2. ОРГАНИЧЕСКАЯ_ХИМИЯ_В_СХЕМАХ_И_РИСУНКАХ

OH

*

H3C CH COOH

Хиральностью обладают любые предметы, которые являются асимметрическими (несимметричными), например, правая и левая рука (правую перчатку нельзя надеть на левую руку). В химии тоже встречаются асимметричные объекты - молекулы. Например:

		H
H C		C*		COOH
3					2-гидроксипропановая
		OH			кислота

Такие молекулы имеют хиральный центр, т.е. такую структурную единицу, которая обусловливает отсутствие в молекуле элементов симметрии (ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии). Наиболее часто в природе встречаются соединения, в которых хиральными центрами являются один или несколько асимметрических атомов углерода.

Все молекулы, имеющие асимметрические атомы углерода, существуют в виде пространственных изомеров, число которых определяется по формуле N=2n (где N – число стереоизомеров, n – число асимметрических атомов).

Например, вещества, в молекулах которых присутствует один асимметрический атом углерода, встречаются в виде двух пространственных изомеров (N=21=2) , что

видно на примере 2-гидроксипропановой : в этой кислоты

молекуле один асимметрический атом углерода (он обозначен *), поэтому возможны только два стереоизомера:

	COOH				COOH
	*				*
H	C		OH	HO	C	H
		CH3		H3C
	I				II

Соединения I и II называются энантиомерами (антиподами, зеркальными изомерами, оптическими изомерами).

Энантиомеры – это пространственные изомеры, молекулы которых являются зеркальным отражением друг друга.

Все энантиомеры, являются хиральными соединениями и обладают оптической активностью.

Оптическая активность – это способность вещества вращать плоскость плоскополяризованного света.

Если раствор вещества вращает плоскость плоскополяризованного света вправо (по часовой стрелке), то вещество называют правовращающим, если влево (против часовой стрелки) - левовращающим. Правое вращение обозначают символом (+) , левое - символом (-). Определяют знак вращения в стандартных условиях с помощью прибора поляриметра. Угол, на который вещество поворачивает плоскополяризованный свет, является величиной постоянной, называется удельным вращением, обозначается символом и служит важнейшей характеристикой при определении подлинности многих

31

лекарственных веществ, молекулы которых хиральны.

Рацемической смесью называется смесь равных количеств энантиомеров.

Рацемическая смесь оптически неактивна.

4.2 Свойства хиральных соединений

Все физические и химические свойства энантиомеров в симметричном окружении идентичны. В несимметричном окружении свойства энантиомеров могут различаться: энантиомеры вращают плоскость поляризованного света в равной степени, но в противоположные направления; с другими хиральными соединениями они реагируют с разными скоростями. На этом основано действие многих биологически активных веществ, например, ферментов.

4.3 Правила работы с проекционными формулами Фишера

Для изображения оптических изомеров обычно используют формулы Фишера.

Формула Фишера - это проекция тетраэдрической модели на плоскость, ориентированной таким образом, чтобы горизонтальная пара связей была обращена к наблюдателю, а вертикальная удалена от него.

a

b c

d

Заместители b и c обращены к наблюдателю, a и d- находятся за плоскостью листа

В общем случае одна тетраэдрическая модель может дать 12 проекционных формул Фишера (в зависимости от ориентации тетраэдра в пространстве). Однако обычно углеродную цепь располагают сверху вниз в соответствии с нумерацией атомов углерода в соединении. Хиральный центр подразумевается на пересечении горизонтальной и вертикальной линий и в формуле не указывается.

3

2*

1

з

COOH

е

COOH

H3C

CH

COOH

*

р

*

OH

H

OH

HO

H

к

CH3

а

CH3

л

о

энантиомеры

Для сопоставления различных

формул

Фишера

одного

и того же

32

вещества используют следующие правила: -формулы Фишера нельзя:

а) выводить из плоскости чертежа; б) рассматривать “на просвет” с обратной стороны бумаги;

-формулы Фишера можно:

в) вращать в плоскости чертежа на 1800;

	COOH						CH3
H				OH		HO				H
	CH3						COOH

поворот на 1800

г) делать в них четное число перестановок заместителей;

COOH

первая

COOH

вторая

COOH

H

OH

перестановка

H

CH3

перестановка

HO

CH3

поменяли СН3 и OH

поменяли Н и OH

CH3

OH

H

антипод

идентичны

д) вращать три заместителя по часовой стрелке.

COOH

COOH

COOH

H OH H3C H HO CH3

CH3

OH

H

Вещество может содержать два и более асимметрических атомов углерода. Такое вещество имеет несколько стереоизомеров. Общее число возможных стереоизомеров определяют по формуле N=2n, где n-число хиральных центров.

Например, для 2,3-дигидроксибутановой кислоты, имеющей 2 хиральных центра, существует 22=4 стереоизомера:

*

*

CH

3

CH

CH

COOH

OH OH

COOH

COOH

COOH

COOH

H

OH

HO

H

H

OH

HO

H

H

OH

HO

H

HO

H

H

OH

CH3

CH3

CH3

CH3

I

II

III

IV

I и II;

III и IV – энантиомеры (зеркальные изомеры, антиподы);

I и III;

I и IV;

II и III; II и IV - диастереомеры.

Диастереомеры – это пространственные изомеры, не являющиеся

энантиомерами (В

таких

стереоизомерах конфигурации

атомных

групп у

33

одних хиральных центров совпадают, а у других – зеркально противоположны). Для веществ типа Cabd-Cabd существует меньшее число стереоизомеров. Например, 2,3-дигидроксибутандиовая (винная) кислота имеет три

стереоизомера.

* *

HOOC

CH

CH

COOH

OH OH

COOH

COOH

COOH

H

OH

HO

H

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

COOH

COOH

COOH

I

II

III

Формулы I и II изображают энантиомеры. Если к формуле III построить зеркальный изомер, то при внимательном рассмотрении окажется, что это идентичные формулы, т.к. превращаются друг в друга при повороте на 1800.

Формула III изображает оптически неактивное вещество, называемое мезоформой.

Формулы I и II изображают оптически активные вещества, так как их молекулы несимметричны; формула III изображает оптически неактивное вещество, так как симметрична (имеет плоскость симметрии).

COOH

плоскость H OH

симметрии H OH

COOH III

Мезо-формами называются оптически неактивные вещества с четным числом асимметрических атомов углерода, имеющие плоскость симметрии.

5. СТЕРЕОХИМИЧЕСКАЯ НОМЕНКЛАТУРА

Согласно правилам ИЮПАК названия органических веществ, отражающие их пространственное строение, строятся с помощью приставок: D-,L-;R-,S-; мезо-; эритро-, трео-; цис-, транс-; E-, Z- и др. Эти приставки добавляются к систематическим названиям .

5.1 D-, L-система обозначений

В настоящее время эта система в основном применяется в номенклатуре аминокислот, гидроксикислот и углеводов.

Чтобы отнести вещество к D-,L-стереохимическим рядам, конфигурацию (пространственное строение) его молекулы сравнивают с конфигурацией

34

стандарта – глицеринового альдегида:

*

O

CH

CH

C

2

H

OH OH

O

O

C H

C H

H

OH

D(+) глицериновый

HO

H

CH2OH

CH2OH L(-) глицериновый

альдегид

альдегид

Если конфигурация молекулы совпадает с конфигурацией D-глицеринового альдегида, – это вещество D-ряда, и, соответственно, L-ряда, если конфигурация совпадает с конфигурацией L-глицеринового альдегида.

Например:

H3C

CH

COOH

2-аминопропановая кислота (аланин)

NH2

Формула Фишера одного из изомеров:

O

COOH

совпадает с конфигурацией

C

H

D - глицеринового альдегида

H

NH2

H

OH

CH3

CH2OH

D(-)аланин	D(+) глицериновый альдегид

Если формула Фишера записана нестандартно, ее следует преобразовать по вышеизложенным правилам в соответствии с нумерацией атомов углерода в углеродной цепи (см. стр. 32). Если при этом группы ОНили NH2- окажутся справа, то вещество имеет D-конфигурацию, если слева – L-конфигурацию. Например, формула Фишера одного из изомеров 2,3-дигидроксипропановой кислоты записана в виде I. Привести ее к стандартной форме записи можно путем поворота в плоскости листа на 180 (формула II). Сравнение с формулой эталона показывает, что вещество имеет L-конфигурацию.

*

2,3 - дигидроксипропановая кислота

HO

CH2

CH

COOH

OH

3 CH2OH

O

поворот на

1COOH

совпадает с конфигурацией

C

H

2

1800

L-глицеринового альдегида

H

OH

HO

2

H

HO

H

1COOH

3CH OH

CH OH

2

2

I

II

L(-) глицериновый

альдегид

35

5.2 R-,S-система обозначений

Эта система используется для всех оптически активных веществ. Чтобы отнести вещество к R,S-стереохимическим рядам:

1. Определяют старшинство заместителей по правилу последовательности Кана-Ингольда-Прелога.

Согласно этому правилу:

1) старшинство заместителей устанавливают по атомам 1-го слоя (т.е. атомам, непосредственно связанным с асимметрическим атомом углерода). Старшим считается заместитель, содержащий атом с большим порядковым номером в периодической системе элементов;

2) если с хиральным центром связано два или несколько одинаковых атомов, старшинство устанавливается по второму слою (т.е. атомам непосредственно связанным с атомами первого слоя). При этом старшинство зависит от наличия и числа атомов с большим порядковым номером;

3)если по второму слою старшинство определить не удается, используют атомы третьего слоя и т. д.;

4)если в состав заместителя входят атомы, связанные двойной или тройной связью, то их число соответственно удваивается или утраивается.

Согласно приведенным правилам заместители, содержащие атомы углерода, можно расположить в порядке уменьшения старшинства следующим образом:

C O ,

C O

CH3

,

CH2OH ,

C6H5 ,

C

CH ,

C

CH3 ,

CH=CH2 ,

C2H5 ,

CH3

OH

H

CH3

2. Формулу Фишера преобразуют по вышеизложенным правилам (см. стр. 32) так, чтобы младший заместитель оказался внизу (что будет соответствовать его наибольшему удалению от наблюдателя в стереохимической формуле).

3. Устанавливают, как падает старшинство заместителей: если по часовой стрелке –это вещество R-ряда, если против часовой стрелки -это вещество S-ряда.

Например: Пример 1.

HOOC CH CH2OH

NH2

2-амино-3-гидроксипропановая кислота (серин)

стереохимическая формула одного из изомеров

36

наблюдатель

COOH

N

H

1

H2N

C

H

Наиболее удален

H

от наблюдателя

O

CH2OH

C

O0

2

O

H

H

C

H

3

O

H

H

4

I

II

III

слой слой слой

С асимметрическим атомом углерода связаны заместители: -NH2, -COOH, -CH2OH, -H. В первый слой входят атомы: N, C, C и H, имеющие соответственно порядковые номера: 7, 6, 6 и 1. Следовательно, по первому слою устанавливают, что самой старшей является группа –NH2, а самым младшим – водород. Чтобы сравнить старшинство групп -COOH и -CH2OH, надо сравнить атомы второго слоя: в группе –COOH второй слой содержит три атома кислорода [O, O, O0], в группе -CH2OH два водорода и один кислород. Следовательно, COOHгруппа старше CH2OHгруппы. Между всеми четырьмя заместителями старшинство распределяется так: -NH2; -COOH; -CH2OH; -H.

	2				2
	COOH				COOH
1	C		H энантиомер этого вещества	3	C		H
H2N			3	HOH2C			1
			CH2OH				NH2
			S -2 -амино -3-гидрокси-
R -2- амино -3 -гидрокси-				пропановая кислота
пропановая кислота

Пример 2.

OH

H2N CH2 CH CH3

1-аминопропанол-2

37

Формула Фишера одного из изомеров:

CH2NH2

H OH

CH3

H

H

4

C

N

H 2

H

H

C

H

3

H

O

H

1

I

II

III

слой слой слой

1.Определяют старшинство заместителей. Порядок уменьшения старшинства: -OH> -CH2NH2> -CH3> -H.

2.Преобразуют проекцию Фишера так, чтобы младший заместитель был внизу, а старшинство остальных изменялось плавно:

	CH2NH2	первая		CH2NH2	вторая		CH2NH2
H	OH	перестановка	H3C	OH	перестановка	HO	CH3
	CH3			H			H

R -1 -аминопропа- нол -2

Примечание:

1)D-, L-система часто используется для обозначения относительной конфигурации, а R-, S-система – для обозначения абсолютной конфигурации.

Термин «относительная конфигурация» согласно правилам ИЮПАК используется для описания положения заместителей у разных атомов молекулы друг относительно друга. Термин «абсолютная конфигурация» используют для описания пространственного положения заместителей вокруг хирального центра.

2)Обозначения (+) и (-) перед названиями веществ не связаны с приставками D-, L-, R- и S- и могут быть определены только с помощью поляриметра.

В номенклатуре диастереомеров используют приставки:

1) мезо- для соединения с двумя одинаковыми асимметрическими атомами типа Cabd-Cabd

38

CH3

H Cl мезо -2,3 -дихлорбутан

H Cl

CH3

2) эритро- и трео- для соединений с двумя разными асимметрическими атомами типа Савd-Caвf или Савd-Cafe. При стандартном написании проекционной формулы Фишера у эритро-изомера одинаковые (или родственные) заместители расположены по одну сторону проекционной формулы, у трео-изомера по разные

CH3

CH3

CH3

CH3

H

Cl

Cl

H

Cl

H

H

Cl

H

Br

Br

H

H

Br

Br

H

CH3

CH3

CH3

CH3

эритро-

эритро-

трео-

трео-

3) цис-, транс- для обозначения конфигурации геометрических изомеров. Приставка цисиспользуется в том случае, когда одинаковые или сходные заместители расположены по одну сторону, а приставку транспо разные стороны общей для стереоизомеров плоскости сравнения (плоскости двойной связи или плоскости цикла).

Например:

H

H

H3C

H

C

C

C

C

H3C

CH2

CH3

H

CH2

CH3

цис-пентен-2

транс-пентен-2

H H

H

CH3

CH3 CH3

CH3

H

цис-1,2-диметилциклопропан транс-1,2-диметилциклопропан

4) Е-, Z- для обозначения конфигурации геометрических изомеров. Может быть применима во всех случаях.

Приставка Z- (от немецкого слова zusammen – вместе) используется в случае, когда два старших заместителя лежат по одну сторону плоскости сравнения.

Приставка Е -(от немецкого слова entgegen – напротив) используется в случае, когда два старших заместителя лежат по разные стороны плоскости сравнения.

Старшинство заместителей определяют по правилу последовательности Кана-Ингольда-Прелога (см. стр. 36) среди каждой пары заместителей связанных с одним и тем же атомом углерода.

39

Например:

старший H3C		COOH старший	старший H C			CH	3	младший
C		C	3	C		C
младший H		CH3 младший	младший H
						COOH старший

Z -2 -метилбутен -2-овая кислота	E -2 -метилбутен -2-овая кислота

Примечание: кроме понятия конфигурация в стереохимии большое значение имеет понятие конформация.

Конформации (или конформационные изомеры) – это формы, которые приобретает молекула только путем свободного вращения атомов вокруг связей. В отличие от конфигурационных изомеров конформационные изомеры быстро превращаются друг в друга и не поддаются разделению.

Большое значение имеют конформации циклических систем, например циклогексана

конформация ванны (лодки) конформация кресла

6. КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕХАНИЗМЫ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

6.1 Классификация реакций

Органические реакции можно классифицировать по: I - направлению реакций;

II - способу разрыва и образования связей.

По направлению различают реакции замещения, присоединения, отщепления, перегруппировки.

1.Реакции замещения (символ S, от английского substitution-замещение)

-это реакции, при которых атом или группа атомов в соединении замещаются на другой атом или группу атомов:

CH4 + Cl2	свет	CH3Cl +	HCl

C2H5Cl + NaOH (водный) C2H5OH + NaCl

2. Реакции присоединения (символ Ad, от английского aduition -

присоединение) - это реакции, при которых одна молекула присоединяется к другой:

40