13_org-02-конвертирован. Курс лекций для студентов фармацевтического факультета Бауков Юрий Иванович профессор кафедры химии

Название	Курс лекций для студентов фармацевтического факультета Бауков Юрий Иванович профессор кафедры химии
Дата	05.10.2019
Размер	260.23 Kb.
Формат файла
Имя файла	13_org-02-конвертирован.pptx
Тип	Курс лекций #88661

Органическая химия

Курс лекций

для студентов фармацевтического факультета

Бауков Юрий Иванович

профессор кафедры химии

Белавин Иван Юрьевич

профессор кафедры химии

Российский национальный исследовательский

медицинский университет им. Н.И. Пирогова,

г. Москва

Лекция 02

Пространственное строение органических соединений

Исходный уровень к лекции 02

теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова

Исходный уровень к лекции 03

простейшие реакции органических соединений

(школьный курс);

механизм реакции

(общая химия, раздел «кинетика»)

Строение органических соединений

Структурная изомерия

Пространственное строение

Конформации и конфигурация

Конформации и конформационные изомеры

Конфигурация и конфигурационные изомеры

Хиральность
Энантиомеры

Рацематы
Стереохимическая номенклатура
Диастереомеры
Топизм
Приложение: справочный и иллюстративный материал

Пространственное строение (стереохимия)

Конфигурация Конформация

Химическое строение А.М. Бутлеров

(1861)

Химическое строение ─

– отображается при помощи

Структурная формула ─

H H

H C C H H H

этан

CH3CH3

этан

(сокращенная запись)

Структурная изомерия

Изомерия углеродного скелета

Изомерия положения кратных связей или функциональных групп

Изомерия функциональных групп

CH3 CH2 CH2 CH3

бутан

2-метилпропан

CH3

CH3

CH CH3

CH3CH CHCH3

бутен-2

CH2 CHCH2CH3

бутен-1

CH3CH2CH2CH2OH

бутанол-1

OH CH3CH2CHCH3

бутанол-2

CH3CH2CH2CH2C

пентаналь

O

H

O CH3CH2CH2CCH3

пентанон-2

(одно из основных положений теории химического строения)

Структурные изомеры ─

метан

этилен

Стереохимические

формулы

H H

C

H

H

H

H C C

H

(более полная по сравнению с химическим строением характеристика соединений)

Пространственное строение молекулы —
предмет изучения стереохимии.
изображается при помощи

химическая связь лежит в плоскости чертежа

химическая связь уходит за плоскость назад химическая связь выходит из плоскости вперед

H H

C

H

тетраэдрическая

плоскостная

линейная

H

H

H C C

H

H C

C

H

Взаимное расположение атомов и атомных групп в молекуле органического соединения включает два стереохимических аспекта — конформацию молекулы и ее конфигурацию.
Конформации —
Конфигурация —

Конформация и конформационные изомеры

Cl С

H

H

Cl С

H

H

Конформации 1,2-дихлорэтана *

Cl С

H

H

С

Cl

H

H

Cl С

H

H

H

С

Cl

H

Cl

H

H

Cl

H

H

Cl

H

H

Cl

H

H

Cl

Cl

H H

H H

* Конформации циклогексана см. в Приложении.

Конфигурационные изомеры не могут быть превращены друг в

друга

Конфигурационные изомеры могут существовать
Конфигурационные изомеры могут быть

Конфигурационные изомеры —

CC

CH3

H

H

CH3

CC

CH3

H

CH3

H

H

H CH3

3

H C

H

H

H3C CH3

Хиральность

–

(левая и правая рука, перчатки,

пара ботинок, левая и правая

винтовые лестницы и другие предметы)

Молекулы, как геометрические тела,

могут быть хиральными и ахиральными.

В результате, как следствие хиральности, некоторые молекулы сущест-

вуют в виде пары пространственных изомеров —

Простейший случай хиральности —
Асимметрический атом углерода —

H*CF(Cl)Br CH3CH2*CH(OH)CH3

Энантиомеры

Два способа расположения четырех различных заместителей

у тетраэдрического атома углерода.

энантиомеры

-аланина

Энантиомеры —

Одинаковые физические и химические свойства в обычных

условиях, оптически активны.

Оптическая активность —

Энантиомеры поворачивают плоскость поляризации на равный угол в противоположном направлении: (+) —

(–) —

H3C

C

H

NH

2

COOH

CH3

H2N

H

COOH

C

Рацематы

Рацематы —

Разделение рацематов *

Механический способ —
При кристаллизации рацемата индивидуальные энантиомеры в этом случае кристаллизуются самостоятельно.
Разделение рацемической виноградной кислоты на энантиомеры, D-винную и L-винную кислоты, по форме кристаллов ее двойной натрий-аммониевой соли NaOOC*CH(OH)*CH(OH)COONH4.
Биохимический способ — разделение с использованием

микроорганизмов, способных потреблять один из энантиомеров.

Расщепление рацемической виноградной кислоты на энантио- меры с помощью плесневого грибка Penicillium glaucum, исполь- зующего для своей жизнедеятельности лишь (+)-винную кислоту.

* Химический способ разделения рацематов см. в Приложении.

**Энантиомеры молочной кислоты CH3*CH(OH)COOH**

Стереохимические

формулы

Проекционные формулы Фишера

CH3

CH3

COOH COOH

C OH HO C

H H

R-2-гидроксипропановая кислота

(D-молочная кислота)

[]D20 ‒2.26

COOH

CH3

H OH

CH3

S-2-гидроксипропановая

кислота

(L- молочная кислота)

[]D20 +2.26

COOH

HO H

В стандартной формуле Фишера углеродная цепь
Перестановка двух заместителей в формуле Фишера
Поворот формулы Фишера на 90

Стереохимическая номенклатура

D,L-Система обозначения конфигурации (М.А. Розанов, 1906)

Определение D- или L-конфигурации:

Записать формулу Фишера в «стандартном» виде, т.е. так чтобы углеродная цепь располагалась вертикально, а старший заместитель располагался наверху.
Если функциональная группа у асимметрического атома углерода

окажется при этом слева — это L-энантиомер,

если справа — это D-энантиомер.

Если формула Фишера записана не в стандартном виде, необходимо путем перестановок заместителей преобразовать ее к стандартному виду и учесть число перестановок. Так, если при четном числе перестановок был получен D-энантиомер, значит и исходный стереоизомер имел D-конфигурацию.

Пример. Определить, D- или L-конфигурацию имеет соединение,

COOH

CH3

H

OH

CH3

OH

H

COOH

HO

CH3

H

COOH

1-я перестановка

(OH, COOH)

2-я перестановка

3

(OH, CH )

приведенное ниже?

OH

CH3 H

COOH

?

Переход к стереоизомеру с известной конфигурацией потребовал четного числа (2-х) перестановок заместителей. Следовательно и исходный стереоизомер имел ту же, т.е.

**Конфигурационный стандарт — глицериновый альдегид HOCH2*CH(OH)C(O)H**

Химическая корреляция относительной конфигурации.
Определение абсолютной конфигурации (М.А. Розанов, 1906;

И. Бийвут методом РСА на примере D-винной [(2R,3R)-2,3-дигидрокси-

бутандиовой кислоты] HOOC*CH(OH)*CH(OH)COOH, 1951.

D,L-Система применяется в основном в химии углеводов, амино-

кислот и родственных соединений.

1

2

3

2

2

3

1

2

CH2OH

OH

H

CHO

CH2OH

HO

H

CHO

3

HOH2C

C

OH H

1

CHO

3

CH2OH

HO

H

1 CHO

C

R,S-Система обозначения конфигурации (Р. Кан, К. Ингольд и В. Прелог, 1956)

HO

CH

3

H

COOH

HO

H

CH

3

COOH

1-я перестановка

(H, CH3)

2-я перестановка

(OH, CH3)

H

COOH

8

OH

6

CH3

6

(от лат. rectus — правый, sinister — левый)

Основные правила:

а) чем больше атомный номер элемента, непосредственно связанного с

центром хиральности, тем старше заместитель. Если первое окружение не позволяет выбрать порядок старшинства двух или более заместителей, то рассматривают второе окружение, затем третье и т. д. Атомные номера элементов, связанных двойной и тройной связью, удваивают или

утраивают;

б) молекулу энантиомера располагают так, чтобы самый младший замес- титель был обращен назад (формулу Фишера перестраивают так, чтобы он оказался снизу или сверху). Если порядок старшинства остальных трех заместителей убывает по часовой стрелке, то данный изомер имеет

R-конфигурацию, если против часовой стрелки, то S-конфигурацию.

Диастереомеры

Стереоизомеры 2-амино-3-гидроксибутановой кислоты CH3*CH(OH)*CH(NH2)COOH (треонина)

Диастереомеры ─

-Диастереомеры

Соединения, имеющие более одного центра хиральности,

Заместители в -диастереомерах

H2N

H OH

CH3

(I) L-треонин

H2N

COOH

H

HO H

CH3

(III) L-алло-треонин

NH2

COOH

H

H OH

CH3

(IV) D-алло-треонин

COOH COOH

H H NH2

HO H

CH3

(II) D-треонин

энантиомеры

энантиомеры

-диастереомеры

-Диастереомеры

-Диастереомеры октадецен-9-овой кислоты

H H CH3(CH2)7 H C C C C

CH3(CH2)7 (CH2)7COOH H (CH2)7COOH

(цис-октадецен-9-овая кислота) жидкая, т. пл. 13–16 °C

(транс-октадецен-9-овая кислота) твердая, т. пл. 44–47 °C

-Диастереомеры бутена-2

цис-бутен-2

т. кип. +3.72 °C

транс-бутен-2 т. кип. +0.88 °C

Возникают при неидентичности лигандов,

CH3

H

C C

H3C

H

H

CH3

H3C C C

H

C COOH

H

HOOC C

H

COOH

HOOC C C H

H

C COOH

H

C

CH3 CH3CH2

Z,E-Система обозначения конфигурации -диастереомеров (К. Ингольд и В. Прелог, 1951)

(от нем. zusammen — вместе, entgegen — напротив)

Основные правила:

а) чем больше атомный номер элемента, непосредственно связанного с двойной связью, тем старше заместитель. Если первое окружение не позволяет выбрать порядок старшинства двух или более заместителей, то рассматривают второе окружение, затем третье и т. д.

б) Z-конфигурация для диастереомеров соответствует цис-расположению старших заместителей в каждой паре, E — транс-расположению.

Изомерия *

С учетом пространственного строения понятие изомерии расширяется и включает в себя не только структурную изомерию, но также и пространственную изомерию.
Изомеры —
Таким образом, приведенное общее определение изомерии

включает

Пространственные изомеры (стереоизомеры) —

* Классификацию изомеров см. в Приложении.

Топизм

‒ Раздел стереохимии, в котором изучается расположение и сравнение

одинаковых лигандов (от греч. topos — место).

Два одинаковых лиганда, связанных с одним атомом в молекуле,

могут быть гомотопными, энантиотопными и диастереотопными.

пропан

CH3

CH3

Ha

Hb

CH3

CH3

Hb

Br

CH3

CH3

Ha

Br

бутан

(S)-бутанол-2

(R)-бутанол-2

(R)-пентанол-2

CH3CH2

CH3

Hs

Hr

CH3CH2

CH3

Hr

HO

CH3CH2

CH3

Hs

OH

(2R,3S)-пентандиол-2,3

(2R,3R)-пентандиол-2,3

C2H5

Hs

Hr

CH3

H OH

C2H5

Hr

CH3

H OH

HO

C2H5

Hs

OH

CH3

H OH

Две одинаковых поверхности плоских молекул могут быть

Приложение (справочный и иллюстративный материал)

cтруктурные (изомеры строения)

cтереоизомеры (пространственные)

конфигурационные

конформационные

Классификация изомеров

ИЗОМЕРЫ

Классификация органических соединений по строению углеродного скелета

насыщенные

карбоциклические (цикл состоит только из атомов углерода)

ациклические (незамкнутая цепь)

циклические (замкнутая цепь)

ненасыщенные

ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

гетероциклические

(цикл состоит из атомов С и других элементов)

алициклические

ароматические

Конформации циклогексана

аксиальное положение СН3-группы

кресло

кресло

В монозамещенных производных циклогексана заместитель в

конформации кресла предпочтительно занимает экваториальное

H

H

H

C

H

H

H

3

6

1

5

1

H

H

H

положение.

H

H

C

H

H

H

5

6

3

H H

экваториальное положение СН3-группы

a

a

a

e

e

e

e

5

e

4

2

1

e

6

3

кресло ванна

аксиальные (а) и экваториальные (е) связи

a a

a a a

a

a

a

a

e

e

e

e

3

6

e

e

1

2

4

5

Разделение рацематов

Химический способ — перевод обоих энантиомеров в

диастереомеры с последующим их разделением.

Диастереомеры получают взаимодействием рацемата с

хиральным реагентом.

энантиомеры

+ (–)-R'NH

2

(+)-RCOO– +NH3R'-(–)

(–)-RCOO– +NH3R'-(–)

(+)-RCOOH

(–)-RCOOH

хиральный реагент

+ HCl

– NH4Cl

(+)-RCOOH

(–)-RCOOH

рацемат

(+)-RCOO– +NH3R'-(–)

(–)-RCOO– +NH3R'-(–)

разделение кристаллизацией

разложение солей

Разделение рацемической смеси кислоты

мезо-Соединения

Стереоизомеры 2,3-дигидроксибутандиовой кислоты HOOC*CH(OH)*CH(OH)COOH (винной кислоты)

(2R,3R)-винная кислота

(D(+)-винная кислота)

(2S,3S)-винная кислота (L()-винная кислота)

D

20

[] +12, т. пл. 170 С []

D

20

‒12, т. пл. 170 С

D

[] 20 0, т. пл. 140 С

o Виноградная кислота (т. пл. 205 С) — смесь равных количеств D(+)- и L(‒)-винных кислот.

OH

COOH

H

COOH

HO

H

HO

COOH

H

COOH

OH

H

COOH

OH

H

H OH

COOH

мезовинная кислота

Диастереомерия циклических соединений

В циклоалканах с двумя (и более) заместителями пары заместителей могут располагаться как по одну сторону (цис-изомер), так и по разные стороны (транс-изомер) условно плоских циклов.

OH H

H OH

транс-циклопентандиол-1,2

H H

OH OH

цис-циклопентандиол-1,2

При наличии асимметрических атомов углерода в замещенных цикло- алканах для обозначения их конфигурации может быть использована и R,S-система.

Стереоизомеры циклопропан-1,2-дикарбоновой кислоты

HOOC

H H HOOC H

H

COOH

COOH H COOH HOOC H



цис-циклопропан-1,2-

дикарбоновая кислота

(R,R)- (S,S)-

транс-циклопропан-1,2-дикарбоновая кислота