Пространственная структура оорганических молекул и виды изомерии

Многообразие органических соединений в значительной мере обусловлено явлением изомерии.

Изомеры - соединения с одинаковым качественным и количественным составом, но отличающиеся последовательностью связывания атомов или расположением их в простран­стве.

Стереоизомеры - изомеры, имеющие различное расположение атомов относительно друг друга в пространстве при одинаковой последовательности химических связей атомов. Стереоизомеры могут различаться конформацией и конфигурацией.

Конформациями называют различные пространственные формы молекулы, возникающие в результате вращения атомов или групп атомов вокруг одинарных связей. Конформационные изомеры легко превращаются друг в друга, образуя конфомеры. Для изображения конфомеров используются проекционные формулы Ньюмена, получающиеся при проецировании на плоскость молекулы вдоль С-С - связи. Ближайший к наблюдателю атом углерода обозначается точкой пересечения его связей, а удаленный от наблюда­теля

атом углерода и его связи –

окружностью с линиями:

Рассмотрим крнформационные изомеры 1,2-этандиола:

стереохимическая формула:

заслоненный конформер заторможенный конформер

заслоненный конформер заторможенный конформер

Наиболее стабильными и энергетически выгодными конформерами являются заторможен­ные конформеры, в которых межатомное отталкивание наименьшее. Конформеры, в кото­рых атомы или группы атомов расположены близко друг к другу, являются нестабильными и называются заслоненными. Переход одной конформации в другую осуществляется легко, и поэтому выделить конформеры в качестве устойчивых изомеров нельзя.

Конфигурации - это разные пространственные расположения атомов или групп атомов, ко­торые не могут быть переведены друг в друга простым вращением вокруг связей.

Различают два вида конфигурационной изомерии: геометрическую (цис-транс) и оптиче­скую изомерию. Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь или цикл.

Цис-изомером называют изомер, содержащий одинаковые заместители по одну сторону от плоскости двойной связи (цикла); транс-изомером - содержащий одинаковые заместители с противоположных сторон.

Геометрические изомеры отличаются друг от друга физическими и химическими свойст­вами, а также биохимической активностью.

Оптическая изомерия характерна для соединений, у которых в молекуле имеется асиммет­рический атом углерода, обозначаемый С* в Sp3-гибридизации, связанный с четырьмя раз­личными атомами или группами атомов.

Для таких соединений характерно существование пространственных изомеров - энантиоме­ров, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркаль­ное изображение.

В отличие от геометрических изомеров, оптические изомеры обладают одинаковыми физи­ческими и химическими свойствами. Различие между оптическими изомерами проявляется только по отношению к асимметрическим воздействиям. Одним из примеров такого воздей­ствия является пропускание плоскополяризованного света через раствор органического со­единения. Оптические изомеры вращают плоскость поляризации такого света в различные стороны на один и тот же угол. Изомер, вращающий плоскость поляризации вправо, обозна­чается буквой D, влево - буквой L. Смесь двух оптических изомеров в равных отношениях (рацемат) неспособна изменить плоскость поляризации света.

Многие вещества, синтезируемые в природе, обладают оптической активностью и часто представляют собой лишь один оптический изомер (например, α-аминокислоты). Большинство биологически активных веществ (в частности, некоторые лекарственные препараты) оказывают свое действие лишь при условии их применения в виде одного из оптических изомеров.

Для изображения энантиомеров на плоскости используются проекционные формулы Фи­шера.

· Асимметрический атом углерода помещают в точку пересечения горизонтальной и вертикальной линий и не обозначают символом.

· Углеродную цепь располагают вертикально таким образом, чтобы вверху находилась старшая группа.

· На горизонтальной линии располагают атом водорода и заместитель (гидроксильная группа, аминогруппа, галоген и т.п.).

Для отнесения право- и левовращающих энантиомеров к D- или L-ряду, за конфигурацион­ный стандарт был принят глицериновый альдегид. Его право- и левовращающим энантио­мерам были приписаны определенные конфигурации, обозначаемые D и L. Родственные D-глицериновому альдегиду энантиомеры относят к D-стереохимическому ряду. Функцио­нальные группы при этом (OH, NH₂, галогены и др.) в правильно написанной проекции Фи­шера располагаются справа от вертикальной линии. Соединения с противоположной конфи­гурацией асимметрического центра относят к L-ряду.

Например, для α-аминокислоты аланина:

Проекционные формулы Фишера энантиомеров D- и L-ряда будут иметь вид: