего понимания приведенных общих закономерностей рекомендуется представить собственные ладони как пару энантиомеров. Ладони являются хиральными, относятся друг к другу как предмет и зеркальное изображение, не могут быть совмещены друг с другом. Ладони имеют разную конфигурацию, но одинаковое строение. По этой причине ими можно одинаковым образом взять, например, карандаш (ахиральный объект). Но отношение ладоней к хиральному объекту, например, перчатке с левой руки, будет отличаться. Перчатка с левой руки наденется только на левую руку, но не на правую.

Пространственное строения молочной кислоты, мо­лекулы с асимметрическим атомом углерода , мы изображали с помощью тетраэдра, что не всегда удобно. Вместо подобных рисунков Эмиль Герман Фишер (1852-1919) в 1891 г. предложил пользоваться условным изображением конфигурации на плоскости,   так называемыми   «проекционными формулами»:

Для написания проекционной формулы молочной кислоты тетраэдр располагают так, чтобы одно горизонтальное ребро оказалось повернутым к наблюдателю, и переносят видимую при таком расположении кар­тину на плоскость бумаги. Для энантиомеров получают­ся тогда проекционные формулы (2.28) и (2.29). Пользуясь ими, надо всегда представлять себе, что связанные вертикальной пунктирной линией замести­тели (в нашем примере COOH, CH3) находятся за плоскостью чертежа, а связанные горизонтальной сплошной линией (в нашем примере OH, H) – высту­пают вперед. Сам асимметрический атом находится в плоскости чертежа на пересечении обеих линий.

Общие правила пользования проекционными формулами та­ковы:

  1. Проекционные формулы можно поворачивать в плоскости чертежа только на 180O, но нельзя поворачивать на 90° или выво­дить из плоскости чертежа. При повороте на 90 или 270°, а также при повороте с выводом из пло­скости чертежа формула изменяется на проекционную формулу антипода (2.30).
  1. Любая проекционная формула с одним асимметрическим атомом при перестановке двух стоящих у асимметрического атома групп превращается в формулу антипода(2.31).
  1. При перестановке трех стоящих у асимметрического атома групп стереохимический смысл формулы не изменяется (2.32).
  1. Проекционные формулы Фишера принято изображать в стандартном виде: наверху должна находится главная функция (начало цепи), главная цепь идет сверху вниз, направо и налево от главной цепи располагаются заместители.

Номенклатура пространственных изомеров изложена в учебном пособии А.А.Вшивков, Ю.Г.Ятлук, А.В.Пестов. Номенклатурные правила ациклических, ароматических, гетероциклических углеводородов и их производных. Екатеринбург, Изд-во Урал.ун-та, 2008,172 с.

2.3.2 ДИАСТЕРЕОМЕРИЯ

В настоящее время понятие «диастереомерия» объединяет два стереохимических явления: σ-диастереомерию – классическую диастереомерию, обусловленную существованием в молекуле нескольких хиральных элементов и π-диастереомерию – геометрическую (цис-,транс-) изомерию.

Диастереомеры – устойчивые, изолируемые в индивидуальном состоянии пространственные изомеры, различающиеся физическими и химическими свойствами. Именно эта последняя особенность, общая для классических диастереомеров и геометрических изомеров, послужила основанием для современного, расширенного пред­ставления о диастереомерии.

               2.3.2.1 σ –ДИАСТЕРЕОМЕРИЯ

     Если имеется более, чем один элемент хиральности, то такая молекула существует в виде нескольких σ –диастереомеров. Таким образом σ –диастереомеры – пространственные изомеры, отличающиеся конфигурацией лишь при одном элементе хиральности и не являющиеся оптическими антиподами.

В общем курсе органической химии в основном рассматривается σ –диастереомеры, имеющие два и более центров хиральности, совпадающие с асимметрическими атомами углерода.

С целью изложения основных понятий σ –диастереомерии следует рассмотреть два типа σ –диастереомеров, имеющих разные и одинаковые хиральные центры.

В качестве примера соединений с разными хиральными центрами рассмотрим хлоряблочную кислоту (2.33):

Ее пространственные изомеры изображаются следующими проекционными формулами (2.34):

Названия эритро- и трео- происходят от названий угле­водов эритрозы и треозы. Эти названия употребляют для указания взаимного положения заместителей у соединений с двумя асимметрическими атомами: эритро-изомерами называют те, у которых два одинаковых боковых заместителя стоят в стандартной проекционной формуле по одну сторону (справа или слева); трео-изомеры имеют одинаковые боковые заместители по разные стороны главной цепи. В данном учебном пособии R,S-номенклатура не применяется.

Для запоминания названий трео- и эритроможно рекомендовать сле­дующее мнемоническое правило:

Два эритро-изомера представляют собой пару оптических антиподов (энантиомеров), при их смешении образуется рацемическая модификация, которая является оптически неактивной. Парой опти­ческих антиподов (энантиомеров) являются и трео-формы, они тоже дают при смешении рацемическую модификацию, отличающуюся по свойствам от рацемической модификации трео-формы. Если же сравнивать (-)-эритро- с (-)-трео-изомером, то очевидно, что они отличаются конфигурацией только при одном асимметрическом атоме углерода, следовательно они являются диастереомерами . Точно также диастереомерами являются (-)-эритро- и (+)-трео-изомеры, (+)-эритро- и (-)-трео-изомеры, а также (+)-эритро- и (+)-трео-изомеры. Диастереомеры отличаются друг от друга не только опти­ческим вращением, но и всеми другими физическими кон­стантами: у них разные температуры плавления и кипения, разные растворимости, разные коэффициенты адсорбции и др. Различия в свойствах диастереомеров зачастую ничуть не меньше, чем различия в свойствах между структурными изомерами.

Таким образом, всего существуют четыре оптиче­ски активных изомера хлоряблочной кислоты и две раце­мических модификации. Свойства их приведены в табл. 2.1.

Свойства хлоряблочных кислот

                                                                                                                                        Таблица 2.1

Название (-)-эритро- (+)-эритро- (+)-трео- (-)-трео-
Температура

плавления.,OC

 

173

 

173

 

167

 

167

Удельное оптическое вращение, [α]D -31,3* +31,3* +9,4** -9,4**
Температура

плавления.,OC

Рацемическая модификация I

(эритро-форма)

146

Рацемическая модификация II

(трео-форма)

153

 

*В этилацетате

**В воде

При дальнейшем росте числа хиральных центров число пространственных изомеров возрастает, причем каждый новый хиральный центр вдвое увеличивает число изо­меров. Оно определяется формулой 2n, где п — число хиральных центров.

Число стереоизомеров может уменьшаться из-за частичной симметрии, появляющейся в некоторых структурах. Примером может служить винная кислота, у которой имеется два одинаковых хиральных центра. Их проекцион­ные формулы:

Формула (2.35 ) идентична с формулой (2.36): превращается в нее при повороте на 180° в плоскости чертежа и, следовательно, не изображает нового стереоизомера. Таким образом, число индивиду­альных стереоизомеров сокращается до трех, а самих винных кислот будет четыре. Свойства их приведены в табл. 2.2.

Свойства винных кислот

                                                                                                                                      Таблица 2.2

Кислота (+)винная (-)винная виноградная мезовинная
[α]D25 20% H2O +12 -12 0 0
Температура

плавления.,OC

170 170 206 140
Константа диссоциации  

 

 

 

 

 

 

 

K1·103 1,17 1,17 1,17 0,77
K2·105 5,9 5,9 5,8 1,6
Растворимость, г в 100 г.воды 139 139 20,6 125
Растворимость кислой калиевой соли трудно трудно трудно легко

Формулы (2.37) и (2.38) изображают оптические антиподы вин­ной кислоты; при смешении антиподов образуется оптически неактивная рацемическая модификация — оптически неактивная виноградная кислота.

У винной кислоты существует, однако, еще одна оптически неактивная форма – так называемая мезо-форма, изо­бражаемая формулой (2.35). В отличие от рацемической модификации (виноградной кислоты), которая может быть расщеплена на оптические антиподы, мезо-форма принципиально нерасщепляема: каждая ее молекула имеет один хиральный центр одной конфигурации, а второй – противоположной. В итоге происходит внутримолекулярная компенсация вращения обоих хиральных центров.

мезо-Формы имеются у всех оптически активных веществ с несколькими одинаковыми (т. е. связанными с одинаковыми заместителями) хиральными центрами. Проекционные формулы мезо-форм можно узнать по тому, что их всегда можно разделить горизонтальной линией на две половины, которые по записи на бумаге формально идентичны, в дейст­вительности же зеркальны (2.39):

     Таким образом, у винной кислоты есть одна пара энантиомеров (право- и левовращающие винные кислоты) и две пары диастереомеров : мезо-форма и (+)-винная кислота, мезо-форма и (-)-винная кислота.

В соединениях с тремя одинаковыми асимметрическими атомами появляется возможность существования двух опти­чески активных и двух мезо-форм. Примером может служить триоксиглутаровая кислота (2.40):

Обратим внимание на центральный атом углерода триоксиглутаровой кислоты – является ли он асимметрическим или нет? В формулах (2.41) и (2.42) центральный атом явно не асиммет­ричен, поскольку сверху и снизу находятся структурно и конфигурационно одинаковые остатки. В формулах (2.43) и (2.44) эти остатки структурно по-прежнему одинаковы, конфигура­ционно же противоположны. Такое различие не создает оп­тической активности (об этом свидетельствует отсутствие вращения у мезо-форм А и Б), однако влияет на химические свойства, как видно из различного отношения обеих мезо-форм к нагреванию (мезо-форма А легко образует лактон, мезо-форма Б его столь легко не образует).

Атом рассматриваемого типа называют псевдоасимметри­ческим. Он превращается в настоящий асимметрический атом, как только исчезает структурная идентичность «верхней» и «нижней» частей молекулы. Так, например, кислый эфир триоксиглутаровой кислоты имеет уже три настоящих асиммет­рических атома и существует в виде 8 стереоизомеров.

В ряду алициклических соединений имеют место аналогичные отно­шения.

Приступая к рассмотрению стереохимии алициклов, следует договорится прежде всего относительно способов условного изображения цикли­ческих структур. В одном из способов передачи пространственного строения циклов на плоскости представляют себе, что цикл лежит в плос­кости, перпендикулярной к плоскости чертежа, а заместители — выше и ниже цикла (2.45) и (2.46). По другому способу цикл условно представляют себе лежащим в плоскости чертежа, заместители — ближе к наблюдателю (зачерненные клинья) и дальше от него (пунктирные клинья) (2.47 ) и (2.48 ).

Молекула 2-метилциклопропанкарбоновой (2.49) кислоты содержит два различных асимметрических атома (хиральных центра) углерода.

В соответствии с этим существуют две диастереомерные пары энантиомеров, т. е. всего четыре конфигурационных изомера:

В энантиомерах (2.50) и (2.51) оба заместителя находятся по разные стороны от плоскости кольца; такую форму называют транс­-формой. В противоположность этому в (2.52) и (2.53) 2-метил-циклопропанкарбоновых кислотах мы имеем дело с цис-формой. По­этому диастереомеры 2-метилциклопропанкарбоновой кислоты назы­вают цис-транс-изомерами, понимая под этим термином стереоизомеры, отличающиеся лишь положением заместителей относительно плоскости.

В случае алициклических соединений, имеющих в кольце два оди­наковых асимметрических С-атома (таких как циклопропан-1,2-дикарбоновая кислота) возможно существование лишь трех конфигурационных изомеров: пары энантиомеров (транс-форма) [(2.54) и (2.55)] и мезо-формы (цис-форма) (2.56 ).

Это примеры совместного существования двух типов пространственной изомерии: σ- и π-диастереомерии.

            2.3.2.2 π –ДИАСТЕРЕОМЕРИЯ

     Как уже говорилось, конфигурация определяется как пространственное расположение заместителей вокруг стерических центров. Если в качестве стерического центра выступают двойная связь или цикл, то мы переходим к рассмотрению π –диастереомерии (цис-транс-изомерии, геометрической изомерии).

Необходимым и доста­точным условием существования диастереомерных алкенов общей фор-мулы аbС=Ссd является а ≠ b и с ≠ d, тогда как равенства а=с и b=d возможны.

Два получающихся при этом диастереомера (2.57) различаются конфигу­рацией у одного из атомов углерода, связанных с двойной связью. Для их обозначения долгое время использовали префиксы цис~ и транс-. Однако этот способ дает однозначный результат лишь тогда, когда у каждого из атомов углерода, связанных двойной связью, стоит по крайней мере по одой одинаковой группе. В таком случае префикс цис- означает, что такие одинаковые группы находятся по одну сторону, а транс- — по разные стороны двойной связи (2.58).

π –Диастереомеры имеют одинаковое химическое строение (одинаковый порядок химической связи атомов), различаясь по пространственному расположению атомов, по конфигурации. Это различие и создает разницу в физических и химических свойствах.

Диастереомерия может быть обусловлена также наличием двойной связи C=N, как, например, в оксимах (2.59), или двойной связи N=N,как, например, в случае азо- или азоксисоединений (2.60):

Наличие в ациклической цепи нескольких двойных связей может привести к появлению большего числа геометрических изомеров. Например,1,4-дифенилбутадиен-1,3 имеет три изомера (2.61):

Цис-транс-изомерия возникает и в циклических системах(2.62):

Цис- и транс-3-метилциклобутановые кислоты представляют собой диастереомеры, не содержащие асимметрического атома углерода. В циклических соединениях имеется своя особенность, заключающаяся в том, что возможно одновременное существование σ- и π-диастереомерии.

2.4 КОНФОРМАЦИЯ

Переход от простейшего органического вещества – метана, к его ближайшему гомологу — этану ставит перед изучающим органическую химию новые проблемы пространственного строения, для решения которых недостаточно знать рассмотренные в раз­деле 2.3 параметры. Не изменяя ни валентных углов, ни длин связей, можно представить себе множество геометрических форм молекулы этана. Эти формы отлича­ется друг от друга взаимным поворотом углеродных тетра­эдров вокруг соединяющей их связи С—С.

Отсут­ствие реально существующих изомеров этана и других подоб­ных соединений, отличающихся диэдральным углом φ, долгое время заставляло предполагать, что в этом и во всех других случаях вращение вокруг простых связей совершенно сво­бодно. Однако экспериментальные факты показали, что вращение вокруг простых связей не вполне свободно; что в результате такого вращения возникают поворотные изомеры (конформеры), отличающиеся друг от друга конформациями.

Энергия различных конформеров неодинакова, а поэтому не­одинакова и вероятность нахождения молекулы в данном состоянии. Молекулы органических соединений стремятся пу­тем поворота вокруг простых связей принять наиболее устойчивую при данных условиях, энергетически выгодную форму. Энергетический барьер, разделяющий различные по­воротные изомеры, обычно невелик. Поэтому при обычных условиях, как правило, нельзя зафиксировать молекулы в од­ной строго определенной конформации: обычно сосуществуют несколько легко переходящих друг в друга поворотных форм.

     2.4.1 КОНФОРМАЦИИ АЛКАНОВ

Рассмотрение понятия конформация начнем с молекулы этана. Для нее можно предвидеть существование двух максимально различающихся по энергии конформаций. Они изображены ниже в виде перспективных проекций (2.63- 2.64), боковых проекций (2.65- 2.66) и формул Ньюмена (2.67-2.68 ).

В перспективной проекции («лесопильные козлы») (2.63) и (2.64) связь С—С надо представить себе уходящей вдаль. Стоящий справа углеродный атом приближен к наблюдателю, стоящий слева – удален от него.

В боковой проекции два Н-атома и два C-атома лежат в плоскости чертежа. Черные («жирные») клино­видные связи утолщением клина указывают на выход из плоскости по направлению к наблюдателю того атома, к которому обращено утолщение, светлые клиновидные (или пунктирные) связи означают удаление от наблюдателя.

В проекции Ньюмена (2.67) и (2.68) молекулу рассматривают вдоль связи С—С (в направлении, указанном стрелкой в верхней части, при формулах (2.63) и (2.64). Три линии, расходящиеся под углом 120° из центра круга, обозначают связи ближайшего к наблюдателю углеродного атома; линии, «высовывающиеся» из-за круга – связи удаленного углеродного атома. На проекциях Ньюмена указаны и условные обозначения конформации с помощью диэдрального угла φ: он отсчитывается в общем случае между двумя старшими заместителями по часовой стрелке и выражается в условных единицах, равных 60°.

Изображенную слева конформацию φ° (2.67) называют заслоненной: название это напоминает о том, что атомы водо­рода обоих CH3– групп находятся друг против друга (это особенно ясно видно в проекции Ньюмена). Другое название этой конформации — четная, поскольку в этом случае φ = 0, 2, 4.

Конформацию φ 1 (2.68), изображенную справа, называют заторможенной, подразумевая, что свободное вращение во­круг связи С—С «тормозится» в этом положении, т. е. мо­лекула существует преимущественно в этой конформации. Поворотные изомеры такого типа называют также нечетными (φ =1,3,5).

Как общее правило, заслоненные (четные) конформации не могут реализоваться без искажения нормальных углов и длин связей; такие конформации имеют повышенную внут­реннюю энергию, и поэтому невыгодны. Молекулы практиче­ски существуют только в нечетных, заторможенных конформациях.

С усложнением молекулы число возможных заметно раз­личающихся энергетически конформации возрастает. Так, для н-бутана можно изобразить уже шесть конформации, отлича­ющихся взаимным расположением CH3-групп, т. е. поворотом вокруг центральной связи С—С. Ниже конформации н-бутана изображены в виде проекций Ньюмена (2.69) и (2.70).

Изображенные слева заслоненные (четные) конформации (2.69) энергетически невыгод­ны: практически реализуются лишь нечетные (φ1, φ3, φ5), за­торможенные конформации (2.70). Они имеют специальные назва­ния: φ3– трансоидная конформация; φ1 и φ5 — скошенные конформации.

Таким образом, конформации – это различные неидентичные пространственные формы молекулы, имеющие определенное строение и определенную конфигурацию и находящиеся в подвижном равновесии, способные к взаимопревращению путем вращения по простым связям.

     2.4.2 КОНФОРМАЦИИ ДИЕНОВ

Исходя из определения конформации данной в разделе 2.4.1 следует предположить, что диеновые-1,3 углеводороды с сопряженной системой двойных связей и их аналоги могут существовать в виде двух конформаций, различающихся поворотом вокруг центральной (single – s простой) C-C-связи: s-транс- (2.71) и s-цис- (2.72). Соответствующие конформеры можно также назвать трансоидным и цисоидным.

В простейшем случае для бутадиена-1,3 более устойчива трансоидная конформация, так как в цисоидной возникают неблагоприятные взаимодействия.

2.4.3 КОНФОРМАЦИИ ЦИКЛОВ

Своеобразие стереохимии циклических структур определяется, прежде всего, двумя характерными особенностями. Во-первых, в циклах приходится иметь дело со всеми градациями кон-формационной подвижности. Циклопропан представляет со­бой жесткую систему, стереохимически мало отличающуюся от двойной углерод – углеродной связи. С другой стороны, высшие циклы (12 звеньев и больше) по своей конформационной подвижности мало отличаются от алифатических цепей. Между этими крайними точками находится очень интересная область циклов с частичной, своеобразной для каждого конкретного представителя ряда, конформационной подвижностью. Поэтому, вопросы конформации приобретают здесь особое значение.

Во-вторых, два главных типа пространственной изоме­рии – σ- и π-диастереомерии, в ациклическом ряду встречающиеся раздельно, могут в циклических соединениях определенного строения проявляться одновременно.

Углеродный скелет простейшего алициклического соедине­ния — циклопропана — представляет собой равносторонний плоский треугольник с валентными углами 60° (2.73). При этом реализуются только невыгодные заслоненные (четные) конформации.

Все остальные, начиная с четырехчленного, имеют неплоское строение. Циклобутан имеет форму квадрата, несколько изогнутого по диагонали («угол складчатости» θ составляет 20-30O) (2.74). Для циклопентана наиболее устойчива конформация «конверта» (2.75 ).

В отличие от вышеперечисленных циклоалканов, циклогексан может существовать в виде двух конформаций: наиболее стабильная конформация «кресло» (2.76 ) и менее стабильная конформация «ванна» (2.77 ).

Рассмотрение двенадцати внециклических связей циклогексана в конформации «кресло» позволяет разделить их на две группы. Шесть аксиальных связей [(2.76 )символ a] направлены параллельно главной оси попеременно вверх и вниз. Другие шесть связей [(2.76 )символ e от англ. equatorial] образуют с главной осью угол примерно 70O и также попеременно направлены вверх и вниз, их называют экваториальными связями. Стабильность конформации «кресло» обусловлена наличием шести нечетных конформаций , как в скошенных конформациях этана.

Меньшая стабильность конформации «ванна» обусловлена наличием кроме четырех скошенных конформаций, двух четных конформаций x-x (как в заслоненной конформации этана), а также за счет перекрывания пары водородов Hs и Hf. Иногда это взаимодействие называют бушпритом («bowsprit-flagpole»).

В формулах (2.78) и (2.79) циклогексановое кольцо изображено в виде сдвоенной проекций Ньюмена, наглядно выявляющей пространственные взаимоотношения.

Циклогексановое кресло не обладает абсолютной жест­костью, оно может менять свою конформацию. «Приподнятые» атомы углерода конформации «кресло» при этом опускаются, «опущенные» — подни­маются; одновременно аксиальные связи превращаются в экваториальные и наоборот. Такое превращение называют конверсией (а иногда инверсией). У монозамещенных циклогексанов (метилциклогексан) конверсия идет в сторону образования е-конформера (2.81) с экваториально ориентированной метильной группой как энергетически более вы­годного.

Важно понять, что в процессе конверсии, как и в рассма­триваемых ниже конверсионных превращениях двузамещенных циклогексанов, не происходит «перегруппировки», т. е. химические связи не разрываются и не образуются вновь, а меняется лишь конформация.

   2.5 КОНФИГУРАЦИИ И КОНФОРМАЦИИ ДИАСТЕРЕОМЕРОВ

Как мы теперь знаем, соединения с несколькими хиральными центрами способны существовать в виде σ-диастереомеров. Соеди­нения с двумя одинаковыми хиральными центрами существуют в мезо- и   рацемических модификаций;   последние   способны   расщепляться   на оптические антиподы. В более общем случае, когда имеются два неодина­ковых хиральных центра, существуют трео- и эритро-формы, каждая из которых способна расщепляться на энантиомеры.

Для последующего рассмотрения достаточно будет сопоставлять либо мезо-форму и один из оптических антиподов рацемической модификации, либо по одному антиподу эритро- и трео-форм, ибо все, что будет сказано об одном антиподе, соответственно имеет силу и для второго.

Главная конформационная особенность σ-диастереомеров – сущест­вование предпочтительной конформации для каждого из диастереомеров. Именно конформационные различия диастереомеров и определяют в ко­нечном итоге различия в их физико-химических свойствах (см раздел     ).

Рассмотрим в качестве примера дихлорстильбен (2.82),

существующий в виде двух диастереомеров — мезо-формы и рацемической модификации.

Для мезо-формы мы имеем три наиболее выгодных конформации ( 2.83), ( 2.84) и ( 2.85) :

Для оптически активной формы можно изобразить также три наиболее выгодные конформации (2.86), (2.87) и (2.88):

Следует подчеркнуть, что существуют два различных вещества – мезо-форма дихлорстильбена и его рацемическая модификация. Это действительно разные вещества с раз­ными константами и разными свойствами. Каждое из них представляет собой набор кон­фирмационных форм.

У мезо-формы наиболее выгоден трансоидный конформер ( φ3 ) (2.84) , по­скольку в конформерах φ1 (2.83) и φ5 (2.85) все четыре заместителя расположены подряд и число скошенных взаимодействий на единицу больше, чем в трансоидной форме. Отметим, что у конформеров φ1 и φ5 мезо-формы последовательность расположения заместителей в формулах Ньюмена одинакова, поэтому эти конформеры энергетически равноценны. У опти­чески же активной формы все три конформера энергетически неравноценны; наиболее выгоден конформер φ1 (2.86). Таким образом, приходим к выводу, что предпочтительные конформации для мезо-формы и рацемической формы (в качестве полноправного представителя которой рассмотрен один антипод) различны. Это можно проверить экспериментально. У наиболее предпочтительного φ3 -конформера (2.84) мезо-формы одинаковые заместители занимают трансоидные положения относительно друг друга. Это значит, что дипольные моменты соответствующих связей при векторном сложении «взаимоуничтожаются»; дипольный момент конформера (2.84) должен быть равен нулю. У предпо­чтительного φ1-конформера (2.86) оптически активной формы дипольные моменты связей складываются (по правилу параллелограмма). Следова­тельно, мы вправе ожидать у оптически активной формы большего дипольного момента, чем у мезо-формы. Эксперимент подтверждает это: наблю­даемый дипольный момент мезо-дихлорстильбена равен 1,27 Д, а для рацемического дихлорстильбена он составляет 2,75 Д.

Такие же взаимоотношения между конфигурацией и конформациями наблюдаются и в циклических соединениях. Для примера рассмотрим конфигурации и сопутствующие им конформации для диметилциклогексанов.

Для 1,1-диметилциклогексана (2.89) не имеет смысла говорить о конфигурации, так как в его молекуле отсутствуют элементы хиральности, а расположение обоих метильных групп можно представить только одним способом. Что же касается конформации, то 1,1-диметилциклогексана существует в наиболее устойчивой конформации «кресло» с a,e-ориентацией обоих метильных групп. Благодаря конверсии циклогексановое кольцо изменяет свою конформацию. Аксиальная метильная группа становится экваториальной, а экваториальная – аксиальной. При этом образуется энергетически равноценная конформация с e,aориентацией метильных групп. В приведенных ниже проекциях Ньюмена атомы водорода опущены.

1,2-Дизамещенный циклогексан существует в виде σ-диастереомеров, которые имеют две конфигурации: цис– и транс-. Названия «цис» и «транс» нужно связать с тем, что две метильные группы могут находиться по одну или по разные стороны от плоскости, в которой расположены четыре атома углерода цикла. В проекциях Ньюмена эта плоскость обозначена пунктирной линией.

Диастереомер с цис-конфигурацией существует в виде двух равноценных кресловидных конформациях а,е- (2.90) и е,а- (2.91). Обе эти конформации относятся друг к другу как предмет и зеркальное отображение и присутствуют в равных количествах, таким образом 1,2-диметилциклогексан представляет собой рацемическую модификацию, которую невозможно расщепить. Как только мы выделим один из конформационных изомеров (а,е-), так он сразу конвертируется в свое зеркальное отображение (е,а-).

                Диастереомер с транс-конфигурацией существует в наиболее устойчивой диэкваториальной конформации (2.93). Эта конформация хиральна, она может существовать в виде право- (2.93) и левовращающего (2.94) энантиомеров. Поэтому транс-1,2-диметилциклогексан существует в виде рацемической модификации, которую можно расщепить на отдельные энантиомеры.

            цис-1,3-Диметилциклогексаны существуют преимущественно в е,е-конформации (2.96), имеют плоскость симметрии и, следовательно, являясь мезо-формой, оптически неактивны.

            Транс-1,3-диметилциклогексаны могут существовать в двух конформациях: а,е- (2.97) и е,а- (2.98). Рассмотрение этих конформаций показывает их идентичность (при повороте е,а- на 1800 в плоскости бумаги). Конформация а,е- (2.97) хиральна (не имеет плоскости симметрии), поэтому транс-1,3-диметилциклогексаны существуют в виде рацемической модификации, которую можно расщепить.

            транс- Изомер 1,4-диметилциклогексана существует в виде наиболее выгодной конформации е,е- (2.100), которая имеет плоскость симметрии (проходящую через C1 и C4) и является оптически неактивной мезоформой.

            Менее устойчивый цис- изомер 1,4-диметилциклогексана имеет одну экваториальную и одну аксиальную метильную группу. Такая конформация имеет плоскость симметрии, проходящую через C1 и C4, и является оптически неактивной мезоформой.