304- Органическая химия_Черных В.П. и др_Х., 2007 -776с

Глава 5

72

Хиральность молекул является обязательным условием для проявления веществом оптической активности.

соединения с одним асимметрическим атомом углерода. Одной из причин воз-

никновения хиральности органических молекул является наличие в их структуре sр3-гибридизованного атома углерода, связанного с четырьмя разными заместителями. Такой атом углерода называют хиральным, или асимметрическим. Часто для него применяют более общее название — «хиральный центр». В структурных формулах асимметрический атом углерода принято обозначать звездочкой — С*:

Молекулы, содержащие один асимметрический атом углерода, существуют в виде двух изомеров, относящихся друг к другу как хиральный предмет к своему зеркальному изображению. Такие изомеры называют энантиомерами (рис. 5.6).

зеркало

Рис. 5.6. Модели энантиомерных молекул бромйодхлорметана

Зеркальное изображение хиральной молекулы образуется, если поменять местами любые два заместителя у асимметрического атома углерода. Энантиомеры очень похожи друг на друга, но, тем не менее, не тождественны. Они имеют одинаковый состав и последовательность связывания атомов в молекуле, но отличаются относительным расположением их в пространстве, то есть конфигурацией. Если в изомере а переход от атома йода к атому хлора через атом брома направлен по часовой стрелке, то в изомере б аналогичный переход имеет противоположное направление (см. рис. 5.6). В том, что эти молекулы разные, можно легко убедиться при наложении их моделей друг на друга (см. рис. 5.6, в).

изомериЯ органических соединениЙ

73

Энантиомеры идентичны по физическим и химическим свойствам. Существенное отличие их состоит в том, что они по-разному относятся к поляризованному свету, а именно: вращают плоскость поляризации на один и тот же угол, но в противоположных направлениях (если один вращает влево, то другой — на такой же угол вправо). Поэтому их еще называют оптическими изомерами, или оптическими антиподами. Кроме того, энантиомеры с различной скоростью реагируют с другими хиральными соединениями и, как правило, обладают разной физиологической активностью.

Смесь равных количеств энантиомеров называют рацемической. Такая смесь не обладает оптической активностью, так как одинаковое по значению, но противоположное по направлению вращение взаимно компенсируется. Для обозначения рацемической смеси перед названием соединения ставят символ (±).

химия в зеркале

Многие органические соединения существуют в виде стереоизомеров, которые относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отображение. Молекулы этих соединений несовместимы друг с другом, то есть являются хиральными объектами. Хиральность — универсальное явление мироздания.

Поскольку существуют две зеркальные формы, достаточно неожиданным является тот факт, что в нашем организме и в остальном биологическом мире присутствует лишь один из изомеров. Так, обычные сахара (см. гл. 34) — преимущественно представители D-ряда, а аминокислоты в составе белков (см. гл. 35) — представители L-ряда. Поэтому и неудивительно, что ферменты нашего организма стереоспецифичны, то есть «узнают» только один зеркальный изомер. Помните, как главная героиня детской повести Льюис Кэрролл «Алиса в Зазеркалье» размышляет: «Вкусно ли молоко, отраженное в зеркале?». «Молоко, отраженное в зеркале» не может быть нашей пищей. Очень даже возможно, что оно окажется токсичным для нас! Сахара и белки, содержащиеся в таком «молоке», будут иметь иную конфигурацию (D-аминокислоты, L-монозы) и не могут быть расщеплены ферментами нашего организма.

Специалисты, занимающиеся созданием новых лекарственных препаратов, пристальное внимание уделяют их стереохимической чистоте. В середине пятидесятых годов прошлого столетия в ФРГ был разработан и внедрен в медицинскую практику препарат «Толидомид». Однако в 1961 году появились первые сообщения о серьезных проблемах, связанных с его применением. Были зафиксированы многочисленные случаи рождения детей с врожденными дефектами и установлено, что во время беременности будущие матери принимали данный препарат в качестве седативного средства. Лишь в 1979 году немецким химикам удалось разделить энантиомеры данного препарата.

Оказалось, что токсический тератогенный эффект оказывает S-(–)-энантиомер. Можно было бы рекомендовать применение R-энантиомера, однако в 1984 году установили, что в организме происходит быстрое взаимопревращение энантиомеров. В настоящее время препарат применяют для лечения особо тяжелых случаев проказы.

Вкус, запах и фармакологический эффект соединений зависят от их стереохимической формы и взаимодействия с клеточными ферментами и рецепторами.

Глава 5

74

изображение оптических изомеров на плоскости. Для изображения пространс-

твенного строения оптических изомеров на плоскости могут быть использованы стереохимические формулы. Например, энантиомеры 2-бутанола, изображенные с помощью стереохимических формул, имеют следующий вид:

Однако стереохимические формулы не удобны для описания пространственного строения молекул с несколькими асимметрическими атомами. Поэтому чаще всего оптические изомеры изображают на плоскости с помощью проекционных формул Фишера. Для получения проекционной формулы Фишера необходимо руководствоваться определенными правилами расположения тетраэдрической модели молекулы в пространстве. Вначале модель молекулы располагают таким образом, чтобы главная углеродная цепь была ориентирована вертикально, причем вверху находился тот ее конец, с которого согласно номенклатуре IUPAC начинали нумерацию атомов. Затем модель ориентируют в пространстве так, чтобы асимметрический атом углерода находился в плоскости чертежа, заместители, расположенные горизонтально, были над плоскостью, а расположенные вертикально — за плоскостью чертежа. При проецировании такой модели на плоскость получают проекционную формулу Фишера, в которой связи, находящиеся за плоскостью, изображают вертикальными линиями, а расположенные над плоскостью — горизонтальными. Асимметрический атом углерода при этом расположен в точке пересечения вертикальной и горизонтальной линий и обычно не обозначается символом.

Используя для наглядности клиновидную форму изображения связей, получение проекционной формулы Фишера одного из энантиомеров 2-бутанола можно представить следующим образом:

Аналогичные приемы применяют при построении проекций Фишера для молекул, содержащих несколько асимметрических атомов углерода:

Чтобы убедиться, являются ли молекулы идентичными или разными, необходимо проверить, совмещаются их проекционные формулы при наложении или нет. Согласно правилам обращения проекционные формулы Фишера нельзя выводить из плоскости чертежа, а также поворачивать в плоскости на 90°, хотя поворот на 180° в плоскости чертежа разрешается. Как и в реальной молекуле,

изомериЯ органических соединениЙ

75

перемена местами в формуле Фишера двух любых заместителей при асимметрическом атоме углерода приводит к формуле оптического антипода:

соединения с несколькими асимметрическими атомами углерода. Если молекула имеет несколько асимметрических атомов углерода, число возможных изомеров увеличивается.

Общее количество стереоизомеров в молекуле, содержащей несколько асимметрических атомов углерода с разным набором заместителей, можно рассчитать по формуле

N = 2n,

где N — количество изомеров;

n — число асимметрических атомов углерода.

Так, при наличии в молекуле двух неэквивалентных асимметрических атомов углерода число изомеров равно N = 22 = 4, если содержится три — число стереоизомеров соответственно равно 23 = 8 и т. д. — * — * —

Например, хлоряблочная кислота НООС СНОН СНСl СООН имеет два асимметрических атома углерода и существует в виде четырех пространственных изомеров:

В том, что молекулы I—IV неидентичны, легко убедиться, используя метод наложения. Поскольку приведенные изомеры не имеют плоскости симметрии, все они обладают оптической активностью. Изомеры I, II, а также III, IV представляют собой зеркальное изображение друг друга, то есть являются энантиомерами. Как уже отмечалось, энантиомеры обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами, имеют равное по значению, но противоположное по знаку удельное вращение. Однако энантиомеры I, II отличаются по физикохимическим характеристикам от энантиомеров III, IV.

Стереоизомеры I, III и I, IV, а также II, III и II, IV не являются зеркальным изображением друг друга. Они имеют одинаковую конфигурацию при одном асимметрическом атоме углерода, но разную — при другом. Такие стереоизомеры

называют диастереомерами. В отличие от энантиомеров, диастереомеры обладают разными физическими и химическими свойствами, имеют разное по значению удельное вращение.

Когда молекула содержит два асимметрических атома углерода с одинаковым набором заместителей, число стереоизомеров уменьшается с четырех до трех. В данном случае один из изомеров имеет плоскость симметрии, поэтому он совместим со своим зеркальным изображением. Этот изомер называется мезоформой.

Глава 5

78

оптически активные соединения, не затрагивая связи с асимметрическим атомом углерода. Например, без нарушения конфигурации хирального центра (+)-гли- цериновый альдегид можно превратить в (–)-молочную кислоту. Следовательно,

(–)-молочная кислота будет иметь такую же конфигурацию, что и (+)-глицери- новый альдегид, то есть D-конфигурацию:

Этот пример свидетельствует о том, что молекулы с одинаковой конфигурацией необязательно должны вращать плоскость поляризованного света в одном направлении.

Аналогичным образом, независимо от знака вращения, конфигурация других оптически активных соединений косвенно отнесена к D- или L-глицериновому альдегиду или соответственно к D- или L-стереохимическому ряду.

Позже экспериментальным путем было установлено, что произвольно приписанная (+)- и (–)-глицериновому альдегиду конфигурация соответствует истинному расположению заместителей в пространстве, то есть абсолютной конфигурации этих веществ. Это удачное совпадение позволило избежать путаницы в химической литературе, так как установленная для различных соединений относительная конфигурация приобрела силу абсолютной.

D,L-Система обозначения конфигурации оптических изомеров применима толь-

ко для структурно родственных глицериновому альдегиду соединений. К ним относят вещества с такой конфигурацией хирального центра, когда в проекции Фишера с одной стороны от вертикальной линии расположен атом водорода, а с другой — группа —ОН, —NH2, —NO2, атом галогена и др. Если указанные заместители находятся справа, молекула имеет D-конфигурацию, а если слева — L-конфигурацию:

Применительно к соединениям с несколькими хиральными центрами принадлежность изомеров к D- или L-стереохимическому ряду устанавливают по конфигурации асимметрического атома углерода с наибольшим порядковым номером, то есть по нижнему асимметрическому атому углерода в проекции Фишера: