Хиральность молекулы и оптическая активность

Но возможна и другая ситуация. Молекула может и не иметь хирального центра, но быть оптически активной. В этом случае появление оптической активности обусловлено хиральностью всей молекулы. Рассмотрим это на примере пента-2,3-диена.

Два энантиомера пента-2,3-диена.

Строение молекулы таково, что две двойные связи лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, молекула хиральна и может существовать в виде пары энантиомеров. Оптической активностью обладают и некоторые производные бифенила. Если создать условия, при которых невозможно вращение вокруг  - связи, то такие молекулы становятся оптически активными. Такая ситуация реализуется, когда в орто – положения бензольного ядра вводят объемистые заместители. Так, о-, о - динитродифеновые кислоты существуют в виде пары энантиомеров, которые можно выделить в индивидуальном состоянии. В этом соединении невозможно вращение вокруг центральной С-С связи из-за наличия объемистых групп в орто-положениях, при этом два фенильных кольца лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, поэтому молекула хиральна и обладает оптической активностью.

О птическая изомерия, обусловленная затруднением вращения.

Абсолютная и относительная конфигурация хиральных молекул.

Оптически активные молекулы отличаются конфигурацией. Этот термин означает определенное пространственное расположение атомов в молекуле. Естественно, возникает вопрос, как экспериментально определить конфигурацию данного стереоизомера. Это удалось только в 1951 году, когда был разработан специальный вариант рентгеноструктурного анализа, который позволил определить абсолютную конфигурацию хиральной молекулы. Этим первым соединением оказалась молекула природной (+) винной кислоты. Установление абсолютной конфигурации - это очень трудоемкий процесс. Однако такой необходимости нет после того, как была установлена абсолютная конфигурация нескольких ключевых молекул ((+) глицеринового альдегида,(+) глюкозы и др.). Оказалось, что можно устанавливать относительную конфигурацию хирального центра, сравнивая его конфигурацию с конфигурацией ключевого, или эталонного соединения.

Способы обозначения оптически активных молекул.

В течение многих лет конфигурация стереоизомеров обозначалась символами D и L, чтобы связать их конфигурацию с конфигурацией 2,3- дигидроксипропаналя ( глицеринового альдегида).

D(+) глицериновый альдегид L(-) глицериновый альдегид. Энантиомеры 2,3-дигидроксипропаналя (глицеринового альдегида)

Если конфигурация хирального центра изучаемой молекулы совпадала с конфигурацией (+) глицеринового альдегида, то ей приписывалась D-конфигурация, если имела противоположную, т.е. совпадала с (-) -глицериновым альдегидом, - то L- конфигурацию. В настоящее время правильность произвольно выбранной конфигурации для (+) глицеринового альдегида подтверждена рентгеноструктурным анализом и приобрела силу абсолютной конфигурации. Глицериновый альдегид был выбран первоначально в качестве соединения сравнения, ”стандарта”, по той причине, что его можно было превратить во многие другие встречающиеся в природе соединения. Например (+)глицериновый альдегид можно превратить в (-) молочную кислоту рядом последовательных реакций, не затрагивающих хиральный центр.

D(+) -глицериновый альдегид D(-) -молочная кислота

Схема синтеза (-) молочной кислоты из (+) глицеринового альдегида

Таким образом, обе эти молекулы имеют одинаковую конфигурацию (D) , хотя знаки их вращения разные. Заглавные буквы D и L стали символами первой стереохимической номенклатуры. В настоящее время она широко используется в химии углеводов и аминокислот. Например, аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду .По этой номенклатуре L-конфигурация приписывается тому стереоизомеру, у которого NH2- группа находится слева от вертикальной прямой на проекции Фишера , при условии, если окисленная группа располагается вверху.

L - изомер D-изомер

В природе наиболее распространены углеводы, относящиеся к D-ряду. Отнесение к D-ряду углеводов производится по расположению самой нижней гидроксильной группы, связанной с асимметрическим атомом углерода.

D -глицериновый D-глюкоза

альдегид

D и L система используется часто и в настоящее время, но с помощью этой системы можно обозначить только конфигурацию одного хирального центра. В 1951 году была предложена универсальная стереохимическая номенклатура, позволяющая обозначить любое число хиральных центров. Согласно правилам этой системы, можно дать название стереоизомеру как по проекционной формуле, так и по молекулярной модели, и, наоборот, воспроизвести проекционную формулу. Для обозначения хиральных центров используют символы R и S . Чтобы обозначить хиральный центр соответствующим символом R или S, определяют старшинство заместителей при асимметрическом атоме углерода. Предположим, что старшинство заместителей падает в следующей последовательности: a > b > c > d. Тетраэдрическую модель располагают таким образом, чтобы младший заместитель находился в удаленном от глаза наблюдателя углу тетраэдра. Затем на молекулу смотрят со стороны, удаленной от младшего заместителя. Если при этом старшинство заместителей уменьшается по часовой стрелке (от старшего заместителя к младшему), то такому хиральному центру приписывают символ R, а если против часовой стрелки - то S.

Старшинство групп уменьшается Старшинство групп уменьшается по часовой стрелке против часовой стрелки

Порядок старшинства заместителей определяется следующим образом:

1Атомы, непосредственно связанные с хиральным центром, располагаются в порядке уменьшения их атомных номеров, например: Br > Cl > C > H.

2. Если два или более атомов, непосредственно связанных с хиральным центром, одинаковы, то порядок старшинства определяется атомными номерами следующего слоя:

CH₂OH > CH₂NH₂ > CH₃CH₂ > CH₃

3.Если атом, связанный с хиральным центром, имеет кратные связи, то атом на другом конце кратной связи считается дважды (для двойной связи) или трижды (для тройной связи):

COOH > COH > CH₂OH

Более удобно использовать не тетраэдрические модели, а проекционные формулы Фишера. Для этого надо спроектировать модель на плоскость таким образом, чтобы младший заместитель оказался внизу на проекции, а путем четного числа перестановок при хиральном центре добиться их такого расположения, чтобы оно совпадало со старшинством заместителей.

На основании приведенных выше правил и старшинства заместителей вокруг асимметрического атома углерода определим конфигурацию для природной аминокислоты – аланина. Природная аминокислота относится к L-ряду и может быть представлена следующей проекцией Фишера:

CH₃-C*H(NH₂) –COOH

L ряд

Хиральный атом связан непосредственно с атомами водорода, азота и двумя атомами углерода. Таким образом можно определить самый старший заместитель ( амино-группа) и самый младший (водород). Два других заместителя (CH₃ и COOH ) имеют одинаковый атомный номер. Для определения их старшинства необходимо учитывать атомные номера атомов, с которыми непосредственно связаны эти заместители. COOH>CH₃, и мы получаем такой ряд старшинства заместителей: NH₂ > COOH > CH₃ > H

Чтобы обозначить конфигурацию аланина в системе “R,S,” необходимо преобразовать проекцию Фишера. Для этого производим первую перестановку, меняя местами H и CH₃ (младший заместитель должен быть внизу). Смотрим на проекцию, старшинство не нарушено, но мы сделали одну перестановку (запрещено правилами пользования проекциями Фишера), поэтому мы обязаны сделать вторую (меняем местами группы NH₂ и CH₃). Мы сделали четное число операций, первая и последняя проекция изображают один и тот же стереоизомер. Определяем падение старшинства заместителей. В данном случае он происходит против часовой стрелки. Природный аланин по системе “R,S” называется 2-(S) -аминопропановая кислота.

L после 1пере- после 2-ой S

становки перестановки

С помощью этой номенклатуры можно дать название для любой молекулы. Так, приведенные выше 2,3-дигидроксибутандиовые кислоты могут быть названы следующим образом: 1- 2(R),3(R) -дигидроксибутандиовая-1,4-кислота; 2-2(S)3(S)-дигидроксибутандиовая-1,4-кислота и 3 изомер- мезовинная кислота- 2-(R),3(S)- дигидроксибутандиовая -1,4-кислота.

Разделение рацемата на энантиомеры.

Уже говорилось выше, что в природе встречаются оптически активные соединения. Однако в процессе химической реакции получается рацемат, содержащий равные количества двух энантиомеров. При этом возникает проблема разделения рацемата на энантиомеры. Известны специальные приемы, называемые методами разделения рацематов.

1 .Кристаллографический. В 1848 году Л.Пастер обнаружил, что из водных растворов натриево - аммониевой соли виноградной кислоты (рацемат (+)- и (-) -винных кислот) при определенных условиях выпадают кристаллы двух типов, отличающиеся друг от друга как предмет и его зеркальное отображение. Пастер разделил эти кристаллы механическим путем и получил в чистом виде соли (+) винной кислоты и (-) винной кислоты. Этот метод получил название метода Пастера. Однако этот метод удается применить не всегда. В настоящее время известно около 300 пар энантиомеров, способных к такой кристаллизации

2.Биохимический метод. Этот метод основан на высокой избирательности работы фермента. Ферменты, имеющиеся в живых организмах, способны катализировать превращения стереоизомера лишь с одной, вполне определенной конфигурацией хирального центра (обычно того, который встречается в природе). Рассмотрим использование этого метода для разделения рацемата аминокислоты. В начале на рацемат действуют ацилирующим агентом ( например, вводят ацетильную группу). При этом получают рацемат, состоящий из N -ацетильных производных (+) - и (-)- аминокислоты. Затем ацетильные производные подвергают ферментативному гидролизу в присутствии фермента ацилазы. Производные природной кислоты гидролизуются под действием фермента. В результате получают смесь природной аминокислоты и N-ацетильное производное другого энантиомера. Эту смесь легко разделить. Так, свободная аминокислота растворяется в разбавленных кислотах, в то время как N-ацетильное производное - не растворяется.

1. а цетилирование

2. гидролиз в присутствии фермента ацилизы.

L(-)-метионин N-ацетил (+)-метионин

3.Химический способ. Сущность метода заключается в получении из пары энантиомеров диастереомеров, разделение которых основано на различии их свойств. Но и этот метод требует использования природного оптически активного вещества.

1.3.4 Цис-транс изомерия

Относительно свободное вращение, возможное вокруг простой связи, не осуществляется в случае соединений с двойной связью, так как это требует разрыва старой и образования новой - связи, что может произойти только в жестких условиях - при высоких температурах или при облучении ультрафиолетовым светом. В связи с этим соединения, содержащие у атомов углерода, связанных двойной связью, хотя бы по одному разному заместителю, могут существовать в виде двух стереоизомеров. Так как соединения с двойной связью плоские (sp²- гибридизация атома углерода), то заместители могут быть расположены по одну сторону от двойной связи, либо по разные стороны.

ав С=С ав

Е сли одинаковые заместители расположены по одну сторону от  - связи, то такой изомер называется цис-изомером, если по разные - то транс- изомером. Цис,-транс-изомеры - это конфигурационные изомеры, так как они отличаются различным расположением атомов в пространстве. Например:

цис-изомер транс-изомер

ц ис-бутен-2 транс-бутен-2

Но эта номенклатура может быть использована только для обозначения изомеров, имеющих одинаковые заместители. В общем случае, при наличии разных заместителей при атомах углерода, связанных двойной связью, используется Z, E - номенклатура, основанная на старшинстве заместителей, определяемом по атомному номеру заместителя. Если старшие заместители расположены по одну сторону от двойной связи - то такому изомеру приписывается символ Z ( от немецкого слова zusammen -вместе) если по разные - то символ E (от немецкого – entgegen - напротив), например:

Z - 1-бром--1-фтор-2-хлорэтен Е- 1-бром-1-фтор-2-хлорэтен

Аналогично, цис-бутен-2 получает название: Z-бутен-2, а транс-бутен-2 : Е-бутен-2.

Так как цис -, транс - изомеры отличаются различным взаимным расположением заместителей относительно друг друга, то такие изомеры различаются физическими и химическими свойствами. Один из изомеров, как правило транс-изомер, более устойчив. Этим объясняют распространенность транс-изомеров в природе. Температура кипения цис-изомера выше, чем транс-изомера. Цис-изомер менее симметричен, и поэтому его упаковка в кристаллической решетке менее плотная, что обусловливает, как правило, более низкую температура плавления цис-изомера (табл.). Для того, чтобы приписать цис- или транс-строение определенному изомеру, используют данные по измерению дипольного момента. Дипольный момент транс-изомера всегда меньше ( или равен нулю при одинаковых заместителях ) дипольного момента цис-изомера.

Таблица

Физико-химические свойства бутен-2-диовых-1,4-кислот.

Кислота	Т.пл., ^0 С	Растворимость в воде	рК а 1
цис-бутен-2-диовая-1,4 (малеиновая)	130,5	1:2	2,4
транс-бутен-2-диовая-1,4 (фумаровая)	287	1:150	3,1

Ц ис,-транс-изомерия возможна и для циклических соединений, в которых свободному вращению препятствует цикл. В этом случае заместители могут располагаться по одну - цис-изомер, или по разные стороны от плоскости цикла - транс-изомер. Пример цис, - транс-изомерии для циклических соединений

цис- 1,2 –дибромциклобутан транс-1,2-дибромциклобутан