7

Тема 10. Ізомерія органічних сполук. Просторова будова молекул біологічно активних сполук:  конформаційна, геометрична, оптична ізомерії. Хроматографія. Ознайомлення з сучасними інструментальними методами встановлення будови органічних сполук.

 

План

Просторова ізомерія органічних сполук:

1. Ізомерія органічних сполук. Структурна ізомерія.

2. Стереоізомери, їх класифікація. Конфігурація органічних речовин, зображення за допомогою стереохімічних формул та проекцій Фішера.

3. Конформаційна (поворотна) ізомерія. Проекційні формули Ньюмена. Конформації як результат обертання навколо s-зв’язку. Енергетична характеристика заслонених, загальмованих та скошених конформацій. Торсійна напруга. Бар’єр обертання.

4. Конформації циклогексану. Види напруг (кутова, торсійна, Ван-дер-Ваальса). Енергетичні відмінності конформаційних форм циклогексану.

5. Аксіальні та екваторіальні зв’язки. 1,3-Діаксільна взаємодія.

6. Геометрична ізомерія. Цис-, транс- та Z,E-системи позначень конфігурацій геометричних ізомерів.

7. Оптична ізомерія. Асиметричний атом карбону. Хіральність і ахіральність молекул. Методи визначення хіральності і ахіральності молекул. Гліцериновий альдегід як конфігураційний стандарт.

8. Оптична активність і питоме обертання. Поляризований промінь світла. Поляриметрія.

9. Номенклатура оптичних ізомерів: D, L- та R, S-системи позначень конфігурацій.

10. Сполуки з одним, двома і більше центрами хіральності. Поняття про рацемічну суміш і мезоформу.

11. Спільність і відмінність у властивостях енантіомерів. Способи розділення рацематів.

12. Діастереоізомерія. s- і p-Діастереоізомери. Трео- та ерітро-ізомери.

13.  Зображення оптичних ізомерів на площині (проекційні формули Фішера).

14.  Зв’язок просторової будови з біологічною активністю.

15.  Визначення кута питомого обертання речовини.

 

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ.

Стереоізомерія органічних сполук відіграє особливу роль в органічній хімії, біохімії, фармакології та медицини, а проблеми, що її стосуються, постійно виступають на порядок денний в зв’язку з широким використанням у медичній практиці лікарських засобів як природного, так і синтетичного походження. Багато з тих речовин здатні існувати у вигляді різних просторових ізомерів, і що дуже важливо, їх фізіологічна активність тісно пов’язана з просторовою будовою. З іншого боку, більшість органічних речовин, які продукує організм у процесах метаболізму, мають хіральну будову, пов’язану з асиметричністю молекули.

Вчення про просторову будову органічних сполук було б не повним  без розвитку поняття «ізомерія». Теоретичне обґрунтування ізомерії належить російському хімікові А.М.Бутлерову. Явище ізомерії дозволяє пояснити відмінність у властивостях однакових по складу сполук. Хіральні молекули можуть виявляти різні властивості. Так наприклад існують два оптичні ізомери лікарської речовини левоміцетіну (L-ізомер та D-ізомер) один з яких є  фізіологічно активним, а другий неактивним і більш того навіть отруйним. Розуміння  особливостей ізомерії органічних сполук дозволяє фармацевтові пояснювати відмінність у властивостях і фізіологічній активності лікарських засобів. Один просторовий ізомер амінокислоти гістидину більш солодкий, алкалоїду нікотину – більш токсичний, аскорбінової кислоти (вітаміну С) і адреналіну значно фармакологічно активніші, ніж інші.

В організмі реакції відбуваються за участю біорегуляторів – ферментів, які мають особливі рецепторні центри, що здатні зв’язувати (адсорбувати) молекули тільки певної просторової будови. Аналогічно багато лікарських засобів проявляють фізіологічну активність при взаємодії з рецепторами клітин, у зв’язку з цим повинні мати відповідну просторову будову. Наприклад, є два просторові ізомери протипухлинного препарату сарколізину і тільки один з них виявляє фармакологічну дію.

Тому засвоєння основних положень теорії хімічної будови Бутлерова; структурної і, особливо, просторової ізомерії органічних сполук та її вплив на хімічні і фізичні властивості та біологічну активність є необхідним для успішного засвоєння матеріалу курсу органічної хімії та здатності сприймати стереоізомерію органічних сполук як винятково важливий чинник у прояві біологічної активності, її терапевтичної ефективності, оцінці тотожності та енантіомерної чистоти лікарських препаратів, а також у функціонуванні біоорганічної сполуки в живих системах.

 

 Історичні відомості

У результаті дискусії Ю. Лібіха і Ф. Велера було встановлено (1823), що існують два різко різних за властивостями речовини складу AgCNO – ціановокіслое (AgNCO) й гримучої ( AgONC) срібло. Ще одним прикладом послужили винна і виноградна кислоти, після дослідження яких Й. Берцеліус в 1830 ввів термін “ізомерія” і висловив припущення, що відмінності виникають через “різного розподілу простих атомів в складному атомі” (тобто, в сучасних термінах, молекулі).

Справжнє пояснення ізомерія отримала лише в 2-ій половині XIX ст. на основі теорії хімічної будови А. М. Бутлерова (структурна ізомерія) і стереохимического навчання Я. Г. Вант-Гоффа (просторова ізомерія).

ІЗОМЕРИ (isomers, Isomere) – сполуки, однакові за елементним складом і молекулярною масою, але різні за фізичними та хімічними властивостями, що зумовлено різним просторовим чи решітковим розташуванням атомів у молекулах, тобто їх будовою.

ІЗОМЕРИЗАЦІЯ (isomerization, Isomerisierung, Isomerisation) – 1) Зміна зв’язків між атомами або ж їх просторовим положенням в молекулі сполуки, яка веде до утворення її ізомеру. 2) Перетворення одного ізомеру на інший (напр. нормальний бутан від дії каталізатора ізомерується в ізобутан).

Хімічні перетворення, в результаті яких структурні ізомери перетворюються один в одного, називається ізомеризацією. Такі процеси мають важливе значення в промисловості. Так, наприклад, проводять ізомеризації нормальних алканов в ізоалкани для підвищення октанового числа моторних палив; ізомеризуються пентан в ізопентан для подальшого дегидрирования в ізопрен. Ізомеризацією є і внутрішньо перегрупування, з яких велике значення має, наприклад, перегрупування Бекмана – перетворення ціклогексаноноксіма в капролактам (сировина для виробництва капрону).

Процес взаємоперетворення енантіомерів називається рацемізації: вона призводить до зникнення оптичної активності в результаті утворення еквімолярної суміші (-) – і (+)-форм, тобто рацемату. Взаємоперетворення діастереомеров призводить до утворення суміші, в якій переважає термодинамічно більш стійка форма. У разі π-діастереомеров це зазвичай транс-форма. Взаємоперетворення конформаційних ізомерів називається конформаційних рівновагою.

Явище ізомерії у величезній мірі сприяє зростанню числа відомих (і ще більшою мірою – числа потенційно можливих) сполук. Так, можливе число структурно-ізомерних децилових спиртів – понад 500 (відомо з них близько 70), просторових ізомерів тут більше 1500.

При теоретичному розгляді проблем ізомерії все більшого поширення набувають топологічні методи; для підрахунку числа ізомерів виведені математичні формули.

ІЗОМЕРІЯ (isomerism,Isomerie) – існування сполук, однакових за хімічним складом, але різних за будовою і властивостями. Такі сполуки називають ізомерами. Є структурна й просторова ізомерія. Ізомерія – одна з причин різноманітності та численності органічних сполук.

В органічній хімії часто зустрічаються сполуки з однаковою молекулярною формулою (брутто-формулою), але з різними властивостями. Такі сполуки звуться ізомерами (від грецьк. isos – рівний і meros – частина). Вони містять однакову кількість однакових атомів, але ці атоми по-різному сполучені один з одним.

     Тобто ізомерія – це явище, при якому одній брутто-формулі відповідає кілька сполук різної будови та властивостей. У деяких випадках відмінність будови, отже й властивостей, настільки значна, що ізомери  відносять до різних класів органічних сполук, як, наприклад етиловий спирт С₂Н₅ОН і диметиловий етер СНз-О-СНз (брутто-формула С₂Н₆О).

     В інших випадках відмінність будови настільки незначна, що її можна описати тільки за допомогою просторових моделей.

   Усі типи ізомерії органічних сполук можна класифікувати таким чином:

 1.    : (ізомерія вуглецевого скелету, ізомерія положення кратного зв’язку або функціональних груп, ізомерія циклів, ізомерія радикалів).

2. : геометрична (діастереоізомерія), оптична і конформаційна (обертальна).

3. , ізомерія функціональної групи (таутомерія).

 

Структурна ізомерія

Структурна ізомерія – результат відмінності в хімічній будові. До цього типу відносять:

Ізомерія Карбонового ланцюга (Карбонового скелета)

Ізомерія Карбонового скелета, обумовлена ​​різним порядком зв’язування атомів Карбону.

Структурна ізомерія на прикладі алканів

Алкани – це найпростіші органічні речовини, що складаються тільки з Гідрогену Н і Карбону С. Загальна формула алканів , де – число атомів Карбону в молекулі.

Найпростіший представник алканів – метан СН₄. При збільшенні числа атомів Карбону виходять речовини, формули яких С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀ і т.д. (див. табл. 1).

У табл. 1 наведені члени гомологічного ряду алканів. Формули перших десяти гомологів і їхньої назви необхідно запам’ятати. Зробити це неважко, тому що назви вуглеводнів з числом атомів Карбону 5 і більш утворяться від кореня грецького числівника з додатком суфікса –ан.

Таблиця 1

Гомологічний ряд алканів

 

*Одновалентний радикал – частка з одним неспареним електроном, отриманий при відриві одного атома водню від молекули алкана.

 

Структурні формули молекул алканів

Структурна формула – це формула, що показує хімічну будівлю речовини, тобто які атоми й у якій послідовності з’єднуються один з одним у молекулі речовини.

У молекулах алканів у кожного Карбону 4 одинарні зв’язки.

 

Структурна ізомерія в ряді алканів

В органічній хімії в набагато більшому ступені, чим у неорганічній хімії, поширена ізомерія.

Ізомери – це речовини, що мають однакову сполуку і ту саму молекулярну формулу і масу, але різна хімічна будівля, а тому володіють різними фізичними і хімічними властивостями.

Для молекул алканів характерна тільки структурна ізомерія, тобто ізомерія вуглецевого кістяка.

Перші три члени гомологічного ряду алканів (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈), як ми переконалися, вирішуючи приклад 1, ізомерів не мають, а бутан С₄Н₁₀ існує у виді двох ізомерів. Число ізомерів швидко зростає зі збільшенням числа атомів Карбону в молекулі алкана. Наприклад, гексан С₆Н₁₄ має 5 ізомерів, декан С₁₀Н₂₂ – 75, а екозан С₂₀Н₄₂ – 336319 (див. табл. 1).

Валентна ізомерія

Валентна ізомерія – особливий вид структурної ізомерії, при якій ізомери можна перевести один в одного лише за рахунок перерозподілу зв’язків. Наприклад, валентними ізомерами бензолу (V) є бицикло [2.2.0] гекса-2 ,5-дієн (VI, “бензол Дьюара“), прізман (VII, “бензал Ладенбурга“), бензвален (VIII).

Ізомерія положення кратного зв’язку або функціональної групи.

Ізомерія функціональних груп, між класова ізомерія або метамерія

Просторова (стерео-) ізомерія – явище, що полягає в існуванні ізомерів сполук, однакових за складом і молекулярною масою, але які розрізняються по розташуванню атомів в просторі та різних за властивостями.

Просторова (стерео-) ізомерія поділяється на:

 – конформаційну ізомерію;

 – конфігураційну ізомерію.

Конфігураційні стереоізомери характеризуються тим, що можуть існувати у вигляді індивідуальних форм, тобто їх можна виділити самостійно існуючої речовини, що має набір певних фізичних і хімічних властивостей, відмінних від властивостей іншого стереоізомера.

Конформаційні стереоізомери, або просто конформації, частіше всього виникають внаслідок обертання окремих фрагментів молекули навколо простих s-зв’язків. Конформери можуть існувати тільки разом у вигляді множини геометричних форм молекули з різним взаємним розміщенням в просторі окремих атомів і атомних груп.

Конформаційна (поворотна) ізомерія обумовлена можливістю відно-сно вільного обертання атомів або груп атомів навколо простого s – зв’язку – атоми С–С-зв’язку знаходяться в sp³-гібридному стані, що характерно, наприклад, для алканів.

Просторова  ізомерія (стереоізомерія)

1. Геометрична (цис- транс-) ізомерія (діастереоізомерія)

Це вид просторової ізомерії, при якому ліганди (атоми або групи атомів) по-різному розташовані в просторі відносно площини подвійного зв’язку (або циклу). Оскільки внутрішнє обертання навколо подвійного зв’язку неможливе (через p-зв’язок), то відповідним чином заміщені етени, наприклад, бутен-2, повинні існувати в двох формах. Ізомер, що має однакові групи з одного боку площини p-зв’язку, має назву цис-ізомер, а той, в якому однакові групи розміщені по різні боки від площини p-зв’язку – транс-ізомер:    

     цис-бутен-2                                                       транс-бутен-2

Іноді важко віднести ізомер до цис- або транс-типу. Наприклад, сполуку 1-бромо-1-хлоро-2-фторо-2-йодоетен:

Тому були запропоновані нові правила, згідно з якими спочатку треба вирішити, який із замісників має пріоритет, а потім, у залежності від правила пріоритетності (старшості) замісників, позначити ізомер або як  E- (від нім. Entgegen – напроти), або як Z- (від нім. Zusammen – разом). У Z-ізомері пріоритетніші замісники розміщені по один бік від площини p-зв’язку, а в Е-ізомери – по різні боки. При цьому пріоритетність замісника визначається за атомним номером елемента, який безпосередньо сполучений з вуглецевим атомом подвійного зв’язку, а далі атомними номерами інших елементів уздовж  ланцюга замісника. Цей тип ізомерії має назву E/Z-ізомерія. Пріоритетність замісників збільшується в ряду: 

-Н  <  -CНз  <  -CH2CHз  <  -CH=CH2  < -CºCH < -C6H5 < -CºN  <  -CH2OH  <  -CHO  <  -COOH  <  -NH2  <  -OH  < -OCHз  <  -F  <  -SH  <  -Cl  <  -Br  <  -I

Тепер ми можемо позначити перший ізомер 1-бромо-1-хлоро-2-фторо-2-йодетену як Е-ізомер, а другий – як Z (Br > Cl, I > F).

   За правилом Е/Z транс-бутен вважают Е-бутеном-2, а цис-бутен – Z-бутеном-2.

Два замісника біля аліциклічного кільця також можуть розміщуватися по один бік або по різні боки площини кільця. Такі ізомери теж називають цис- і транс-ізомерами, вони відрізняються фізичними та хімічними властивостями, наприклад:

 

2. Оптична ізомерія

Оптичні ізомери також відносять до стереоізомерів. Але на відміну від цис- транс-ізомерів, температури топлення й кипіння, густина та інші властивості оптичних ізомерів однакові. Вони відрізняються лише активністю відносно плоскополяризованого світла. Здатність обертати площину поляризації поляризованного світла була названа оптичною активністю, а самі речовини – оптично активними. Явище оптичної активності поширене серед органічних речовин природного походження (оксикислоти, амінокислоти, вуглеводи, білки, нуклеїнові кислоти). Це явище має велике біологічне значення, оскільки пов’язане з асиметрією речовин, що входять до  складу живих організмів.  Оптично активні речовини існують у вигляді оптичних ізомерів: правих (+)-форм (конфігурацій) і лівих (-)-форм (конфігурацій), тобто у вигляді стереоізомерів, які відрізняються різним розміщенням лігандів у просторі навколо асиметричного атома С*.

Атом вуглецю з чотирма різними замісниками (лігандами) називають  асиметричним (позначається зірочкою С*).

Оптичні ізомери ще також називають оптичними антиподами або енантіомерами. Енантіомери мають однакові хімічні властивості й відрізняються лише реакційною здатністю відносно оптично активних реагентів.

Правий і лівий стереоізомери дзеркально подібні між собою, але не сумісні, як не можна сумістити праву і ліву руку, тому такі молекули називають ще хіральними (від грецьк. “хірос” – рука) або енантіомерами (від грецьк. “енантіос” – протилежний).                                          

Прикладом оптичної ізомерії можуть бути дві форми молочної кислоти (2-гідроксипропанової). Одна з форм, що обертає площину поляризації світла вліво (проти годинникової стрілки), має назву лівообертаючої (-) молочної кислоти, а інша, яка обертає площину поляризації на таки же кут, але вправо (за годинниковою стрілкою), має назву правообертаючої (+) молочної кислоти

(+)-молочна кислота      дзеркало          (-)-молочна кислота

При змішуванні рівномолярних кількостей (+)- і (-)-ізомерних форм утворюються оптично неактивні (недіяльні) сполуки – рацемати, які позначаються значком r.

При наявності в молекулі органічної речовини асиметричних вуглецевих атомів кількість просторових ізомерів визначається формулою 2ⁿ, наприклад, моноестер винної кислоти має чотири стереоізомери.                             

Е.Фішер запропонував для зручності та простоти зображати стереоізомери не у вигляді малюнків, а проекційними формулами. При проектуванні тетраедричної молекули на площину одержують проекційну формулу у вигляді двох ліній, які перетинаються під прямим кутом. У точці перетину знаходиться атом С*, на кінцях горизонтальної ліній – ліганди, що розташовані попереду атома С*, а на кінцях вертикальної лінії – ті, що позаду:   

           (-)-молочна кислота                         (+)-молочна кислота

У стереохімії розрізняють поняття абсолютної конфігурації, тобто дійсного розміщення лігандів в оптично активному стерео-ізомері, і відносної конфігурації, в якій розміщення лігандів порівнюють із стандартним. За стандарт було взято (+)-гліцериновий альдегід, якому довільно була приписана конфігурація D – гідроксил розміщено з правого боку. Відповідно, лівообертаючий гліцериновий альдегід позначили буквою L.

Оптично активні речовини, що були добуті з (+)D-гліцеринового альдегіду, були віднесені до D-ряду незалежно від знаку обертання площини поляризації світла. Тому лівообертаюча (-)-молочна кислота належить до D-ряду:

Номенклатура енантіомерів

Описування конфігурації за допомогою символів D i L має суттєві недоліки, а в деяких випадках їх застосування неможливе. Тому Каном, Прелогом та Інгольдом була розроблена більш досконала система й були введені інші символи – R i S. Згідно з цією системою, щоб описати хіральний вуглецевий атом, треба зорієнтувати молекулу таким чином, щоб “наймолодший” замісник був спрямований від спостерігача, а інші – на нього.

Молодшим замісником частіше буває водневий атом (пріоритетність замісників визначається як при визначенні E/Z-ізомерів). Якщо при цьому пріоритетність трьох замісників, що залишилися, зменшується за рухом годинникової стрілки, то вважають, що хіральний атом має R-конфігурацію, якщо проти – то S-конфігурацію: