стерио. "Оптическая изомерия"
 Скачать 225.15 Kb.
|
|
4. Методы определения конфигурации 4.1 Определение абсолютной конфигурации Для определения абсолютной конфигурации применяются два метода: экспериментальное исследование аномальной дифракции рентгеновских лучей на ядрах тяжелых атомов и теоретический расчет величины оптического вращения. 4.1 а. Дифракция рентгеновских лучей Благодаря тому, что рентгеновские лучи при прохождении через кристаллы дают дифракционную картину, метод рентгено-структурного анализа (РСА) широко используется для установления строения химических соединений. Когда дифракция происходит на электронных оболочках легких атомов (C,H,N,O,F,Cl), характер наблюдаемой интерференциальной картины определяется только наличием самих ядер, но не их природой. Это объясняется тем, что легкие атомы лишь рассеивают рентгеновские лучи, но не поглощают их, и поэтому в ходе эксперимента не происходит изменения фазы рассеянного излучения. Тяжелые атомы не только рассеивают, но и поглощают рентгеновские лучи в определенных областях кривой поглощения. Если длина волны падающего излучения совпадает с начальным слабо поглощающим участком этой кривой, то наблюдается не только обычная дифракция, но также и некоторый сдвиг по фазе рассеянного излучения, обусловленный тем, что часть его поглощается. Это явление называется аномальным рассеянием рентгеновских лучей. При наличии лишь легких атомов РСА позволяет определить межъядерные расстояния между связанными и несвязанными атомами и на их основе сделать выводы о строении данной молекулы и о наличии в ней хиральных элементов. В этом случае различить энантиомеры нельзя. Однако при наличии тяжелых атомов характер аномального рассеяния зависит не только от расстояния между атомами, но и от относительного расположения в пространстве. Явление аномальной дифракции рентгеновских лучей позволяет непосредственно определить абсолютные конфигурации молекул, содержащих тяжелые атомы, а также молекул, в которые тяжелые атомы могут быть введены в качестве специальных меток. Впервые такой анализ был проведен Бейфутом в 1951 г. В настоящее время с помощью РСА определена абсолютная конфигурация нескольких сотен соединений. 4.1 б. Теоретический расчет оптического вращения В 1952 г был опубликован квантово-химический расчет оптического вращения знантиомеров на примере транс-2,3-эпоксибутана (XXX). Конфигурация этого эпоксида может быть скоррелирована с конфигурацией винной кислоты и далее с глицериновым альдегидом. При этом снова обнаружилось, что ранее произвольно выбранная стереоформула D-глицеринового альдегида совершенно правильна и нет необходимости изменять принятое в литературе в течение многих лет изображение этой конфигурации.  4.2 Определение относительной конфигурации При определении относительной конфигурации соединение с неизвестной конфигурацией соотносят с другим соединением, конфигурация которого уже известна. 4.2 а. Химическая корреляция Первая группа методов связана с превращением соединения с неизвестной конфигурацией в соединение с известной конфигурацией или образованием неизвестной конфигурации из известной без нарушения хирального элемента, например, хирального центра. Поскольку в ходе превращения хиральный центр не затрагивается, очевидно, что продукт должен иметь ту же конфигурацию, что и исходное соединение. При этом вовсе не обязательно, что если неизвестное соединение относится к (R) - ряду, то и известное будет иметь (R) - конфигурацию. Например, при восстановлении (R) - 1-бром-2-бутанола в 2-бутанол, не затрагивающем хиральный центр, продуктом будет (S) - изомер несмотря на то, что его конфигурация не изменилась. Это связано с тем, что группа СH3CH3 определению младше группы BrCH3, но старше группы СН3.  Одним из многих примеров химической корреляции является установление относительной конфигурации D-галактозы (XXXI) путем ее окисления. Поскольку этот процесс приводит к образованию оптически неактивной дикарбоновой кислоты, относительная конфигурация ее четырех хиральных центров может соответствовать или структуре XXXII, или структуре XXXIII. Но дикарбоновая кислота (XXXIV), полученная из галактозы путем окислительного отщепления альдегидного атома углерода, оптически активна. Следовательно, D-галактоза имеет относительную конфигурациию, показанную формулой XXXI.  Подобным путем можно выяснить лишь относительную конфигурацию исследуемых молекул, но не их абсолютные конфигурации. Вторая группа методов химической корреляции основана на превращении при хиральном центре, механизм которого точно известен. Так, реакция SN2 происходит с обращением (инверсией) конфигурации реакционного центра. С помощью последовательности таких реакций конфигурация (+) - молочной кислоты была скоррелирована с конфигурацией (S) - (+) - аланина.  К третьей группе относятся биохимические методы. В ряду одного класса соединений, например, аминокислот, определенный фермент атакует молекулы только одной конфигурации. Если какой-то фермент, скажем, атакует только (S) - аминокислоты, не трогая (R) - форму, и это экспериментально установлено на ряде примеров, то еще одна аминокислота, подвергающаяся действию того же фермента, должна принадлежать к (S) - ряду. 4.2 б. Установление относительной конфигурации с помощью физических методов Наиболее широко используют хироптические методы (ДОВ и КД) и спектроскопию ЯМР. Использования хироптических методов для установления конфигурации заключается в сравнении параметров ДОВ и КД в сериях похожих соединений. Эксперимент показал, что знаки эффекта Коттона для этих двух соединений противоположны, но форма и интенсивность спектральных кривых одинакова. Другими словами, кривые ДОВ и КД зеркально-симметричны, и следовательно соединения XXXV и XXXVI можно рассматривать как квазиэнантиомеры в хироптическом (но не в истинно структурном) смысле термина. В приведенном примере Уф - поглощение обусловлено карбонильным хромофором, который ахирален. Тем не менее, наличие хирального окружения оказывает хиральное возмущающее действие на электронный переход группы С=О, позволяя установить относительные конфигурации. При определении относительных конфигураций методом ЯМР обычно используют химические сдвиги и константы спин-спинового взаимодействия. Так, например, в 1,3-дитиане (XVII) экваториальные атомы водорода в положении 2 имеют значительно более высокий химический сдвиг, чем в аксиальном положении, на основании чего легко определить конфигурацию 2-замещенных дитианов.   Константы спин-спинового взаимодействия (J) у вицинальных протонов в этановом фрагменте коррелируют с величинами соответствующих двугранных углов j:  На этом основании можно определить конфигурацию, но только в рядах структурно-родственных соединений, так как величина J зависит также и от природы заместителей. Еще один способ основан на явлении изменения химических сдвигов под влиянием лантанидных комплексов, которые называются сдвигающими реагентами. Известно, что шестикоординационные хелатные комплексы некоторых парамагнитных лантанидов (например, b - дикетонат европия XXXVIII) могут увеличивать координационное число до 8 путем образования неустойчивых ассоциатов с полярными электронно-донорными группыми типа C=O, OH, NH3 и др. Это приводит к сильному изменению величины химсдвигов ядер близко расположенных к координирующему атому. Таким путем можно, например, отличить экзо - и эндо-изомеры борнеола (XXXIX).  Конфигурацию гомологов можно определить просто по знаку оптического вращения. В гомологических рядах вращение обычно меняется постепенно и в одном направлении, поэтому, если известна конфигурация достаточного числа членов данного ряда, конфигурацию остальных можно установить экстраполяцией. 5. Методы разделения энантиомеров Операции разделения рацемических смесей на составляющие их оптически активные компоненты называются расщеплением. Отношение экспериментально наблюдаемого удельного вращения вещества, полученного путем расщепления, к удельному (абсолютному вращению чистого энантиомера называется оптической чистотой (Р). Тождественными оптической чистоте являются понятия энантиомерной чистоты или энантиомерного избытка (э. и.).  где Е - мольная доля энантиомера, находящегося в избытке, Е* - мольная доля другого энантиомера. Любой процесс получения оптически активного вещества из оптически неактивного предшественника, в том числе и расщепление рацемических смесей, называется оптической активацией. Общим принципом всех процессов оптической активации является создание в той или иной форме диастереомерных взаимодействий. 5.1 Расщепление через диастереомеры Этот метод до настоящего времени использовался наиболее часто. Если рацемическое соединение содержит карбоксильную группу, то можно получить соль с оптически активным основанием. Если же рацемат содержит аминогруппу, то можно получить соль с оптически активной кислотой. Допустим, что оптически активный реагент (в данном случае основание или кислота) имеет (S) - конфигурацию. Тогда образующиеся соли будут смесью (R) - и (S) - диастереомеров, и в отличие от энантиомеров их свойства будут уже различаться.  На практике чаще всего применяют кристаллизацию, используют различие в растворимости двух диастереомеров. В настоящее время все чаще применяют хроматографические методы. На последней стадии из соли выделяют знантиомер. Для разделения рацемических кислотных соединений применяют природные оптически активные основания, которые называются алкалоидами, например, бруцин, эфедрин, стрихнин, хинин, цинхонин, морфин и др. После проведения разделения их регенерируют и используют снова. Однако эти вещества сильно токсичны и поэтому их стремятся заменить синтетическими оптически активными аминами, например, a - фенилэтиламином. Например, таким путем расщепляется рацемическая 3-метил-2-фенилбутановая кислота.  Для разделения рацемических основных соединений применяют оптически активные кислоты: винную, миндальную, аспарагиновую (аминоянтарную), глутаминовую (a - аминоглутаровую), камфорсульфоновую и др. Если молекула не содержит кислотной или основной группировки, то ее можно сначала ввести, а затем после разделения на энантиомеры снять, например,  Диастереомеры могут образовываться не только в результате взаимодействий кислот и оснований Бренстеда, но также и в реакциях, в которых взаимодействуют кислоты и основания Льюиса. Так, при расщеплении ароматических соединений, в состав которых не входит ни кислотные, ни основные группировки (например, хиральных нафтиловых эфиров), может быть использована их способность образовывать p - комплексы с нитрофлуореном. Для этой цели используют реагент (XLI), в котором элекктроноакцепторные тетранитрофлуореноноксимная группа придает ей способность к комплексообразованию с электронодонорными ароматическими кольцами, а фрагмент энантиомерной молочной кислоты обеспечивает реагенту в целом оптическую активность. Другим примером является расщепление транс-циклооктена путем образования комплекса с солью двухвалентной платины (кислота Льюиса), вторым лигандом у которой является молекула (R) - a - фенилэтиламина (XLII).  5.2 Хроматографическое расщепление Если рацемичеcкую смесь хроматографировать на колонке, заполненной хиральными веществами, энантиомеры должны проходить с разными скоростями и, следовательно, их можно разделить. Таким путем, например, миндальную кислоту разделяют на колонке, заполненной крахмалом. Можно использовать бумажную, колоночную, газовую и жидкостную хроматографию. 5.3 Механическое расщепление В случае рацемической натрийаммониевой соли винной кислоты энантиомеры при температуре ниже 270 (температура очень важна) кристаллизуются раздельно: в одном кристалле собираются (+) - изомеры, а в другом (-) - изомеры. Такие кристаллы отличаются друг от друга зеркальностью формы, и их можно разделить с помощью пинцета и микроскопа. Именно таким путем Л. Пастер в 1848 г. впервые доказал, что рацемическая винная кислота в действительности представляет собой смесь (+) - и (-) - изомеров. Однако такого рода кристаллизация свойственна лишь немногим веществам. Описано, например, расщепление гептагелицена (смесь спирально сочлененных бензольных колец; аналог гексагелицена - ). Один из энантиомеров этого соединения, имеющий необычно высокое оптическое вращение ([a] D20= +62000) спонтанно выкристаллизовывается из бензола. При аналогичном расщеплении 5-метил-3,3-диэтил-2,4-пиперидиндиона (XLIII) было взято 20 кг рацемата и после 400 перекристаллизаций получено всего 3 г оптически чистого правовращающего изомера. Одним из немногих соединений, которые можно разделить пинцетом по методу Пастера является 1,1,-динафтил (XLIV). При нагревании рацемата при 76-1500 происходит фазовое изменение с образованием лево - и правовращающих кристаллов.  5.4 Ферментативное расщепление Довольно часто для получения оптически активных веществ из рацематов используют ферменты, которые обладают высокой стереоспецифичностью действия. Наибольшее значение метод приобрел для стереоспецифического гидролиза N-ациламинокислот. Под действием фермента ацилазы на рацемическую N - ацетиламинокислоту L-изомер гидролизуется в 1000 раз быстрее D-изомера, и после окончания ферментативной реакции легко можно разделить L-аминокислоту и D-ацетиламинокислоту. 5.5 Установление оптической чистоты В большинстве случаев при расщеплении рацематов получаются энантиомеры, не имеющие 100% -ной оптической чистоты. Для установления содержания в них второго энантиомера применяют по сути дела те же методы, что и для расщепления, с той лишь разницей, что в данном случае образующиеся диастереомерные комплексы не разделяют, а тем или иным способом определяют их концентрацию. Относительные концентрации диастереомеров можно определить любым способом, например, с помощью ГЖХ или ЯМР-спектроскопии. Заключение Опти́ческая изомери́я - разновидность пространственной изомерии, являющаяся прямым следствием хиральности молекул, проявляется способностью некоторых веществ поворачивать плоскость поляризованного луча в противоположные стороны. Оптическая изомерия свойственна молекулам органических веществ, не имеющим плоскости симметрии, которые относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному отражению. Два стереоизомера, относящиеся друг к другу как предмет к своему зеркальному отражению, не совместимому с оригиналом, называются энантиомерами, и каждая из этих структур является хиральной. Существование двух энантиомеров (хиральность) обусловлено атомом, имеющим различные заместители. Такой асимметрический атом называют стереоцентром или стереогенным центром. Применяются также названия хиральный или асимметрический центр. Смесь равных количеств обоих энантиомеров называется рацемической формой. Некоторые характеристики энантиомеров, например растворимость и реакционная способность, одинаковы только при ахиральном окружении, если же энантиомер окружен хиральными молекулами, реакционная способность двух энантиомеров будет различаться. Энантиомеры различаются также при прохождении луча плоско поляризованного света через их растворы. Для каждой пары энантиомеров луч отклоняется на один и тот же угол, но в разные стороны (направо или налево), что обозначается знаками "+" и "-" или d и l. По этой причине стереоизомеры такого типа иногда называют оптическими изомерами. В обычных химических реакциях, приводящих к образованию энантиомеров, получаются их равные количества (рацемическая форма). Рацемическая смесь не обладает оптической активностью. Если же химическая реакция проводится в хиральной среде или в присутствии хирального катализатора, то получают продукты с преобладанием (иногда полностью) одного энантиомера. Наличие оптической изомерии может быть обусловлено также наличием стереогенной оси или плоскости. Если молекула содержит более одного стереогенного центра, то число оптических изомеров определяют по формуле 2n, где n - число стереогенных центров. Стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами. Операции разделения рацемических смесей на составляющие их оптически активные компоненты называются расщеплением. Отношение экспериментально наблюдаемого удельного вращения вещества, полученного путем расщепления, к удельному (абсолютному вращению чистого энантиомера называется оптической чистотой (Р). Тождественными оптической чистоте являются понятия энантиомерной чистоты или энантиомерного избытка. Существует несколько способов разделения: расщепление через диастереомеры, хроматографическое расщепление, механическое расщепление, ферментативное расщепление и установление оптической чистоты. Литература
|