Этими формулами обычно пользуются для пространственного изображения молекул, содержащих асимметрический атом углерода : это тетраэдрический (sp 3 -гибридный) атом углерода, связанный с четырьмя разными атомами или группами атомов.
Для изображения проекционной формулы тетраэдрическую модель молекулы располагают так, чтобы асимметрический атом находился в плоскости чертежа, а две связи от асимметрического атома углерода лежали в горизонтальной плоскости, выступающей к наблюдателю из плоскости чертежа. Две другие связи должны располагаться в вертикальной плоскости, уходящей от наблюдателя за плоскость чертежа.
При использовании проекций Фишера символ асимметрического атома углерода обычно опускают:
Следует всегда учитывать, что формулы Фишера являются проекциями на плоскость и их не следует рассматривать как пространственные модели.
Поэтому необходимо соблюдать следующие правила:
проекционную формулу, отвечающую конкретному стереоизомеру, нельзя выводить из плоскости чертежа и нельзя поворачивать в плоскости на 90 о и 270 о;
возможен поворот формулы на 180 о
если положение одной атомной группы не менять, то остальные три можно вращать по часовой или против часовой стрелки:
4.2. Оптическая активность* и хиральность
Под оптической активностью подразумевают свойство, способность вещества вращать (отклонять на определённый угол) плоскость поляризованного света.
Поворот плоскости поляризации происходит либо по часовой стрелке (правое вращение), либо против хода часовой стрелки (левое вращение).
Для соединения, содержащего один асимметрический атом углерода возможны два изомера, которые соотносятся между собой как предмет и его зеркальное отражение, что видно на примере молочной кислоты.
Два изомера, каждый из которых является зеркальным отражением другого, называются оптическими или зеркальными изомерами .
Такая пара зеркальных изомеров называется энантиомерами или оптическими антиподами .
Энантиомерам присущи одинаковые физические свойства, за исключением направления вращения плоскости поляризации: они отклоняют поляризованный свет на один и тот же угол, но в противоположных направлениях.
Соединения, которые несовместимы со своим зеркальным отражением, принято называть хиральными .
Хиральность (от cheir – рука) – это основное понятие стереохимии, обозначающее свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отображением; является обязательным условием оптической активности молекул.
Смесь веществ, состоящая из равных количеств обоих энантиомеров, называется рацемической смесью . Оптическая активность такой смеси равна 0.
Стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами (подробно см. ниже, разд. 4.4.).
Таким образом, все хиральные молекулы являются молекулами оптически активных соединений.
Между хиральностью и оптической активностью существует однозначное соответствие. Характерной особенностью хиральных молекул является отсутствие оси, центра и плоскости симметрии, которые являются элементами симметрии .
Ось симметрии. Если вращение вокруг оси, проходящей через молекулу, на угол 2π/n=360 o /n вновь приводит её в исходное состояние, то такую ось называют осью симметрии n-го порядка С n . Понятно, что при значении n=1 в любом случае поворот вокруг оси возвращает молекулу в первоначальное состояние.
Например, молекула воды (а) имеет ось симметрии второго порядка (n=2), хлорметана (б) – третьего порядка, а в бензоле (в) наряду с шестью осями, располагающимися в плоскости цикла (n=2), имеется ещё одна ось (n=6), которая перпендикулярна плоскости цикла.
Плоскость симметрии. Если плоскость, проходящая через молекулу (объект) делит её на две части, соотносящиеся между собой как зеркальные изомеры, то её называют плоскостью симметрии . Вода имеет две плоскости симметрии, а хлорметан – три.
Центр симметрии i – это точка в центре молекулы, на равном расстоянии от которой на одной прямой располагаются две эквивалентные, равноценные точки данной молекулы.
В молекуле не может быть более одного центра симметрии.
Таким образом, с точки зрения наличия или отсутствия в молекулах элементов симметрии принято говорить о хиральности и ахиральности . В большинстве случаев по смыслу они совпадают с понятиями «асимметричность» и «симметричность». Вместе с тем хиральность – это понятие гораздо шире, чем асимметричность, поскольку хиральная молекула может содержать некоторые элементы симметрии. По этой же причине в стереохимии термин «асимметрический» атом очень часто заменяют термином «центр хиральности». Следовательно, под хиральностью следует подразумевать свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отображением. Ахиральная молекула содержит по крайней мере один элемент симметрии (либо центр, либо плоскость симметрии). Частным случаем ахиральности является прохиральность: способность, свойство ахиральной молекулы переходить в хиральную путём одноразового изменения одного какого-либо структурного фрагмента. Как правило, такая операция возможна при наличии прохирального центра – то есть центра, содержащего два различных и два одинаковых заместителя. Замещение одного из таких одинаковых заместителей на другой, отличающийся от всех имеющихся, превращает этот центр в хиральный:
Конфигурация и конформация
Стереоизомеры могут различаться конфигурациями (конфигурационные изомеры) или конформациями (конформационные изомеры).
Конфигурация – пространственное расположение атомов и/или атомных групп вокруг хирального центра, плоскости двойной связи или плоскости цикла и характеризующее определённый стереоизомер. Это понятие в большей степени имеет качественный характер и по сути отражает стереохимическую особенность конкретного расположения атомов в пространстве вокруг хирального центра данной молекулы.
Ниже показаны пары соединений, представляющие собой кофигурационные изомеры:
Конформация* - определённая геометрия молекулы, обусловленная внутренним вращением атомов или атомных групп вокруг простых связей. При этом стереохимическая конфигурация молекулы остаётся неизменной.
Для изображения конформаций пользуются проекциями Ньюмена. Для этана возможны две граничные конформации – заслоненная (I) и заторможенная (II).
Бутан отличается от этана наличием двух метильных групп, в связи с чем для данной молекулы возможно большее число заторможенных конформаций, что показано ниже. Более устойчивая конформация I обозначается как анти- : здесь метильные группы максимально удалены друг от друга (двугранный угол равен 180 о). Две другие конформации – скошенные, или иначе гош-конформации (II и III), в которых метильные группы образуют угол 60 о:
Проекция трёхмерной молекулы на плоскость
Проекция Фишера (проекционная формула Фишера , формула Фишера ) - способ изображения трёхмерной молекулы в виде проекции , в которой вертикальные связи удаляются за проекционную плоскость, а горизонтальные связи выступают перед этой плоскостью . Данные формулы были предложены Э. Фишером в 1891 году для изображения структур углеводов . Использование проекций Фишера для неуглеводных молекул может ввести в заблуждение и не рекомендуется ИЮПАК .
Построение
В проекции Фишера химические связи изображаются в виде горизонтальных и вертикальных линий, на перекрестьях которых находятся стереоцентры. Углеродный скелет изображают вертикально, при этом сверху находится атом углерода, с которого начинается нумерация скелета (например, альдегидный -атом для альдоз). Кроме того, в проекции Фишера все горизонтальные связи направлены в сторону наблюдателя, а вертикальные - удалены от наблюдателя. Данное условие важно для правильного построения проекции Фишера, а также при восстановлении трёхмерной структуры молекулы из её проекции. По этой причине проекцию Фишера нельзя вращать на 90° или 270°, так как это приведёт к изменению конфигурации стереоцентров. Согласно рекомендациям ИЮПАК, атомы водорода следует изображать в явном виде, однако структуры без атомов водорода также считаются приемлемыми .
Восстановление трёхмерной записи
Для восстановления пространственной формы молекулы из проекции Фишера необходимо горизонтальные связи изобразить направленными в сторону наблюдателя (жирными клинышками), а вертикальные - уходящими за плоскость изображения (штриховыми клинышками). Далее можно изобразить молекулу в любом трёхмерном представлении.
Использование
Проекции Фишера наиболее широко используются для построения структурных формул моносахаридов , а также аминокислот . Они также лежат в основе d/l -номенклатуры, используемой для различения энантиомеров этих природных соединений.
Тетраэдрическую модель одного из энантиомеров (рис. 10) 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 должны быть направлены к наблюдателю.
Рис. 10. Построение проекционной формулы Фишера (+)-молочной кислоты
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. 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°.
Тетраэдрическую модель строения органических соединений предложили Я.Г.Вант-Гофф и Ж.А.Ле-Бель в 1874 г. Они пришли к выводу, что если две молекулы являются стереоизомерами, то их можно описать зеркальными формулами, и если один изомер вращает плоскость поляризации влево, то второй должен вращать вправо. По знаку вращения можно определить относительную конфигурацию стереоизомеров. Однако между абсолютной конфигурацией , т.е. истинным расположением групп вокруг данного хирального центра, и знаком вращения прямого соответствия нет. Определить абсолютную конфигурацию химическими методами, если не известна абсолютная конфигурация хотя бы одного хирального реагента (а так и было вначале), невозможно. Спектральные методы могут дать информацию только об относительной конфигурации. В настоящее время существуют лишь два метода независимого определения абсолютной конфигурации: теоретический расчет и исследование аномальной дифракции рентгеновских лучей на ядрах тяжелых элементов.
Но в конце XIX - начале XX века этих методов не существовало и поэтому химики придумали следующий выход. Решили взять в качестве стандарта какое-нибудь одно соединение и произвольно приписать ему одну из возможных абсолютных конфигураций. Выбор пал на глицериновый альдегид по той причине, что он структурно связан с сахарами, которые в то время изучал Эмиль Фишер. (+) - Изомеру была приписана абсолютная конфигурация и он был обозначен буквой D (dextriogyrus - правый), а соответствующий (-) - изомер - буквой L (laevogyrus - левый). Как только был выбран стандарт, стало возможным соотносить с ним конфигурацию других соединений. Например, при окислении с помощью HgO (+)-глицериновый альдегид дает (-)-глицериновую кислоту. Данная реакция не затрагивает асимметричский атом, поэтому очень мало вероятно, чтобы его конфигурация изменилась, и следовательно (-)-глицериновая кислота относится к D - ряду.
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 сравнения проекций Фишера определяют относительнуюконфигурацию.
При изображении стереоизомеров часто пользуются формулами Фишера. В этих формулах хиральный центр рисуют с четырьмя связями, образующими друг с другом прямые углы. Вертикальные линии изображают проекцию на плоскость заместителей, находящихся за плоскостью, в то время как горизонтальные линии - это проекция заместителей, находящихся перед плоскостью. Символ асимметрического атома углерода в проекционных формулах Фишера принято опускать.
До 1951 г. установление абсолютной конфигурации было невозможно. Розанов в 1906 г предложил использовать в качестве относительного стандарта правовращающий (+) глицериновый альдегид, которому произвольно приписали конфигурацию D. Левовращающий антипод обозначили буквой L.
D-глицериновый альдегид L-глицериновый альдегид
В формулах Фишера самая длинная углеродная цепь записывается вертикально с атомом углерода №1 наверху; вертикальные связи асимметрического атома углерода располагаются за плоскостью чертежа, а горизонтальные над плоскостью.
D-молочная кислота L-молочная кислота
Если в проекции Фишера поменять местами две соседние группы, то получим зеркальное изображение исходного соединения. Зеркальное изображение начальной структуры получается и при повороте проекции Фишера на 90 о.
Диастереоизомерия
В виде диастереомеров могут существовать соединения, молекулы которых имеют два и более стереоцентров. С увеличением числа асимметрических атомов углерода число стереоизомеров увеличивается с появлением каждого нового стереоцентра и может быть вычислено по формуле N = 2 n , где n – число стереоцентров. Молекулы с двумя асимметрическими атомами углерода могут существовать в виде четырех стереоизомеров. Например, в молекуле 2,3-дибромпентана имеется два стереоцентра и, следовательно, у этого соединения 4 стереоизомера.
2,3-дибромпентан
(2S,3R)-2,3-дибромпентан (2R,3S)-2,3-ди… (2S,3S)-2,3-ди… (23,3R)-2,3-ди…
(I) (II) (III) (IV)
Пары стереоизомеров (I) и (II), также (III) и (IV) относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение, т.е. являются парами энантиомеров. Стереоизомеры в любых других парах являются диастереомерами. Две различные конфигурации одной молекулы, но не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами. Два диастереомера различаются по всем свойствам и сравнительно легко разделяются, как два различных соединения.
В проекционных формулах (I) и (II) одинаковые лиганды находятся по одну сторону проекции, такие стереоизомеры называют эритро -формами. В формулах (III) и (IV) эти же лиганды находятся по разные стороны вертикальной линии проекции Фишера, соответствующие им соединения называют трео -формами.
А. Мезо-соединения
У структуры с двумя стереоцентрами не всегда может быть 4 стереоизомера. Например, у 2,3-дибромбутана имеется два стереоцентра, но не 4 а только 3 стереоизомера.
(2S,3R)-2,3-дибромбутан (2S,3S)-2,3-ди… (2R,3R)-2,3-ди…
мезо- форма
Нумеровать атомы 2,3-дибромбутана можно сверху вниз или снизу вверх и тогда видно, что первые две структуры изображают один и тот же стереоизомер. Этот стереоизомер ахирален и оптически не активен, т. к. имеет плоскость симметрии
Упр. 7. Изобразите формулы Фишера пространственных изомеров: (а) глицеринового альдегида (2,3-дигидроксипропаналя), (б) молочной (2-гидроксипропа-новой) кислоты, (в) яблочной (2-гидроксибутандиовой или гидроксиянтарной) кислоты, (г) винной (2,3-дигидроксибутандиовой или дигидроксиянтарной) кислоты.
P-Диастереомеры
Алкены и их производные с общей формулой ABC=CDE могут существовать в виде p-диастереомеров. p-Диастереомеры возникают при условии неидентичности лигандов, связанных с отдельными атомами углерода двойной связи. p-Диастерео-меры отличаются друг от друга различным расположением лигандов относительно проскости симметрии p-связи.
О заместителях, расположенных по одну сторону от двойной связи, говорят, что они находятся в цис -положении относительно друг друга; если они расположены по разные стороны от плоскости двойной связи, то это транс -положение. В последнее время вместо терминов цис- и транс - рекомендуется Z,E-система. Если две наиболее старшие группы (по системе Кана-Ингольда-Прелога) расположены по одну сторону от p-связи, то конфигурация заместителей обозначается символом Z, если же эти группы находятся по разные стороны от плоскости p-связи, то конфигурация обозначается символом Е.
Таким образом, мы обсудили два вида диастереоизомерии:
Диастереоизомерия возникающая в результате комбинации элементов хиральности (в этом случае диастереоизомерия и энантиомерия накладываются друг на друга);
Диастереоизомерия цис-транс -изомеров.
Упр. 8. . Напишите структурные формулы (а) цис- 1,2-дихлорэтена и транс -1,2-дихлорэтена, (б) цис- 1,2-дифторэтена и транс -1,2-дифторэтена, (в) цис- 1,2-дихлор-
1,2-дифторэтена и транс- 1,2-дихлор-1,2-дифторэтена.
2.4 Цис-транс изомерия и конформации циклоалканов
Циклопропан, средство для ингаляционного наркоза (т. кип. -33 о С) имеет плоскую структуру. Каждый из трех атомов водорода по одну сторону от плоскости кольца занимает транс положение по отношению к каждому атому водорода, находящемуся по другую сторону плоскости кольца. Любые два атома водорода, расположенные по одну сторону кольца, находятся в цис положении и заслоняют друг друга.
циклопропан цис -водороды транс -водороды
Существует только один монозамещенный циклопропан. Дизамещенный циклопропан c одинаковыми заместителями может существовать в виде двух диастереомеров. Традиционно их описывают как цис - и транс- формы. У цис -формы есть плоскость симметрии, и она, поэтому не может существовать в виде пары энантиомеров, в то время как транс -форма - может.
цис
-1,2-диметилциклопропан транс
-1,2-диметилциклопропан
Б. Циклопентан
Молекула циклопентана почти плоская. В молекуле 1,2-диметилциклопентана два стереоцентра и поэтому он существует в виде трех стереоизомеров.
энантиомеры мезо соединение
Транс изомер существует в виде двух энантиомеров, а цис -1,2-диметилцикло-пентан является мезо соединением, т. к. у него есть плоскость симметрии. 1,3-Диме-тилциклопентан также существует в виде трех стереоизомеров.
энантиомеры мезо соединение
В. Циклогексан
Если в циклогексановом кольце имеется более одного заместителя, то при оценке стабильности той или иной конформации учитывают взаимное расположение заместителей в кольце и их строение. Так в молекуле транс -1,2-диметилцикло-гексана оба заместителя могут занимать или аксиальное, или экваториальное положение; разумеется, более выгодной является диэкваториальная конформация.
транс -1,2-диметилциклогексан цис -1,2-диметилциклогексан
У цис -изомера в любой из двух конформаций кресла одна из метильных групп занимает аксиальное положение, другая – экваториальное.
Молекула циклогексана может принимать несколько конформаций.
«кресло» «ванна»
При обычной температуре на 99,9% она существует в форме двух быстро интерконвертирующих кресловидных конформаций. Конформация кресла наиболее симметрична, каждый атом углерода имеет по две неэквивалентные связи С–Н.
У формы кресла есть ось симметрии третьего порядка. Шесть связей С-Н в циклогексане параллельны этой оси: три из них направлены вверх, а три - вниз, эти атомы водорода занимают аксиальное (а) положение. Еще шесть связей С-Н почти перпендикулярны оси симметрии, эти атомы водорода занимают экваториальное (е) положение.
В процессе конформационных превращений все аксиальные заместители а становятся экваториальными, и соответственно экваториальные е – аксиальными. С этой точки зрения конформационные переходы циклогексана называют инверсией .
Переход осуществляется через промежуточно возникающую твист-конформацию. Барьер конформационного перехода в циклогексане равен приблизительно 42 кДж/моль и мало меняется при введении заместителей.
Из ньюменовской проекции “кресла” циклогексана ясно, что соседние атомы водорода не заслонены.
проекция Ньюмена циклогексана
Кроме формы кресла существует также форма ванны, полу кресла (или полу твист) и твист-форма циклогексана. Эти формы известны под названием подвижных форм.
Рис.4. Энергетическая характеристика конформаций циклогексана
В форме ванны два атома водорода называют бушпринтными и два - флагштоковыми. Форма ванны является переходной между различными твист-формами, а полутвист-форма - переходной между формой кресла и твист-формой. Из трех подвижных форм наиболее важную роль играет твист-форма.
Кроме того, через полутвист-конформацию идет важный процесс взаимного превращения кресло-кресло (инверсия), в результате которого все (а) связи становятся (е) (в то же время все цис-транс соотношения между ними остаются неизменными).
Для монозамещенных циклогексанов имеются две неэквивалентные конформации с заместителями в аксиальном и экваториальном положениях. Обычно более устойчива экваториальная форма.
Разница в относительной стабильности конформеров с аксиальным и экваториальным положением заместителей объясняется диаксиальным взаимодействием аксиальных атомов водорода с заместителями.
проекции Ньюмена конформеров метилциклогексана
Барьер взаимопревращения (а)- и (е)-конформеров очень низок. Большинство заместителей предпочитают экваториальное положение. трет -Бутильная группа в циклогексане фактически всегда экваториальна.