Н. И. Лобачевского Федоров А. Ю. Гуленова М. В. Малышева Ю. Б. Нючев А. В. Основы стереоселективного синтеза Учебное пособие


ГЛАВА 1. ОСНОВЫ СТЕРЕХИМИИ 1.1. ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ



страница2/4
Дата14.08.2018
Размер1.61 Mb.
#44245
ТипУчебное пособие
1   2   3   4

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ СТЕРЕХИМИИ




  • 1.1. ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

Свет представляет собой волну, электромагнитные колебания которой происходят в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения света. Существует бесчисленное множество плоскостей, проходящих через линию распространения света, и для обычного света колебания совершаются во всех плоскостях. На рис. 1.1a представлена схема электромагнитных колебаний луча обычного света. Плоскополяризованный свет – это свет, колебания которого совершаются только в одной из возможных плоскостей (рис. 1.1b).



Среди химических веществ имеются такие, которые способны вращать плоскость поляризованного света. Такие вещества называются оптически активными, а наблюдаемое физическое явления называют оптической активностью.



Рис. 1.2. Вращение поляризованного света оптически активным веществом:

1- плоскость поляризации; 2 – оптически активный образец; 3 – плоскость поляризации теперь проходит в новом направлении


Когда луч поляризованного света, колебания которого происходили в определенной плоскости, выходит из оптически активного вещества, то его колебания уже совершаются в другой плоскости (рис. 1.2).

Обнаружить и измерить оптическую активность можно с помощью прибора, называемого поляриметром. Схема этого прибора представлена на рис. 1.3:





Рис. 1.3. Схема поляриметра: 1 – источник света; 2 – поляризатор; 3 – трубка с веществом; 4 – анализатор; 5 – глаз наблюдателя. Сплошными и пунктирными стрелками обозначено направление плоскости поляризации соответственно до и после прохождения света через оптически активное вещество. α - угол вращения
Он состоит из источника света (1) и двух поляроидов или призм Николя (2 и 4); между ними помещается трубка с исследуемым веществом (3). Обычный свет, проходя через первую призму (поляризатор), становится плоскополяризованным. Затем плоскополяризованный свет проходит через трубку с исследуемым веществом, затем через вторую призму (анализатор) и, наконец, попадает в глаз наблюдателя. Интенсивность света, прошедшего через анализатор, будет зависеть от взаимной ориентации обеих призм. Призмы можно поставить таким образом, что их плоскости поляризации будут повернуты под углом 90° друг относительно друга (“скрещенные николи”). В этом случае поляризованный свет через анализатор не пойдет. Если в поляриметр со скрещенными николями поместить кювету с оптически активным веществом, то гашение света анализатором станет не полным из-за поворота плоскости поляризации. Для того чтобы добиться полного гашения, придется повернуть призму анализатора на некоторый угол вправо (+) или влево (-). Этот угол (α) и будет углом, на который вещество, помещенное в поляриметр, вращает плоскость поляризации. Угол вращения зависит от концентрации раствора и расстояния, которое проходит свет в данной среде. Поэтому говорят об удельном вращении – величине вращения, наблюдаемом в трубке длиной 1 дм для раствора, содержащего 1 г вещества в 1 мл:

α – наблюдаемое вращение (в градусах)

l – длина трубки (в дм)

d – концентрация раствора (в г/мл)

Кроме того, численная величина оптического вращения зависит от длины волны света, используемого при измерении: чаще всего при поляриметрических измерениях используют натриевые лампы с длиной волны 589,3 нм [D –линия натрия].

Впервые явление оптической активности было открыто Малюсом на примере кристаллов исландского шпата. Ж. Био в 1815 г. обнаружил, что некоторые органические соединения также способны вращать плоскополяризованный свет. Причем, природа оптической активности неорганических и органических веществ была различна. Неорганические вещества теряли свои оптические свойства при растворении или расплавлении, то есть оптическая активность кварца, сернокислого цинка и других неорганических соединения связана со строением кристаллической решетки. Органические оптически активные соединения не теряли способности вращать плоскость поляризации поляризованного света ни в жидком, ни в газообразном состояниях, т.е. это свойство связано со строением молекул.

В 1848 г. в высшей школе (Ecole Normale) в Париже химик Луи Пастер сделал ряд наблюдений, позднее приведших его к предположению, которое легло в основу стереохимии. Он проводил опыты с оптически неактивной натрий-аммониевой солью винной кислоты и при этом заметил, что эта соль состоит из двух типов кристаллов, которые были зеркальными изображениями друг друга. Пастер разделил эти кристаллы. Их водные растворы оказались оптически активными. Удельное вращение двух растворов было совершенно одинаково по величине, но различным по знаку. Поскольку различное оптическое вращение наблюдалось для растворов, Пастер сделал вывод, что это явление характеризует молекулы, а не кристаллы. Он предположил, что молекулы, образующие две группы “зеркальных” кристаллов, являются зеркальными изображениями друг друга.

Все известные к тому времени оптически активные органические вещества имели атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями, так называемый асимметрический атом углерода. Естественно было предположить, что вещества, вращающие плоскость поляризованного света на один и тот же угол, но в разные стороны, являются изомерами. Но какими? Ответ на этот вопрос дали Вант-Гофф и Ле-Бель в 1874 г., предположив пространственное строение четырех замещенного атома углерода по типу тетраэдра. Только в этом случае возможны два изомера соединения, содержащего асимметрический атом углерода. В качестве примера соединений с асимметрическим атомом углерода можно привести молекулы молочной кислоты – CH3CH(OH)COOH (рис. 1.4).

Правовращающая молочная кислота была выделена из мышц животных в 1808 г. Д.Берцелиусом. В 1890 г. был открыт и левовращающий изомер. Эти изомеры являются зеркальными изображениями и не совпадают друг с другом при любом наложении. Изомеры, являющиеся зеркальными изображениями называются энантиомерами. В 1870 г. К. Шееле в кислом молоке обнаружил оптически неактивную молочную кислоту, которая состояла из равных количеств лево- и правовращающей молочных кислот. Совокупность равных количеств энантиомеров называется рацемической модификацией.

Чем же объяснить тот факт, что вещества, являющиеся зеркальными отображениями или антиподами, оптически активны, а их рацемические смеси - нет? Свет – электромагнитная волна, проходя через вещество, взаимодействует с его отдельными молекулами. В случае плоскополяризованного света в результате этих взаимодействий будет наблюдаться отклонение плоскости поляризации от первоначального положения. Направление и величина отклонения зависит от ориентации молекулы по отношению к лучу. Вследствие беспорядочного распределения молекул для каждой из них, которую встречает луч при прохождении через вещество, существует другая, идентичная молекула, ориентированная как зеркальное изображение первой (в случае оптически неактивных молекул или рацемических смесей). Эта молекула компенсирует эффект вращения первой и в результате вращения плоскости поляризации не наблюдается. В образце чистого энантиомера CR1R2R3R4 нет ни одной молекулы, зеркальное изображение которой было бы ей идентичным. Поэтому вращения отдельных молекул не компенсируют друг друга, и в результате наблюдается оптическая активность.

Тетраэдрические структуры, приведенные на рис. 1.4а очень наглядны, но их трудно изображать. Более простым изображением являются проекционные формулы, предложенные Э.Фишером (проекции Фишера):


В этих формулах все заместители проектируются на одну плоскость с асимметрическим атомом. Для перехода к плоскостному изображению пространственные структуры по предложению Фишера располагают таким образом, чтобы плоскость, в которой находится углеродная цепь (на рис. 1.4а углеродная цепь выделена жирным шрифтом), оказалась перпендикулярной плоскости бумаги. Затем угол, образованный С-С связями должен быть обращен к наблюдателю (рис. 1.4b), при этом сверху должна находиться высшая по степени окисления функциональная группа (или старший заместитель см. раздел «конфигурация»). Таким образом, вертикальная линия в проекции Фишера представляет собой ребро тетраэдра за плоскостью бумаги, а горизонтальная линия является ребром тетраэдра, расположенным перед плоскостью бумаги (рис. 1.4 и рис. 1.5). Заместители, находящиеся слева и справа на горизонтальной линии в проекциях Фишера (рис. 1.5) находятся слева и справа в тетраэдрических формулах (рис. 1.4b).

Формулы нельзя выводить из плоскости. В плоскости чертежа их можно вращать на 180°, не изменяя стереохимического смысла (рис. 1.6):



Любое четное число перестановок заместителей у асимметрического атома в проекционной формуле тоже не меняет ее смысла (рис. 1.7):

Таким образом, если в соединении имеется один асимметрический атом углерода, то можно ожидать наличия трех форм этого вещества: двух оптически активных антиподов и одной формы, не обладающей оптической активностью – рацемата. Для соединений с двумя асимметрическими центрами число оптических антиподов равно четырем, а для N асимметрических центров – 2N.

Примером вещества с двумя асимметрическими атомами является хлоряблочная кислота, HOOCCH(Cl)CH(OH)COOH, изомеры, которой можно изобразить следующими формулами:

Два эритро-изомера представляют собой пару оптических антиподов, два трео-изомера – также оптические антиподы. Обозначения эритро- и трео- происходят от названий углеводов эритрозы и треозы. При стандартном написании проекционной формулы Фишера у эритро-изомера одинаковые (или родственные) заместители расположены по одну сторону проекционной формулы, у трео-изомера - по разным. Если же сравнить каждый из эритро-изомеров с изомерами трео-формы, то мы увидим, что это стереохимические изомеры, не являющиеся зеркальными изображениями. Изомеры не являющиеся энантиомерами называются диастереомерами.

Энантиомерам присущи одинаковые физические свойства, за исключением направления вращения плоскости поляризованного света. В реакциях с оптически неактивными веществами энантиомеры проявляют одинаковую реакционную способность, однако, в реакциях с оптическими изомерами может проявляться различие в химических свойствах энантиомерных молекул. Диастереомерные молекулы имеют различные физические и химические свойства.


Свойство(-)-эритро 3(+)-эритро 4(-)-трео 5(+)-трео 6Температура плавления (°С)173173167167Удельное вращение-31,3+31,3-9,4+9,4Широко распространенным в природе и хорошо известным веществом с двумя асимметрическими атомами является винная кислота, HOOCCH(OH)CH(OH)COOH. Исходя из формулы 2N, можно было ожидать, как и для хлоряблочной кислоты, четыре оптических изомера (рис. 1.9):

Изомеры 7 и 8 являются оптическими антиподами. При смешении равных количеств антиподов образуется рацемическая смесь – (±)-винная или виноградная кислота. Формулы 9 и 10 фактически изображают одно и тоже соединение, называемое мезо-формой. При повороте на 180О (по правилам Фишера) они совпадают друг с другом.

Кроме того, с точки зрения симметрии молекул, оптически активные соединения не должны иметь плоскостей симметрии и зеркально-поворотных осей. Молекулы 8 и 9 имеют плоскость симметрии.

В отличие от рацемата, который может быть расщеплен на оптические антиподы, мезо-форма нерасщепляема.

Таким образом, наличие асимметрических атомов – это еще недостаточное условие для появления оптических изомеров.



1.2. ХИРАЛЬНОСТЬ МОЛЕКУЛ
Обязательным условием оптической активности молекулы является её не совпадение со своим зеркальным отображением или хиральность. Для ахиральных объектов такое совмещение возможно путем осуществления некоторого числа трансляций и поворотов. Полное отсутствие элементов симметрии не является обязательным условием оптической активности. Хиральные молекулы не должны иметь плоскостей симметрии и зеркально-поворотных осей (поворот вокруг оси Sn на угол 360/n, и затем отражение от плоскости перпендикулярной оси Sn). Каково бы не было структурное разнообразие возможных молекулярных систем, в молекулах самых различных классов всегда можно выделить то или иное число воображаемых структурных элементов упорядоченности, основными из которых являются точка, ось, плоскость или спираль. Связанные с этими элементами типы хиральности принято разделять соответственно на центральную, аксиальную, планарную и спиральную хиральность.
Хиральный центр (центральная хиральность)

Простейшим примером центральной хиральности может служить молекула, содержащая атом углерода с четырьмя различными заместителями. Хиральный центр может рассматриваться как своеобразная точка отсчета, порядок расположения лигандов вокруг которой строго определяет конфигурацию данного атома. Напомним, что молекулы, содержащие единственный асимметрический центр, всегда хиральны (точечная группа С1). В то же время молекулы, которые содержат несколько таких центров, могут быть не только асимметричными, но иногда симметричными или даже ахиральными (например, мезо-винная кислота).


Аксиальная хиральность. Хиральная ось

Для ряда классов хиральных соединений геометрическим элементом, выступающим в качестве основы для отнесения конфигурации, является не центр симметрии, а некая воображаемая ось (рис. 1.10).



Этот тип хиральности называется аксиальной хиральностью. Он характерен, например, для хиральных алленов и дифенилов и может быть довольно просто выведен из центральной хиральности путем растяжения симметричного тетраэдра вдоль одной из его осей С2 (рис. 1.10). Такая операция устраняет восемь из тринадцати элементов симметрии правильного тетраэдра, вследствие чего полученная модель приобретает возможность становиться хиральной уже при введении в неё меньшего числа типов различающихся заместителей (а именно двух), чем в случае исходного правильного тетраэдра (где таких типов требовалось четыре). Единственное, что необходимо для устранения двух оставшихся σ-плоскостей, - это иметь различающиеся между собой заместители на обоих концах этой оси (ab-ab - тип замещения). Получающаяся в итоге молекула хиральна и вместе с тем симметрична и принадлежит к точечной группе С2 (например, аллен 11 и дифенил 12).

При наличии трех различных заместителей (типа ab-ac), получающаяся молекула (например, 13) хиральна и асимметрична (рис. 1.11).
Планарная хиральность. Хиральная плоскость
Для некоторых хиральных молекул определяющим структурным элементом служит не центр или ось, а плоскость. Простейшую модель планарной хиральности легко сконструировать из любой плоской фигуры, которая не имеет оси симметрии, лежащей в этой плоскости и отдельной точки, также не располагающейся в этой плоскости. Координация этой точки с правой или левой из сторон имеющейся плоскости дает две фигуры, не совместимые со своим зеркальным отображением (рис. 1.12a).

Экспериментальным примером такого типа пространственных отношений является реакция мета-дизамещенного ароматического соединения 14 с карбонилом хрома 15, приводящая к образованию пары энантиомерных комплексов 16 (рис. 1.12b).
Спиральная хиральность
Хиральность – неотъемлемое свойство любой спирали, поскольку две спиральные структуры одинакового размера, но закрученные в противоположные стороны не совместимы со своими зеркальными отображениями. Поэтому абсолютная конфигурация спиральных систем определяется только тем, в какую сторону они закручены, и не зависит от их строения (рис. 1.13):

Рис. 1.13. Спиральная хиральность
Правозакрученные, или положительные, спирали (конфигурационный символ Р – plus, плюс) уходят от наблюдателя в направлении по часовой стрелки, в то время как левозакрученные спирали (конфигурационный символ М – minus, минус) удаляются в направлении против часовой стрелки. Так, в соответствии с этим правилом молекула гелицена 17, изображенная на (рис. 13) имеет (Р)-конфигурацию. В случае гелиценов, где спиральный структурный элемент является единственным источником хиральности, он отвечает за наблюдающиеся чрезвычайно большие углы оптического вращения (например, для (Р)-17 величина [α]D составляет + 6200о).

Следует отметить, что природные системы, например, молекулы нуклеиновых кислот или природные полипептиды также являются носителями спиральной хиральности.



1.3. ГОМОТОПНЫЕ И ГЕТЕРОТОПНЫЕ ЛИГАНДЫ

И СТОРОНЫ МОЛЕКУЛ
Термин топизм (от греческого topos – место) относится к такой форме анализа молекул, при которой сравнивается взаимное расположение лигандов внутри одной молекулы. Лиганды и стороны молекул (или кратных связей) могут быть гомотопными (эквивалентными) и гетеротопными (не эквивалентными). При этом гетеротопные лиганды и стороны могут быть как энантиотопными, так и диастереотопными.
1.3.1. Гомотопные (эквивалентные) лиганды и стороны молекул
Некоторые лиганды в органических молекулах, кажущиеся с первого взгляда одинаковыми, на самом деле проявляют различные свойства в ферментативных реакциях или являются неэквивалентными в ЯМР-спектрах. Каким образом можно определить, являются ли заместители гомотопными (эквивалентными) или нет? Для этого существуют два независимых критерия: реакции замещения и подход с точки зрения симметрии молекулы. Аналогичные критерии (реакции присоединения и симметрия молекулы) применяются и для определения гомотопности или гетеротопности сторон кратных связей (сторон молекулы).
  • Критерий присоединения и замещения


Два заместителя являются гомотопными (эквивалентными), если замещение любого из них на третий лиганд приводит к одному и тому же соединению или стереоизомеру.

Так, на (рис. 1.14) два метиленовых водорода в СH2Cl2 18 являются гомотопными так как замещение любого из них, например, на бром приводит к образованию абсолютно идентичных молекул CHCl2Br 19. Два метиновых атома водорода в (+)-винной кислоте 20 являются также гомотопными т.к. замещение любого из них на дейтерий приводит к одинаковым винным-2-d кислотам 21 (рис. 1.14).

Две стороны молекулы (или, как правило, стороны кратных связей) являются гомотопными, если присоединение одного и того же реагента к любой из сторон приводит к образованию одного и того же продукта. Например, при взаимодействии HCN с ацетоном 22 образуется один и тот же циангидрин 23, вне зависимости, от того какая из сторон кетона принимала участие в реакции (рис. 1.15).



Таким образом, две стороны С=О связи являются гомотопными.


  • Критерий симметрии


Группы называются гомотопными (эквивалентными), если они переводятся одна в другую при повороте молекулы вокруг ее оси вращения. Так атомы хлора в хлористом метилене (группа симметрии С2v) являются гомотопными, т.к. после поворота на 180о вокруг оси С2 (рис. 14) они могут поменяться местами. Аналогичным образом при действии оси С2 на молекулу винной кислоты переводятся друг в друга метиновые С-Н группы.

Также как и в случае гомотопных групп, стороны кратных связей являются гомотопными, если они содержат компланарную ось симметрии, как, например, в случае ацетона или одного из изомеров 3,4-диметилциклопентанона (рис. 1.16):



В последнем случае метильные группы и атомы водорода при третьем и четвертом атомах углерода попарно гомотопны.
1.3.2. Энантиотопные лиганды и стороны молекул

  • Критерий присоединения и замещения


Два лиганда называются энантиотопными, если замещение любого из них на любую другую ахиральную группу приводит к образованию энантиомерных продуктов.

Примерами могут служить замещение меченых атомов водорода (НА и НВ) в хлористом аллене и мезо-винной кислоте (рис. 1.17). Причем, случай с мезо-винной кислотой является достаточно редким примером молекулы с гетеротопными заместителями, имеющей ось и плоскость симметрии.

Аналогичным образом с использованием реакций присоединения можно установить и энантиотопность сторон молекулы. Стороны молекулы являются энантиотопными, если присоединение какого-нибудь не хирального фрагмента к любой из них приведет к образованию энантиомерных продуктов. Например, присоединение HCN к двум энантиотопным сторонам ацетальдегида (рис. 1.18) приведет к образованию двух энантиомерных циангидринов.



Следует отметить, что в случае реакций присоединения (так же как и в случае реакций замещения) присоединяемая группа должна отличаться от уже имеющихся заместителей. Таким образом, мы не можем протестировать энантиотопную природу двух сторон С=О связи в ацетальдегиде 28 в реакции с СН3MgBr так как метильная группа уже имеется в этом соединении.
  • Критерий симметрии


Энантиотопными называются такие группы и стороны молекул, которые переводятся одна в другую путем отражения в зеркальных плоскостях или действием зеркально-поворотных осей (поворот вокруг оси Sn на угол 360/n, и затем отражение от плоскости перпендикулярной оси Sn), но не путем вращения вокруг истинных поворотных осей. Потому соединения, содержащие энантиотопные группы и стороны должны быть ахиральными. Действительно, очень легко найти плоскости симметрии в уже рассмотренных молекулах 24, 26 и 28 на (рис. 1.17) и (рис. 1.18). В соединениях приведенных на (рис. 1.19) имеются плоскости симметрии, расположенные в плоскости рисунка, поэтому протоны НА и НВ, (соединения 30 и 31) а также НС и НD (соединение 31) попарно энантиотопны (впрочем, как и стороны карбонильной группы). С другой стороны пары НА и НD, а также НВ и НС являются гомотопными.

Две стороны бензольного кольца в 1,2,4-триметилбензоле 32 являются также энантиотопными. Координация трикарбонил хромового фрагмента “сверху” или “снизу” приводит к образованию двух энантиомерных металлоорганических соединений 33а и 33b (рис. 1.20).

Энантиотопные лиганды могут проявлять различную реакционную способность в условиях асимметрического синтеза, например в ферментативных процессах. В связи с этим, умение распознавать энантиотопные группы и стороны молекул является важным элементом стереоселективного синтеза.



  1. 1.3.3. Диастереотопные лиганды и стороны молекул
  2. Критерий присоединения и замещения


Два лиганда называются диастереотопными, если замещение любого из них на ахиральную группу приводит к образованию диастереомерных продуктов (рис. 1.21). Эти лиганды в общем случае можно достаточно легко различить с применением ЯМР-спектроскопии (они не эквивалентны в ЯМР-спектрах). Кроме того, они, как правило, обладают различной реакционной способностью.

Критерий присоединения можно также применять для распознавания диастереотопных сторон молекул (рис. 1.21). Например, аллен 36 имеет диастереотопные стороны, несмотря на то, что получающиеся после реакции присоединения олефины не являются хиральными соединениями.



Следует отметить, что диастереотопными (впрочем, как и энантиотопными) могут быть не только лиганды и стороны молекул, но также и неподеленные электронные пары атомов (рис. 1.22). Так, участие двух неподеленных электронных пар атома серы в сульфиде 38 в реакции окисления, приводит к образованию двух диастереомерных сульфоксидов 39а и 39b (рис. 1.22).


  • Критерий симметрии


Диастереотопными называются группы, которые нельзя взаимозаменить в результате любой операции симметрии. Так, в соединении 40 (рис. 1.23) любой из атомов НА диастереотопен по отношению к любому НВ атому (с другой стороны атомы НА, также как и атомы НВ образуют два энантиотопных набора).

Диастереотопными являются две стороны любой плоскости, которая не служит плоскостью симметрии и не содержит компланарной оси симметрии. Другими словами, стороны в асимметрических молекулах (например, стороны групп С=О и С=С) всегда диастереотопны. Плоскость симметрии, перпендикулярная рассматриваемой плоскости, допускает диастереотопность, как можно видеть на примере соединения 40, содержащего карбонильную группу с диастереотопными сторонами (рис. 1.23).






  1. Каталог: students -> src
    src -> Учебно-методическое пособие содержит поурочные разработки, табличный материал, упражнения, диалоги, оригинальные и адаптированные тексты, тестовые задания, предназначенные для аудиторной и самостоятельной работы на занятиях по русскому языку иностранных
    src -> Н. И. Лобачевского Е. А. Кумагина Программирование под Windows Учебно-методическое пособие
    src -> Учебное пособие Нижний Новгород Издательство Нижегородского госуниверситета 2012
    src -> Л. В. Ошевенский, врач высшей категории
    src -> А. А. Пономаренко в настоящем пособии изложены методы оказания первой доврачебной помощи на месте происшествия. Приведены основы и принципы базовых реанимационных мероприятий. Приведены алгоритмы действий на месте прои
    src -> Приложения
    src -> Н. И. Лобачевского Особенности электрофизических характеристик мемристивных структур на основе диоксида кремния Учебно-методическое пособие
    src -> Учебное пособие для студентов экономических специальностей
    src -> Н. И. Лобачевского Р. И. Орлова русь, россия: исторические персоналии для студентов I курса по дисциплине «История» Учебное пособие


    Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница