Курс лекций для студентов фармацевтического факультета Бауков Юрий Иванович профессор кафедры химии 1
 Скачать 0.71 Mb.
|
|
Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, г. Москва Органическая химия Курс лекций для студентов фармацевтического факультета Бауков Юрий Иванович профессор кафедры химии 1 Белавин Иван Юрьевич профессор кафедры химии 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») 2 Пространственное строение органических соединений ○ Структурная изомерия ● Приложение: справочный и иллюстративный материал 3 o Конформации и конформационные изомеры ● Строение органических соединений ○ Конформации и конфигурация ○ Рацематы ● Пространственное строение o Хиральность o Энантиомеры ○ Стереохимическая номенклатура ○ Диастереомеры ○ Топизм ● Конфигурация и конфигурационные изомеры 4 4 Химическое строение Пространственное строение (стереохимия) Конфигурация Конформация А.М. Бутлеров (1861) – отображается при помощи этан этан (сокращенная запись) Строение органических соединений Химическое строение ─ Структурная формула ─ C C H H H H H H CH 3 CH 3 5 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 пентаналь Изомерия углеродного скелета Структурная изомерия (одно из основных положений теории химического строения) Изомерия положения кратных связей или функциональных групп Изомерия функциональных групп бутан 2- метилпропан CH 2 CHCH 2 CH 3 CH 3 CH CHCH 3 CH 3 CH CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH CH 3 CH 2 CHCH 3 OH бутен-2 бутен-1 бутанол-1 бутанол-2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C O H CH 3 CH 2 CH 2 CCH 3 O пентанон-2 Структурные изомеры ─ 6 6 Пространственное строение – изображается при помощи метан этилен Стереохимические формулы химическая связь выходит из плоскости вперед химическая связь уходит за плоскость назад химическая связь лежит в плоскости чертежа H H H C H C C H H H H ( более полная по сравнению с химическим строением характеристика соединений) Пространственное строение молекулы — – предмет изучения стереохимии . 7 Конформации и конфигурация • Взаимное расположение атомов и атомных групп в молекуле органического соединения включает два стереохимических аспекта — конформацию молекулы и ее конфигурацию . H H H C H тетраэдрическая плоскостная линейная C C H H H H H C C H Конфигурация — Конформации — 8 Конформация и конформационные изомеры С Cl H H С Cl H H Конформации 1,2-дихлорэтана * С Cl H H С Cl H H С Cl H H С Cl H H Cl H H Cl H H Cl H H Cl H H Cl H H Cl H H * Конформации циклогексана см. в Приложении. 9 Конфигурационные изомеры могут быть • Конфигурационные изомеры не могут быть превращены друг в друга • Конфигурационные изомеры могут существовать Конфигурационные изомеры — Конфигурация и конфигурационные изомеры C C CH 3 H H CH 3 C C CH 3 H CH 3 H CH 3 H H H 3 C CH 3 H H H 3 C 10 10 Хиральность – • Молекулы, как геометрические тела, могут быть хиральными и ахиральными . ( левая и правая рука, перчатки, пара ботинок, левая и правая винтовые лестницы и другие предметы) В результате, как следствие хиральности, некоторые молекулы сущест- вуют в виде пары пространственных изомеров — Простейший случай хиральности — Асимметрический атом углерода — H*CF(Cl)Br CH 3 CH 2 *CH(OH)CH 3 11 11 • Два способа расположения четырех различных заместителей у тетраэдрического атома углерода. энантиомеры - аланина Энантиомеры — o Одинаковые физические и химические свойства в обычных условиях, оптически активны. Оптическая активность — o Энантиомеры поворачивают плоскость поляризации на равный угол в противоположном направлении: (+) — ( –) — Энантиомеры H 3 C C H NH 2 COOH CH 3 H H 2 N COOH C 12 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)COONH 4 . 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. Рацематы — Рацематы * Химический способ разделения рацематов см. в Приложении. 13 Энантиомеры молочной кислоты CH 3 *CH(OH)COOH R-2- гидроксипропановая кислота S-2- гидроксипропановая кислота (D- молочная кислота) (L- молочная кислота) Стереохимические формулы Проекционные формулы Фишера OH CH 3 C COOH H HO CH 3 C COOH H [ ] D 20 ‒2.26 [ ] D 20 +2.26 COOH H CH 3 OH COOH HO CH 3 H В стандартной формуле Фишера углеродная цепь Перестановка двух заместителей в формуле Фишера Поворот формулы Фишера на 90 14 Стереохимическая номенклатура D,L- Система обозначения конфигурации (М.А. Розанов, 1906 ) Определение D- или L-конфигурации: 1. Записать формулу Фишера в «стандартном» виде, т.е. так чтобы углеродная цепь располагалась вертикально, а старший заместитель располагался наверху. 2. Если функциональная группа у асимметрического атома углерода окажется при этом слева — это L- энантиомер , если справа — это D- энантиомер . COOH CH 3 H 2 N H COOH CH 3 H OH 3. 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 . 15 Пример. Определить, D- или L-конфигурацию имеет соединение, приведенное ниже? COOH CH 3 H OH CH 3 OH H COOH HO CH 3 H COOH 1-я перестановка (OH, COOH) 2-я перестановка (OH, CH 3 ) COOH CH 3 H OH ? Переход к стереоизомеру с известной конфигурацией потребовал четного числа (2-х) перестановок заместителей. Следовательно и исходный стереоизомер имел ту же, т.е. 16 Конфигурационный стандарт — глицериновый альдегид HOCH 2 *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 1 2 3 3 1 2 3 1 2 CH 2 OH OH H CHO CH 2 OH HO H CHO HOH 2 C C H OH CHO CH 2 OH H HO CHO C 17 R,S- Система обозначения конфигурации (Р. Кан, К. Ингольд и В. Прелог, 1956) (от лат. rectus — правый, sinister — левый) HO CH 3 H COOH HO H CH 3 COOH 1-я перестановка (H, CH 3 ) 2-я перестановка (OH, CH 3 ) CH 3 H OH COOH 8 6 6 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 . 18 - Диастереомеры Соединения, имеющие более одного центра хиральности, Заместители в - диастереомерах Диастереомеры Стереоизомеры 2-амино-3-гидроксибутановой кислоты CH 3 *CH(OH)*CH(NH 2 )COOH (треонина ) Диастереомеры ─ (I) L -треонин H 2 N COOH H CH 3 OH H (III) L -алло-треонин H 2 N COOH H CH 3 H HO (IV) D -алло-треонин NH 2 COOH H CH 3 H OH (II) D -треонин NH 2 COOH H CH 3 HO H энантиомеры энантиомеры -диастереомеры 19 - Диастереомеры октадецен-9-овой кислоты C C CH 3 (CH 2 ) 7 (CH 2 ) 7 COOH H H C C H (CH 2 ) 7 COOH H CH 3 (CH 2 ) 7 ( транс - октадецен-9-овая кислота) ( цис - октадецен-9-овая кислота) - Диастереомеры жидкая, т. пл. 13–16 °C твердая, т. пл. 44–47 °C - Диастереомеры бутена-2 цис - бутен-2 транс - бутен-2 т. кип. +3.72 °C т. кип. +0.88 °C • Возникают при неидентичности лигандов, C CH 3 H C H 3 C H C H CH 3 C H 3 C H 20 C COOH H C HOOC H Z,E- Система обозначения конфигурации - диастереомеров (К. Ингольд и В. Прелог, 1951) (от нем. zusammen — вместе, entgegen — напротив) C H COOH C HOOC H C COOH H C CH 3 CH 3 CH 2 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. 21 • С учетом пространственного строения понятие изомерии расширяется и включает в себя не только структурную изомерию , но также и пространственную изомерию . Таким образом, приведенное общее определение изомерии включает Изомерия * Изомеры — Пространственные изомеры (стереоизомеры) — * Классификацию изомеров см. в Приложении. 22 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 CH 3 CH 3 H a H b CH 3 CH 3 H b Br CH 3 CH 3 H a Br 23 бутан (S)- бутанол-2 (R)- бутанол-2 (R)- пентанол-2 CH 3 CH 2 CH 3 H s H r CH 3 CH 2 CH 3 H r HO CH 3 CH 2 CH 3 H s OH (2R,3S)- пентандиол-2,3 (2R,3R)- пентандиол-2,3 C 2 H 5 H s H r CH 3 OH H C 2 H 5 H r CH 3 OH H HO C 2 H 5 H s OH CH 3 OH H 24 Две одинаковых поверхности плоских молекул могут быть 25 26 Приложение (справочный и иллюстративный материал) ИЗОМЕРЫ cтруктурные (изомеры строения) cтереоизомеры (пространственные) конфигурационные конформационные Классификация изомеров 27 27 Классификация органических соединений по строению углеродного скелета насыщенные карбоциклические (цикл состоит только из атомов углерода) гетероциклические ациклические (незамкнутая цепь) циклические (замкнутая цепь) ненасыщенные ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ (цикл состоит из атомов С и других элементов) алициклические ароматические 28 Конформации циклогексана ванна кресло аксиальное положение СН 3 - группы аксиальные (а) и экваториальные (е) связи кресло кресло В монозамещенных производных циклогексана заместитель в конформации кресла предпочтительно занимает экваториальное положение. H H H H H C H H H 3 6 1 5 1 H H H H H C H H H 5 6 3 экваториальное положение СН 3 - группы a a a a a a e e e e e e 5 4 2 1 6 3 a a a a a a e e e e e e 3 6 1 2 4 5 29 Химический способ — перевод обоих энантиомеров в диастереомеры с последующим их разделением. • Диастереомеры получают взаимодействием рацемата с хиральным реагентом. энантиомеры + ( –)-R'NH 2 (+)-RCOO – + NH 3 R'-( –) ( –)-RCOO – + NH 3 R'-( –) (+)-RCOOH ( –)-RCOOH хиральный реагент + HCl – NH 4 Cl (+)-RCOOH ( –)-RCOOH рацемат (+)-RCOO – + NH 3 R'-( –) ( –)-RCOO – + NH 3 R'-( –) разделение кристаллизацией разложение солей Разделение рацемической смеси кислоты Разделение рацематов 30 Стереоизомеры 2,3-дигидроксибутандиовой кислоты HOOC*CH(OH)*CH(OH)COOH (винной кислоты) мезо-Соединения (2R,3R)- винная кислота (2S,3S)-винная кислота мезовинная кислота (D(+)- 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 31 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. H H OH OH OH H H OH транс - циклопентандиол-1,2 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 H COOH H HOOC HOOC COOH H H H COOH HOOC H цис - циклопропан-1,2- дикарбоновая кислота (R,R)-(S,S)- транс - циклопропан-1,2-дикарбоновая кислота |