Лекція 15. Елементи стереохімії і оптична ізомерія органічних сполук. Галогенопохідні аліфатичних і аліциклічних вуглеводнів. 2 год. Елементи стереохімії і оптична ізомерія органічних сполук

Її молекули не мають жодного елемента симетрії. Стрілкою показаний напрямок обходу замісників, починаючи від найстаршого – гідроксигрупи (№ 57) до карбоксигрупи (№ 38) і метилу (№ 2) (старшинство груп в окремій таблиці). Цей обхід потрібний для від-несення структури до ряду R або S. Якщо він відбувається за годинниковою стрілкою (як у наведеному прикладі), ми даємо позна-чення R, а якщо проти годинникової стріл-ки, то S. Це легко запам’ятати, бо саме так ми пишемо верхню частину цих двох літер.

R S

R-молочна кислота S-молочна кислота

Старшинство деяких угруповань за правилом послідовності IUPAC

(більший умовный номер означає більше старшинство)

Герман Еміль ФІШЕР 1852 – 1919 Нобелівська премія 1902

Крім формул з клиноподібними зв’яз-ками, застосовують проекційні форму-ли Фішера (1891), в яких асиметри-чний атом Карбону мається на увазі на перетині горизонтальної і вертикальної ліній, замісники біля горизонтальної лінії «дивляться» в наш бік від пло-щини паперу або дошки, за них на-чебто можна взятися руками, а замі-сники біля вертикальної лінії «дивля-ться» за дошку або папір, на якому накреслена формула:

Щоб проекційні формули Фішера зберігали конфігурацію, тобто просторове розташу-вання замісників, треба виконувати такі правила роботи з ними:

1._Формули не можна виводити з площини паперу, повертати на будь-які кути.

2. Для утворення формули антипода досить поміняти місцями будь-які два замісники:

Наприклад,

і

є антиподами

Формули Фішера особливо зручні при зображенні формул сполук з кількома послідов-ними асиметричними атомами, насамперед, формул вуглеводів, які були головним об’-єктом дослідження Е.Фішера. Відправним пунктом стереохімічної номенклатури Фішера був правообертаючий гліцериновий альдегід, проекційну формулу якого позначали літерою D (від англ. dexter – правий) і записували так:

Відповідні антиподи позначали літерою L (від лат. laevo – лівий). До того самого ряду (D або L) відносили продукти перетворень, які не зачіпали асиметричний центр, наприклад, D-гліцеринову кислоту, D-молочну кислоту, незалежно від знака кута оптичного обертання. Скажімо, D-гліцеринова і D-молочна кислоти обертають площину поляризованого світла проти годинникової стрілки, D-глюкоза має знак кута обертання плюс, а D-фруктоза – знак мінус. Отже, літера D або L зовсім не означає, що сполука обертає площину поляризованого світла праворуч або ліворуч, це просто віднесення до певного конфігураційного ряду.

Для усунення розбіжності між літерою і знаком кута, додавали цей знак в назві в дуж-ках: D-(–)-гліцеринова кислота, D-(–)-молочна кислота, L-(+)-гліцеринова кислота, L-(+)-молочна кислота. З появою R,S-номенклатури вона виявилася зручнішою і доскона-лішою, ніж номенклатура D,L-, тому зараз саме вона застосовуется при описі будови ре-човин з оптично автивними молекулами. Оптичні антиподи мають абсолютно однакові фізичні і хімічні властивості, крім взаємодії з плоскополяризованим світлом та іншими оптично активними речовинами. Наприклад, кожний з антиподів винної кислоти утво-рює сіль с хініном – природною оптично активною речовиною, це дві різні сполуки, які мають неоднакову розчинність у воді і спирті, їхню суміш, яка утворюється з рацемату винної кислоти і оптично чистого хініну можна розкристалізувати, бо це діастереомери. Таким шляхом Пастер уперше добув обидва антиподи винної кислоти, у тому числі той, який відсутній у природних джерелах (L-ізомер, див. нижче).

Але оптична активність властива також речовинам з хіральними молекулами, вони теж є дзеркальнпим зображеннями одна одної, їх теж не можна сумістити між собою всіма точками, але деякі елементи симетрії у них присутні, зокрема, вісь 2-го порядку, напри-клад, у молекулі винної кислоти. Природна сполука називається ще виннокамінною кис-лотою, вона обертає площину поляризованого світла праворуч, тобто за годинниковою стрілкою, тому раніше її називали d- або D-винною кислотою. Сучасна систематична назва – (2R,3R-дигідроксисукцинатна кислота). Її антипод – L-винна кислота, або (2S,3S)-дигідроксисукцинатна кислота. Цифри перед літерами іноді не пишуть. Оптично недіяльну кислоту називають мезовинною, тут асиметричні центри можуть бути позна-чені R,S або S,R. Мезовинна і будь-яка з винних кислот є діастереомерами, вони мають різні фізичні і хімічні властивості, внаслідок чого їх можна розділити кристалізацією.

Існує четверта винна кислота, яку називають виноградною. Це рацемат двох оптичних антиподів, тобто суміш їх рівної кількості. Рацемат є оптично недіяльним, хоча склада-ється з оптично активних форм. Луї Пастер розділив виноградну кислоту у вигляді цин-хонінової солі на антиподи, одержавши при цьому D- (природна сполука) і L-енантіоме-ри винної кислоти.

Хінін Цинхонін

Синтетичну винну кислоту у вигляді рацемату або мезоформи можна синтезувати, при-єднуючи бром до малеїнової або фумарової кислоти і потім замінюючи бром на спирто-вий гідроксил водним лугом. При цьому малеїнова кислота переходить в оптично недія-льну мезовинну, а фумарова – у рацемічну виноградну кислоту. Можна також іти шля-хом окиснення згаданих ненасичених кислот калій перманганатом за реакцією Вагнера.

Винні кислоти мають вісь симетрії 2-го порядку, що не заважає їм бути оптично актив-ними. Це хіральні сполуки, які в суміші дають рацемат. Мезовинна кислота має площи-ну симетрії, що робить її оптично неактивною.

Якщо зверху і знизу ланцюга з двох асиметричних карбонових атомів розташовані різні замісники, то ми отримаємо трео- і еритро-форми, які видно на прикладі альдотетроз – треози і еритрози, від назв яких походять ці префікси.

Альдотетрози

Треози Еритрози

У таблиці наведені конформаційні вільні енергії (ΔG°) замісників у заміще-них циклогексанах:

Це результат наштовхування Х на найближчі аксіальні атоми Н. У разі наяв-ності двох різних замісників екваторіалне положення займає той. що має бі-льшу вільну конформаційну енергію. Через це, наприклад, трет-бутил за-вжди займає екваторіальне положення в трет-бутилциклогексанах.

Трансанулярний ефект у середніх циклах (на прикладі циклододекану) – зближення внутрішніх атомів Н

Способи розділення (розщеплення) рацематів: способи Пастера

1._Механічне розділення (пінцетом) кристалів, що є дзеркальним зображенням один одного.

2. Утворення солей з природним оптично активним аміном (для кислот) і природною оптично активною кислотой (для амінів).

3. Використання бактерій, які споживають один з енантіомерів.

Пізніше були розроблені такі прийоми:

1._Додавання кристала одного з готових енантіомерів до пересиченого розчину рацемату.

2. Використання клатратів з сечовиною.

3. Використання хіральних каталізаторів (напр., р-ція Шарплеса, лекція 10).

4. Хроматографія на хіральних нерухомих фазах, застосування хіральних сорбентів.

Асиметричне перетворення

Типовий приклад – перетворення рацемічних ціангідринів на оптично активні ці-ангідрини під дією хіральних каталізаторів (зокрема, бруцину – алкалоїду з блюво-тних горішків). За наявності основи в розчині встановлюється рівновага між енан-тіомерами, каталізатор зсуває рівновагу в бік одного з енантіомерів. Навпаки, як-що взяти один з енантіомрів і звичайну основу (луг), то відбувається рацемізація.

Бруцин

У всіх випадках, коли в реакції бере участь асиметричний центр хіральної молекули і відсутні зовнішні асиметричні фактори (каталізатор, розчинник, реагенти), відбувається рацемізація і оптична активність зникає.

Спектральні дослідження оптично активних сполук

Апаратура: поляриметри, спектрополяриметри. Методи дослідження: дисперсія оптичного обертання, круговий дихроїзм.

Стереохімія електрофільного приєднання галогену до геометричних ізомерів алкенів

І – цис-бут-2-ен, ІІ – (1R,2R)-2,3-дибромобутан, ІІІ – (1S,2S)-2,3-дибромобутан

Тут працює таке стереохімічне правило: цис-ізомер алкену (I) дає суміш енантіомерів диброміду (II, III), тоді як транс-ізомер алкену (IV) дає індивідуальну сполуку – мезо-форму диброміду (V ≡ VI).

ІV – транс-бут-2-ен,