2.4 Конформации циклических соединений

В циклических молекулах наряду с торсионными напряжениями и напряжениями Ван-дер-Ваальса могут возникать напряжения Байера (угловые напряжения), обусловленные отклонением валентных углов от тетраэдрического – 109,5. Возникновение этих напряжений обусловлено отталкиванием электронных пар, образующих -связи, которые оказываются сближенными в пространстве, что приводит к увеличению энергии системы.

Циклопропан. В молекуле циклопропана атомы углерода лежат в вершинах правильного треугольника, угол между связями ССС равен 60. Такое значение валентного угла свидетельствует о возникновении сильных угловых напряжений в этой молекуле. Кроме угловых напряжений, в циклопропане возникают и торсионные напряжения, так, связи С-Н заслоняют друг друга, что также увеличивает энергию этой молекулы за счет отталивания противостоящих связей (электронных пар, образующих эти связи). Наличие сильных угловых и торсионных напряжений делает трехчленный цикл неустойчивым, поэтому в реакциях с участием циклопропана часто наблюдается разрыв цикла, в результате чего исчезают угловые напряжения.

Неустойчивость циклопропана может быть объяснена и тем, что в молекуле между атомами углерода возникают не -связи, а -связи, которые образуются при угловом перекрывании орбиталей. Угловое перекрывание орбиталей не требует снижения валентного угла от 109,5 до 60, при котором может идти их максимальное перекрывание вдоль линии, соединяющей атомы углерода. Возникновение -связей, являющихся промежуточными между - и -связями как по способу перекрывания орбиталей, так и по прочности, логично объясняет нестойкость циклопропана и его поведение в химических реакциях.

Циклобутан. Плоский четырехчленный цикл характеризуется наличием сильных угловых напряжений (угол 90 вместо 109,5) и торсионных напряжений. Однако циклобутан несколько стабильнее циклопропана за счет снижения напряжений в результате вращения вокруг связи углерод-углерод и вывода из плоскости одной метелиновой группы СН₂.

Циклопентан. Плоский пятичленный цикл, имеющий форму правильного пятиугольника, характеризуется наличием торсионных и практическим отсутствием угловых напряжений, так, углы между связями равны 108, что незначительно отличается от обычного значения 109,5. Снижение торсионных напряжений достигается за счет образования неплоской структуры, напоминающей форму незакрытого конверта.

Практическое отсутствие угловых и торсионных напряжений в конформации «конверта» делают пятичленный цикл устойчивым.

Циклогексан. Молекула циклогексана в плоской конформации имеет форму правильного шестиугольника. Такая конформация характеризуется сильными угловыми (угол между связями 120 вместо 109,5) и торсионными напряжениями (связи заслоняют друг друга), что делает ее энергетически невыгодной, а такой плоский цикл непрочным. Снижение напряжений и увеличение стабильности циклогексана достигается за счет существования молекул в виде неплоских структур – конформаций ванны и кресла. В конформации ванны в молекуле нет угловых, но имееют место торсионные напряжения. В конформации кресла нет ни угловых, ни торсионных напряжений.

При комнатной температуре 99,9% молекул циклогексана находятся в конформации кресла.

Обе конформации кресла энергетически равноценны, если в молекуле циклогексана нет заместителей. Связи атомов углерода с атомами водорода, расположенные параллельно оси симметрии молекулы циклогексана, называются аксиальными, связи, которые лежат под углом 109,5 к оси симметрии – экваториальными. Если в молекуле есть объемный заместитель, то энергетически более выгодной является та конформация кресла, в которой заместитель находится в экваториальном положении. Конформация кресла, в которой заместитель находится в аксиальном положении, менее выгодна энергетически, так как в этом случае в молекуле возникают 1,3–диаксиальные взаимодействия, которые обусловлены отталкиванием заместителя и атомов водорода в аксиальных положениях.

Однако известны производные циклогексана, в которых 1,3- диаксиальное расположение заместителей является предпочтительным. В этих соединениях между заместителями, находящимися в аксиальных положениях, возникает внутримолекулярная водородная связь, которая стабилизирует конформацию кресла и снижает ее энергию.

Практическая часть

1. Назовите по систематической номенклатуре IUPAC соединения, формулы которых приведены ниже:

2. Напишите структурные формулы соединений, исходя из их названий:

Пентен-3-он-2

Цикклопентадиен-1,3

2-Гидроксибензойная кислота

Цис-бутен-2-диовая кислота

3. Нарисуйте препочтительные конформации кресла для цис-3-хлорциклогексанола и цис-1,3-диметилциклогексана.

занятие № 2

Тема: Стереоизомерия, ее значение для проявления биологической активности.

Цель: Систематизировать знания о стереоизомерии органических соединений, сформировать представления о взаимосвязи физических, химических свойств и биологической активности молекулы с ее пространственным строением. Сформировать знания об абсолютной и относительной конфигурациях, D- и L-рядах стереохимической номенклатуры, энантиомерах и диастереомерах.

Исходный уровень:

1. Стереоизомеры: конфигурационные и конформационные.

2. Цис-, транс-изомеры.

Содержание занятия

1. Рассмотрение теоретического материала.

1.1 Структурная изомерия, виды структурной изомерии.

1.2 Стереоизомеры, конфигурация, конформация, конформационные и конфигурационные изомеры, диастереомеры, энантиомеры.

1.3 Элементы симметрии молекул: ось, плоскость и центр. Ахиральные и хиральные молекулы.

1.4 Асимметрический атом углерода (хиральный центр). Энантиомерия молекул с одним хиральным центром. Оптическая активность. Проекционные формулы Фишера. Относительная и абсолютная конфигурация. D - и L- система стереохимической номенклатуры.

1.5 Рацематы и рацемические смеси. Методы разделения рацемических смесей.

1.6 Стереоизомерия молекул с двумя и более центрами хиральности: энантиомерия и диастериоизомерия на примере винной кислоты. Мезоформы.

1.7 Значение стереоизомерии для проявления биологической активности.

2. Практическая часть.

2.1. Тестовый контроль усвоения материала.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. Москва, Медицина, 2008г., с. 64 – 85; 1991г., с.52 – 54, 68 – 75, 77 – 82, 86 – 87.

2. Павловский Н.Д. Лекции по биоорганической химии. Гродно, ГрГМУ, 2011, С. 138-151.

3. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии под редакцией Тюкавкиной Н.А. ,«Медицина», Москва, 1985,С. 138-152.

4. Конспект лекций.

Тестовые задания к теме: «Стереоизомерия»

1. Укажите соединение, существующее в виде пары -диастереомеров:

1) бутен-2

2) пропанол-2

3) пентадиен-1,4

4) глицериновый альдегид

5) акролеин

2. Укажите соединение, существующее в виде пары энантиомеров:

1) глицерин

2) этиленгликоль

3) гексен-1

4) 3-метилгексан

5) 2,2-диметилбутан

3. Укажите соединение, содержащее один хиральный центр:

1) метилциклопентан

2) циклопентанон

3) 2-метилциклогексанон-1

4) 4-метилциклогексанон-1

5) пропандиол-1,3

4. Укажите соединения, содержащие два хиральных центра:

1) бутанол-2

2) 2-метилциклопентанол-1

3) 2-метилбутандиол-2,3

4) 2-метилциколгексанон-1

5) 2-аминоэтанол-1

5. Укажите проекционную формулу Фишера, соответствующую D-молочной кислоте:

6. Укажите проекционную формулу Фишера, соответствующую D-аланину:

7. Укажите соединение, которое существует в виде 3 стереоизомеров:

1) 2-амино-3-гидроксибутановая кислота

2) 2,3-дихлорбутановая кислота

3) 2-амино-3-гидроксипропановая кислота

4) 2,3-дихлорбутандиовая кислота

5) этилгексан

8. Укажите соединение, которое может существовать в виде 4 стереоизомеров:

1) 2-амино-3-гидроксибутановая кислота

2) 2,2-дихлорбутановая кислота

3) 2-амино-3-гидроксипропановая кислота

4) 2,3-дигидроксибутандиовая кислота

5) метилгексан

9. Выберите верное утверждение. 3 -Метилбицикло4,3,0нонан (формула приведена ниже):

1) содержит один хиральный центр

2) содержит два хиральных центра

3) содержит три хиральных центра

4) имеет плоскость симметрии

5) имеет центр симметрии

10. Выберите верное утверждение.1,2-диметилбицикло4,3,0нонан

1) содержит один хиральный центр

2) содержит два хиральных центра

3) содержит три хиральных центра

4) имеет плоскость симметрии

5) имеет центр симметрии

11. Для молекулы 2-метилциклогексанола справедливо утверждение:

1) не имеет хиральных центров

2) имеет один хиральный центр

3) имеет два хиральных центра

4) имеет плоскость симметрии

5) не обладает оптической активностью

12. Выберите справедливые утверждения. Молекула тестостерона:

1) содержит один хиральный центр

2) содержит три хиральных центра

3) содержит пять хиральных центров

4) содержит шесть хиральных центров

5) содержит семь хиральных центров

13. В молекуле кортикостерона (формула приведена ниже) имеется семь хиральных центров. Хиральными центрами являются атомы углерода под номерами:

1) 5,8,9,10,11,13,14

2) 8,9,10,11,13,14,17

3) 9,10,11,13,14,17,18

4) 10,11,13,14,17,18,19

5) 11,13,14,17,18,19,21

14. В молекуле холестерина (формула приведена ниже) имеется восемь хиральных центров. Хиральными центрами являются атомы углерода под номерами:

1) 3,8,9,10,13,14,17,20

2) 3,5,8,9,10,13,14,17

3) 8,9,10,13,14,17,18,20

4) 10,13,14,17,18,19,20,21

5) 10,11,13,14,17,18,19,20,21

15. Смесь энантиомеров может образоваться в результате реакции между:

1) этеном и хлороводородом

2) пропаном и хлором

3) бутаном и бромом

4) бутеном-1 и бромоводородом

5) пропеном и хлороводородом

№ п/п	Ответы	№ п/п	Ответы	№ п/п	Ответы	№ п/п	Ответы	№ п/п	Ответы
1	1	4	2	7	4	10	3	13	2
2	4	5	1	8	1	11	3	14	1
3	3	6	4	9	3	12	4	15	3,4