Геометрические изомеры возникают, если свободное вращение атомов в молекуле ограничено вследствие наличия двойной связи. Примером такой пары изомеров могут служить малеиновая (12.23) и фумаровая (12.24) кислоты (цис- и транс- соответственно).
По химическому строению геометрические изомеры очень похожи, но они не являются зеркальными отображениями друг друга и не вращают плоскость поляризации света. Как правило, цис- и транс-изомеры значительно отличаются по физическим свойствам. Например, малеиновая кислота (12.23) плавится при 130 °С, величина ее рКа 1,9, она очень хорошо растворима в холодной воде (79 г на 100 мл); константы ее геометрического изомера - фумаровой кислоты (12.24) соответственно 287 °С, 3,0 и 0,7 г на 100 мл. Неудивительно, что геометрические изомеры обладают разными биологическими свойствами и поэтому очень важно при изучении химической формулы нового соединения учитывать все возможности существования изомерии такого типа.
Цис- и транс-изомеры можно легко разделить кристаллизацией или хроматографически. Общего метода для превращения одного изомера в другой не существует, однако при нагревании, как правило, образуется наиболее стабильный изомер, а под действием света - менее стабильный. Зрение человека зависит от превращения 11-цис-изомера ретиналя в 11-транс-форму под действием света. Как только возбуждающий луч света исчезает,
этот каротиноидный пигмент снова переходит в цис-форму, прерывая тем сй^ым идущий к мозгу импульс .
Цис- и транс-изомеры существуют и у плоского циклопентанового кольца, представляющего собой как бы большую двойную связь. Хотя циклогексановое кольцо вообще не плоское, оно тем не менее достаточно плоское для образования цис- и трансизомеров. Так, существуют и доступны как цис- (12.25), так и транс- (12.26) формы диаминоциклогексана. Одна и та же молекула может образовывать и геометрические, и оптические изомеры. Например, транс-изомер (12.26) может быть разделен на (S,S) (12.27) и (R,R) (12.28) хиральные изомеры. Однако цис-изомер на хиральные формы разделен быть не может, так как в нем существует плоскость симметрии. У бензольного кольца нет геометрических изомеров, так как у каждого атома углерода кольца только один заместитель.
Стереоизомеры 1,2-диаминоцинлогенсана
Иногда бывает трудно выбрать два из четырех заместителей при двойной связи для определения цис- или транс-конфигурации. Правило последовательности предписывает выбирать заместителей с наиболее тяжелыми атомами, при этом цис-форма обозначается буквой Z (от немецкого слова zusammen), а трансформа- буквой Е (entgegen). Иногда в названиях соединений, в которых геометрическая изомерия может проявиться многократно, заместитель, имеющий самый маленький номер (по правилу нумерации), обозначают буквой г, а обозначения с-(цис) и t-(транс) перед другими заместителями показывают их положение по отношению к г-заместителю.
Аналогично индол-3-илуксусной кислоте (4.82), стимулирующей рост растительных клеток, могут действовать и другие карбоновые кислоты, карбоксильная группа которых находится под углом к плоскости ароматического кольца. Геометрическая изомерия ограничивает возможность такого расположения двух заместителей, поэтому из коричных кислот активен только цисизомер . У 2-фенилциклопропан-1- карбоновой и 1,2,3,4-тетрагидронафталиден-1-уксусной кислот также активны только цис-изомеры . На молекулярных моделях видно, что кольцо и карбоксильная группа в транс-изомере (неактивном) этих веществ лежат в одной плоскости, в то время как в цис-форме (активной) они некопланарны. Впервые указал на эту связь между
некопланарностью и стимулирующей рост активностью Veidstra. Некопланарность может возникнуть и вследствие стерических препятствий. Так, бензойная кислота имеет плоскую форму и не активна, а 2,6-дихлорбензойная и 8-метил-1-нафтойная кислоты непланарны и биологически активны .
В аналогах ауксинов карбоксильная группа может быть заменена и на другие электроноакцепторные группы (-CN, -NO 2 , -SO3H), при этом биологическая активность лишь незначительно уменьшается. О связи между структурой и действием в этой серии см. Koepfli, Thimann, Went (1938) и Veidstra (1963).
Геометрическая изомерия стероидов заслуживает специального рассмотрения. На формуле (12.29) приведена общая структура этой группы природных насыщенных соединений (показана нумерация атомов углерода и буквенные обозначения четырех циклов). В природных стероидах кольца В и С находятся в транс-сочленении, причем оба они закреплены в конформации кресла. В сердечных гликозидах сочленение циклов С и D имеет цис-конфигурацию, но в гормонах животных, стеринах и желчных кислотах - транс-сочленение. У большинства биологически активных стероидов кольца А и В находятся в транс-сочленении («5а»-ряд, называвшийся ранее «алло»). Каждое из колец в молекуле стероидов образует складки, что хорошо видно на боковой проекции формулы (12.30).
Обозначение «5а» говорит о том, что атом водорода в положении 5 находится ниже общей плоскости колец. Все заместители, расположенные ниже этой плоскости, обозначаются символом «а», а выше - символом «р». а-Заместители обозначают пунктирными линиями, а ^-заместители - сплошными. Символы а- и ^-используют и для других полициклических соединений, например, тритерпенов и алкалоидов. Сложность строения этих соединений затрудняет использование R- и S-номенклатуры.
Как правило, у млекопитающих высокая биологическая активность стероидных соединений связана с отсутствием а-заме- стителей в положениях 1, 9, 11-13, 17 и отсутствием р-замести- телей в положениях 4-8, 14, 15. Боковая проекция молекулы гидрокортизона иллюстрирует это правило . Первой стадией в биологическом действии стероидных гормонов является их влияние на специфический транспорт белков (разд. 2.4). Предполагают, что с белками стероиды взаимодействуют плоской нижней стороной (a-поверхность) молекулы.
Различные стероиды отличаются друг от друга в основном заместителями R 1 , R 2 и R 3 (12.29), но иногда и степенью нена- сыщенности или наличием других заместителей вне колец. Для того чтобы стероид обладал прогестиновой, андрогенной и кор- тикоидной активностью, как правило, необходимо наличие циклогексеноновой структуры кольца А. Для проявления активности кортизонового типа необходимы атомы кислорода в положениях 3, 11 и 17 и характеристичная группа -СО-СН 2 ОН в положении 17. Андрогенная и кортикоидная активность в большей степени зависит от этих деталей строения молекулы, однако прогестиновая активность сохраняется, если ацетильная группа в положении 17 находится в a-конфигурации, не встречающейся в природных соединениях, а замена метильной группы в положении 18 на этильную приводит даже к усилению этой активности (пероральный контрацептив норгестрел).
Из всех стероидных гормонов наименее жесткие требования к структуре предъявляют соединения, обладающие эстрогенной активностью. При условии ароматизации кольца А и наличии кислой гидроксильной группы в положении 3 строение остальной части молекулы имеет второстепенное значение. В 1938 г. появились простые высокоэффективные бензольные аналоги стероидных эстрогенов. Хотя считалось, что их молекулы по форме похожи на молекулы стероидов, в действительности между ними не так уж много общего. По данным рентгеноструктурного анализа молекула диэтилстильбэстрола (12.31) имеет транс-конфигурацию, искаженную из-за стерических затруднений, создаваемых метиленовыми фрагментами двух этильных групп. Поэтому два бензольных кольца образуют с этиленовым фрагментом двугранный угол 63°, что делает форму молекулы совершенно не похожей на стероидную. Однако в этих молекулах примерно одинаково расстояние между атомами кислорода: 1,21 нм в диэтилстильбэстроле и от 1,07 до 1,11 нм в стероидных эстрогенах, но все эти молекулы слишком жесткие и поэтому не способны взаимодействовать с одним и тем же рецептором, в котором фиксировано расстояние между точками связывания. Известно, что для проявления эстрогенной активности необходимо образование двух водородных связей рецептора с атомами кислорода лиганда, следовательно, рецептор должен обладать определенной гибкостью . Oki, Urushibara (1952) впервые отметили, что действие диэтилстильбэстрола связано и с толщиной его молекулы, которая составляет 0,45 нм и равна толщине молекул стероидных эстрогенов .
Диэтилстильбэстрол 3,4-ди (4-гидроксифенил) гекс-3-ен
(12.31), эффективный и недорогой заменитель основного женского гормона эстрадиола (12.32), появился в 1938 г. . Этот синтетический лекарственный препарат, отличающийся от природного гормона высокой эффективностью при пероральном применении и большей длительностью действия, стал основным препаратом в эндокринной терапии. Некоторое недоверие к этому препарату возникло на основании двух факторов: во-первых, его неограниченно применяли для увеличения веса сельскохозяйственных животных, а во-вторых, были отмечены случаи заболевания раком у женщин, матери которых принимали его во время беременности. Несмотря на это, диэтилстильбэстрол продолжают широко применять и считают безопасным средством; его не назначают только в первые три месяца беременности (что, кстати, в равной степени относится и к природному гормону). О применении его фосфата для лечения рака предстательной железы см. разд. 4.2. Сходными эстрогенными свойствами обладает и дигидропроизводное диэтил- стильбэстрола-синэстрол (12.33, а) (конфигурация 3R, 4S). С эстрогенсвязывающим белком (разд. 2.4) он соединяется сильнее, чем сам диэтилстильбэстрол, а еще сильнее взаимодействует с этим белком его низший гомолог-норгексэстрол (12.33, б) .
Сердечные гликозиды рассматриваются в разд. 14.1. Подробное изложение химии и стереохимии стероидов см. Shoppee (1964), биохимии и фармокологии - Briggs, Christie (1977).
Геометрическая изомерия 4-аминокротоновой кислоты, которая помогла определить активную конформацию нейромедиатора гамма-аминомасляной кислоты, рассматривается в разд. 12.7.
Причиной возникновения геометрической изомерии является отсутствие свободного вращения вокруг σ-связи. Этот вид изомерии характерен для соединений, содержащих двойную связь, и для соединений алициклического ряда.
Геометрические изомеры это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, одинаковую последовательность связывания атомов в молекулах, но отличающиеся друг от друга различным расположением атомов или атомных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи или плоскости цикла.
Причиной возникновения данного вида изомерии является невозможность свободного вращения вокруг двойной связи или σ-связей, образующих цикл.
Например, бутен-2 СН 3 -СН=СН-СН 3 может существовать в виде двух изомеров, которые различаются расположениями метильных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи.
или 1,2-диметилциклопропан существует в виде двух изомеров, которые различаются расположением метильных групп в пространстве относительно плоскости цикла:
Для обозначения конфигурации геометрических изомеров используют цис-, транс-систему. Если одинаковые заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи или цикла - конфигурацию обозначают цис-. если по разные стороны - транс-.
КОНФОРМАЦИОННАЯ ИЗОМЕРИЯ
Конформационная (поворотная) изомерия обусловлена вращением атомов или атомных групп вокруг одной или нескольких простых σ-связей. В результате вращения вокруг С-С-связей молекулы могут иметь различные пространственные формы, которые называют конформациями.
Например, молекула этана вследствие вращения вокруг углерод- углеродной связи может принимать бесконечное множество конформаций. каждая из которых характеризуется определенным значением потенциальной энергии. Две крайние конформации называют заслоненной и заторможенной.
В заслоненной конформации этана атомы водорода метильных групп, если смотреть вдоль связи углерод-углерод, расположены друг за другом. В заторможенной - атомы водорода одной метальной группы максимально удалены от атомов водорода другой. Между заслоненной и заторможенной конформацией молекула в процессе вращения принимает множество скошенных конформаций.
Каждая из конформаций молекулы этана характеризуется различной потенциальной энергией. Заслоненная конформация имеет максимальную энергию, а заторможенная - минимальную.
Заторможенная конформация, в которой метильные группы (объемные заместители) максимально удалены друг от друга, получила название анти-конформации. Другая заторможенная конформация называется гош-конформацией.
Заторможенная гош-конформация обладает несколько большей потенциальной энергией (за счет метил-метильного взаимодействия), чем анти-конформация (в ней взаимодействие между метилами вообще отсутствует).
Конформации с наименьшим запасом энергии называют конфор- мерами или конформационными (поворотными) изомерами.
Так, н-бутан при 25 °С существует примерно на 70 % в форме анти- конформера и на 30 % гош-конформера.
В отличие от конфигурационных изомеров, конформеры превращаются друг в друга без разрыва химических связей и не поддаются разделению. Они обнаруживаются только физико-химическими методами.
1. Структурная изомерия.
2. Конформационная изомерия.
3. Геометрическая изомерия.
4. Оптическая изомерия.
Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав и молекулярную массу, но разные физические и химические свойства. Различия в свойствах изомеров обусловлены различиями в их химическом или пространственном строении. В связи с этим различают два вида изомерии.
изомерия
структурная
пространственная
Углеродного скелета
Конфигурационная
Конформационная
Положение функциональной
Оптическая
Межклассовая
Геометрическая
1. Структурная изомерия
Структурные изомеры отличаются химическим строением, т.е. природой и последовательностью связей между атомами в молекуле. Структурные изомеры выделяют в чистом виде. Они существуют как индивидуальные, устойчивые вещества, для их взаимного превращения необходима высокая энергия - порядка 350 - 400 кДж/моль. В динамическом равновесии находятся только структурные изомеры - таутомеры. Таутомерия - распространенное явление в органической химии. Она возможна при переносе подвижного атома водорода в молекуле (карбонильные соединения, амины, гетероциклы и т.д.), внутримолекулярных взаимодействиях (углеводы).
Все структурные изомеры представляют в виде структурных формул и называют по номенклатуре ИЮПАК. Например, составу С 4 Н 8 О соответствуют структурные изомеры:
а) с различным углеродным скелетом
неразветвленная С-цепь - СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН=О (бутаналь, альдегид) и
разветвленная С-цепь -
(2-метилпропаналь,
альдегид) или
цикл - 
(циклобутанол, циклический спирт);
б) с различным положением функциональной группы
бутанон-2, кетон;
в) с различным составом функциональной группы
3-бутенол-2,
непредельный спирт;
г) метамерии
Гетероатом функциональной группы может быть включен в углеродный скелет (цикл или цепь). Один из возможных изомеров этого вида изомерии - СН 3 -О-СН 2 -СН=СН 2 (3-метоксипропен-1, простой эфир);
д) таутомерии (кето-енольной)
енольная форма
кетоформа
Таутомеры находятся в динамическом равновесии, при этом в смеси преобладает более устойчивая форма – кетоформа.
Для ароматических соединений структурную изомерию рассматривают только для боковой цепи.
2. Пространственная изомерия (стереоизомерия)
Пространственные изомеры имеют одинаковое химическое строение, различаются по пространственному расположению атомов в молекуле. Это различие и создает разницу в физических и химических свойствах. Пространственные изомеры изображают в виде различных проекций или стереохимических формул. Раздел химии, изучающий пространственное строение и его влияние на физические и химические свойства соединений, на направление и скорость их реакций, называется стереохимией.
а) Конформационная (поворотная) изомерия
Не меняя ни валентных углов, ни длин связей, можно представить себе множество геометрических форм (конформаций) молекулы, отличающихся друг от друга взаимным поворотом углеродных тетраэдров вокруг соединяющей их σ-С-С-связи. В результате такого вращения возникают поворотные изомеры (конформеры). Энергия различных конформеров неодинакова, но энергетический барьер, разделяющий различные конформационные изомеры, для большинства органических соединений невелик. Поэтому при обычных условиях, как правило, нельзя зафиксировать молекулы в одной строго определенной конформации. Обычно в равновесии сосуществуют несколько легко переходящих друг в друга конформационных изомеров.
Способы изображения и номенклатуру изомеров можно рассмотреть на примере молекулы этана. Для нее можно предвидеть существование двух, максимально различающихся по энергии конформаций, которые могут быть изображены в виде перспективных проекций (1) («лесопильные козлы») или проекций Ньюмена (2):
заторможенная конформация заслоненная конформация
В перспективной проекции (1) связь С-С надо представить себе уходящей вдаль; стоящий слева углеродный атом приближен к наблюдателю, стоящий справа - удален от него.
В проекции Ньюмена (2) молекулу рассматривают вдоль связи С-С. Три линии, расходящиеся под углом 120 о из центра круга, обозначают связи ближайшего к наблюдателю углеродного атома; линии, «высовывающиеся» из-за круга - связи удаленного углеродного атома.
Изображенную справа конформацию называют заслоненной . Это название напоминает о том, что атомы водорода обеих СН 3 -групп находятся друг против друга. Заслоненная конформация имеет повышенную внутреннюю энергию и поэтому невыгодна. Конформацию, изображенную слева, называют заторможенной , подразумевая, что свободное вращение вокруг связи С-С «тормозится» в этом положении, т.е. молекула существует преимущественно в этой конформации.
Минимум энергии, необходимый для полного вращения молекулы вокруг определенной связи, называется барьером вращения для данной связи. Барьер вращения в молекуле, подобной этану, может быть выражен через изменение потенциальной энергии молекулы как функции изменения двугранного (торсионного - τ) угла системы. Энергетический профиль вращения вокруг связи С-С в этане показан на рисунке 1. Барьер вращения, разделяющий две формы этана, составляет около 3 ккал/моль (12,6 кДж/моль). Минимумы кривой потенциальной энергии соответствуют заторможенным конформациям, максимумы - заслоненным. Поскольку при комнатной температуре энергия некоторых столкновений молекул может достигать 20 ккал/моль (около 80 кДж/моль), то этот барьер в 12,6 кДж/моль легко преодолевается и вращение в этане рассматривают как свободное. В смеси всех возможных конформаций преобладают заторможенные конформации.
Рис.1. Диаграмма потенциальной энергии конформаций этана.
Для более сложных молекул число возможных конформаций возрастает. Так, для н -бутана можно изобразить уже шесть конформаций, возникающих при повороте вокруг центральной связи С 2 - С 3 и отличающихся взаимным расположением СН 3 -групп. Различные заслоненные и заторможенные конформации бутана отличаются по энергии. Энергетически более выгодны заторможенные конформации.
Энергетический профиль вращения вокруг связи С 2 -С 3 в бутане показан на рисунке 2.
Рис.2. Диаграмма потенциальной энергии конформаций н-бутана.
Для молекулы с длинной углеродной цепью число конформационных форм возрастает.
Для молекулы алициклических соединений характерны различные конформационные формы цикла (например, для циклогексана кресло , ванна , твист -формы).
Итак, конформации - это различные пространственные формы молекулы, имеющей определенную конфигурацию. Конформерами являются стереоизомерные структуры, соответствующие энергетическим минимумам на диаграмме потенциальной энергии, находящиеся в подвижном равновесии и способные к взаимопревращению путем вращения вокруг простых σ-связей.
Если барьер таких превращений становится достаточно высоким, то можно разделить стереоизомерные формы (пример - оптически активные дифенилы). В таких случаях говорят уже не о конформерах, а о реально существующих стереоизомерах.
б) Геометрическая изомерия
Геометрические изомеры возникают в результате отсутствия в молекуле:
1. вращения атомов углерода относительно друг друга - следствие жесткости двойной связи С=С или циклической структуры;
2. двух одинаковых групп при одном атоме углерода двойной связи или цикла.
Геометрические изомеры, в отличие от конформеров, могут быть выделены в чистом виде и существуют как индивидуальные, устойчивые вещества. Для их взаимного превращения необходима более высокая энергия - порядка 125-170 кДж/моль (30-40 ккал/моль).
Различают цис-транс-(Z,E) изомеры; цис- формами называют геометрические изомеры, у которых одинаковые заместители лежат по одну сторону от плоскости π-связи или цикла, транс- формами называют геометрические изомеры, у которых одинаковые заместители лежат по разные стороны от плоскости π-связи или цикла.
Простейшим примером могут служить изомеры бутена-2, который существует в виде цис- , транс-геометрических изомеров:
цис-бутен-2 транс-бутен-2
температура плавления
138,9 0 С - 105,6 0 С
температура кипения
3,72 0 С 1,00 0 С
плотность
1,2 – дихлорциклопропан существует в виде цис- , транс-изомеров:
цис-1,2-дихлорциклопропан транс-1,2-дихлорциклопропан
В более сложных случаях применяется Z ,E-номенклатура (номенклатура Канна, Ингольда, Прелога – КИП, номенклатура старшинства заместителей). В соединении
1-бром -2-метил-1-хлорбутене-1 (Br)(CI)С=С(СН 3) - СН 2 -СН 3 все заместители при атомах углерода с двойной связью различные; поэтому данное соединение существует в виде Z-, E- геометрических изомеров:
Е-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1 Z-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1.
Для обозначения конфигурации изомера указывают расположение старших заместителей при двойной связи (или цикле) – Z-(от немецкого Zusammen - вместе) или Е-(от немецкого Entgegen - напротив).
В Z,E-системе старшими считаются заместители с большим порядковым (атомным) номером. Если атомы, непосредственно связанные с ненасыщенными атомами углерода, одинаковы, то переходят ко "второму слою", в случае необходимости - к "третьему слою" и т. д.
В первой проекции старшие группы находятся напротив друг друга относительно двойной связи, поэтому это Е-изомер. Во второй проекции старшие группы расположены по одну сторону относительно двойной связи (вместе), поэтому это Z-изомер.
Геометрические изомеры широко распространены в природе. Например, природные полимеры каучук (цис-изомер) и гуттаперча (транс-изомер), природная фумаровая (транс-бутендиовая кислота) и синтетическая малеиновая (цис-бутендиовая кислота) кислоты, в составе жиров - цис-олеиновая, линолевая, линоленовая кислоты.
в) Оптическая изомерия
Молекулы органических соединений могут быть хиральными и ахиральными. Хиральность(от греч. сheir - рука) - несовместимость молекулы со своим зеркальным отражением.
Хиральные вещества способны вращать плоскость поляризации света. Это явление называют оптической активностью, а соответствующие вещества - оптически активными . Оптически активные вещества встречаются в виде пар оптических антиподов - изомеров, физические и химические свойства которых в обычных условиях одинаковы, за исключением одного - знака вращения плоскости поляризации: один из оптических антиподов отклоняет плоскость поляризации в право (+, правовращающий изомер), другой – влево (-, левовращающий). Определить конфигурацию оптических антиподов можно экспериментально с помощью прибора - поляриметра.
Оптическая изомерия появляется тогда, когда в молекуле присутствует асимметрический атом углерода (существуют и другие причины хиральности молекулы) . Так называют атом углерода в sр 3 - гибридизации и связанный с четырьмя различными заместителями. Возможны два тетраэдрических расположения заместителей вокруг асимметрического атома. При этом две пространственные формы нельзя совместить никаким вращением; одна из них является зеркальным изображением другой:
Обе зеркальные формы составляют пару оптических антиподов или энантиомеров .
Изображают оптические изомеры в виде проекционных формул Э. Фишера. Их получают в результате проецирования молекулы с асимметрическим атомом углерода. При этом сам асимметрический атом углерода на плоскости обозначают точкой, на горизонтальной линии указывают символы заместителей, выступающих перед плоскостью рисунка. На вертикальной линии (прерывистой или сплошной) указывают заместители, которые удалены за плоскость рисунка. Ниже приведены различные способы записи проекционной формулы, отвечающей левой модели на предыдущем рисунке:
В проекции главную углеродную цепь изображают вертикально; главную функцию, если она находится в конце цепи, указывают в верхней части проекции. Например, стереохимические и проекционные формулы (+) и (-) аланина - СН 3 - * СН(NН 2)-СООН представляют следующим образом:
Смесь с одинаковым содержанием энантиомеров называется рацематом. Рацемат не обладает оптической активностью и характеризуется отличными от энантиомеров физическими свойствами.
Правила преобразования проекционных формул.
1. Формулы можно вращать в плоскости чертежа на 180 о, не меняя их стереохимического смысла:
2. Две (или любое четное число) перестановки заместителей у одного асимметрического атома не меняют стереохимического смысла формулы:
3. Одна (или любое нечетное число) перестановка заместителей у асимметрического центра приводит к формуле оптического антипода:
4. Поворот в плоскости чертежа на 90 о превращает формулу в антипод.
5. Вращение любых трех заместителей по часовой стрелке или против не меняет стереохимического смысла формулы:
6.
Проекционные формулы нельзя выводить
из плоскости чертежа.
Оптической активностью обладают органические соединения, в молекулах которых хиральными центрами являются и другие атомы, например кремния, фосфора, азота, серы.
Соединения с несколькими асимметрическими атомами углерода существуют в виде диастереомеров , т.е. пространственных изомеров, не составляющих друг с другом оптических антиподов.
Диастереомеры отличаются друг от друга не только оптическим вращением, но и всеми другими физическими константами: у них разные температуры плавления и кипения, разные растворимости и др.
Число пространственных изомеров определяют по формуле Фишера N=2 n , где n - число асимметрических атомов углерода. Число стереоизомеров может уменьшаться из-за частичной симметрии, появляющейся в некоторых структурах. Оптически неактивные диастереомеры называют мезо -формами.
Номенклатура оптических изомеров:
а) D- , L- номенклатура
Для определения D- или L-ряда изомера конфигурацию (положение ОН–группы у асимметричного атома углерода) сравнивают с конфигурациями энантиомеров глицеринового альдегида (глицериновый ключ):
L-глицериновый альдегид D-глицериновый альдегид
Применение D-, L-номенклатуры в настоящее время ограничено тремя классами оптически активных веществ: углеводами, аминокислотами и оксикислотами.
б) R -, S-номенклатура (номенклатура Кана, Ингольда и Прелога)
Для определения R(правый)- или S(левый)-конфигурации оптического изомера необходимо расположить заместители в тетраэдре (стереохимической формуле) вокруг асимметрического углеродного атома таким образом, чтобы самый младший заместитель (обычно это водород) имел направление «от наблюдателя». Если переход трех остальных заместителей от старшего к среднему и младшему по старшинству происходит по часовой стрелке- это R-изомер (падение старшинства совпадает с движением руки при написании верхней части буквы R). Если переход происходит против часовой стрелки - это S- изомер (падение старшинства совпадает с движением руки при написании верхней части буквы S).
Для определения R- или S-конфигурации оптического изомера по проекционной формуле необходимо путем четного числа перестановок расположить заместители так, чтобы самый младший из них оказался внизу проекции. Падение старшинства остальных трех заместителей по часовой стрелке соответствует R-конфигурации, против часовой стрелки - S-конфигурации.
Получают оптические изомеры следующими методами:
а) выделение из природных материалов, содержащих оптически активные соединения, например белки и аминокислоты, углеводы, многие оксикислоты (винная, яблочная, миндальная), терпеновые углеводороды, терпеновые спирты и кетоны, стероиды, алкалоиды и др.
б) расщепление рацематов;
в) асимметрический синтез;
г) биохимическое получение оптически активных веществ.
ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО
Явление изомерии (от греч.- i sos - разный и meros - доля, часть) открыто в 1823г. Ю. Либихом и Ф. Вёлером на примере солей двух неорганических кислот: циановой Н-О-С≡N и гремучей Н-О-N= С.
В 1830 г. Ж.Дюма распространил представление об изомерии на органические соединения.
В 1831г. термин «изомер» для органических соединений предложил Й. Берцелиус.
Стереоизомеры природных соединений характеризуются разной биологической активностью (аминокислоты, углеводы, алкалоиды, гормоны, феромоны, лекарственные вещества природного происхождения и т.д.).
В ходе урока вы получите общее представление о видах изомерии, узнаете, что такое изомер. Узнаете о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрите подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), узнаете о разновидностях пространственной изомерии: геометрической и оптической.
Тема: Введение в органическую химию
Урок: Изомерия. Виды изомерии. Структурная изомерия, геометрическая, оптическая
Рассмотренные нами ранее виды формул, описывающих органические вещества, показывают, что одной молекулярной может соответствовать несколько разных структурных формул.
Например, молекулярной формуле C 2 H 6 O соответствуют два вещества с разными структурными формулами - этиловый спирт и диметиловый эфир. Рис. 1.
Этиловый спирт - жидкость, которая реагирует с металлическим натрием с выделением водорода, кипит при +78,5 0 С. При тех же условиях диметиловый эфир - газ, не реагирующий с натрием, кипит при -23 0 С.
Эти вещества отличаются своим строением - разным веществам соответствует одинаковая молекулярная формула.
Рис. 1. Межклассовая изомерия
Явление существования веществ, имеющих одинаковый состав, но разное строение и поэтому разные свойства называют изомерией (от греческих слов «изос» - «равный» и «мерос» - «часть», «доля»).
Типы изомерии
Существуют разные типы изомерии.
Структурная изомерия связана с разным порядком соединения атомов в молекуле.
Этанол и диметиловый эфир - структурные изомеры. Поскольку они относятся к разным классам органических соединений, такой вид структурной изомерии называется еще и межклассовой . Рис. 1.
Структурные изомеры могут быть и внутри одного класса соединений, например формуле C 5 H 12 соответствуют три разных углеводорода. Это изомерия углеродного скелета . Рис. 2.
Рис. 2 Примеры веществ - структурных изомеров
Существуют структурные изомеры с одинаковым углеродным скелетом, которые отличаются положением кратных связей (двойных и тройных) или атомов, замещающих водород. Этот вид структурной изомерии называется изомерией положения .
Рис. 3. Структурная изомерия положения
В молекулах, содержащих только одинарные связи, при комнатной температуре возможно почти свободное вращение фрагментов молекулы вокруг связей, и, например, все изображения формул 1,2-дихлорэтана равноценны. Рис. 4
Рис. 4. Положение атомов хлора вокруг одинарной связи
Если же вращение затруднено, например, в циклической молекуле или при двойной связи, то возникает геометрическая или цис-транс изомерия. В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону плоскости цикла или двойной связи, в транс-изомерах - по разные стороны.
Цис-транс изомеры существуют в том случае, когда с атомом углерода связаны два разных заместителя. Рис. 5.
Рис. 5. Цис- и транс- изомеры
Еще один тип изомерии возникает в связи с тем, что атом углерода с четырьмя одинарными связями образует со своими заместителями пространственную структуру - тетраэдр. Если в молекуле есть хотя бы один углеродный атом, связанный с четырьмя разными заместителями, возникает оптическая изомерия . Такие молекулы не совпадают со своим зеркальным изображением. Это свойство называется хиральностью - от греческого с hier - «рука». Рис. 6. Оптическая изомерия характерна для многих молекул, входящих в состав живых организмов.
|
|
|
Рис. 6. Примеры оптических изомеров
Оптическая изомерия называется также энантиомерией (от греческого enantios - «противоположный» и meros - «часть»), а оптические изомеры - энантиомерами . Энантиомеры оптически активны, они вращают плоскость поляризации света на один и тот же угол, но в противоположные стороны: d- , или (+)-изомер, - вправо, l- , или (-)-изомер, - влево. Смесь равных количеств энантиомеров, называемая рацематом , оптически недеятельна и обозначается символом d,l- или (±).
Подведение итога урока
В ходе урока вы получили общее представление о видах изомерии, что такое изомер. Узнали о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрели подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), познакомились с разновидностями пространственной изомерии: геометрической и оптической.
Список литературы
1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.
4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.
Домашнее задание
1. №№ 1,2 (с.39) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Почему число изомеров у углеводородов ряда этилена больше, чем предельных углеводородов?
3. Какие углеводороды имеют пространственные изомеры?
Причиной возникновения геометрической изомерии является отсутствие свободного вращения вокруг ст-связи. Этот вид изомерии характерен для соединений, содержащих двойную связь, и для соединений алициклического ряда.
Геометрические изомеры - это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, одинаковую последовательность связывания атомов в молекулах, но отличающиеся друг от друга различным расположением атомов или атомных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи или плоскости цикла.
Причиной возникновения данного вида изомерии является невозможность свободного вращения вокруг двойной связи или ст-связей, образующих цикл.
Например, бутен-2 СН3-СН=СН-СН3 может существовать в виде двух изомеров, которые различаются расположением ме-тильных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи:
или т,2-димтетилцитктопропан существует в виде двух изомеров,
которые различаются расположением метильных групп в пространстве относительно плоскости цикла:
/для обозначения конфигурации геометрических изомеров используют цис-, транс-систему. Если одинаковые заместители
3. Изомерия органических соединений. Пространственное строение молекул
ра^п^лиж^пш по одпу сторопу от ттлоскости двойпой ^dajw или
цикла, копфигурацию обозпачают цис-, если по разпые сторо-пы, - транс-.
Для соедипепий, у которых при атомах углерода с двойпой связью паходятся различпые заместители, примепяют Е^-систе-му обозпачепий.
EZ-Система является более общей. Опа примепима к геометрическим изомерам с любым пабором заместителей. В оспове этой системы лежит старшипство заместителей, которое определяют у каждого атома углерода отдельпо. Если старшие заместители из каждой пары расположепы по одпу сторопу от двойпой связи, коп-фигурация обозпачается буквой Z (от пем. zusammen - вместе), если по разпые сторопы,- буквой Е(от пем. entgegen - папротив).
Так, для 1-бром-1-хлорпропепа возможпо два изомера:
старшим! заместителем у одного атома углерода является ме-
тильная группа (заместители 1Н и 6СН3), а у другого - атом брома (заместители 17С1 и 35Вг). В изомере I старшие заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи, ему приписывают Z-конфигурацию, а изомеру II - Е-конфигурацию (старшие заместители расположены по разные стороны плоскости двойной связи).
Геометрические изомеры имеют разные физические свойства (температуру плавления и кипения, растворимость и так далее), спектральные характеристики и химические свойства. Такое различие в свойствах позволяет довольно легко установить их конфигурацию с помощью физических и химических методов.
