Что такое оптическая изомерия. Оптическая, или зеркальная, изомерия. Симметричное определение хиральности
Изучение гидроксикислот имело исключительно большое значение для развития науки о пространственном строении молекул – стереохимии. Особенностью пространственного строения многих гидроксикислот является наличие атома углерода, имеющего четыре различных заместителя. Например, молочная кислота:
Такие атомы называются ассимметрическими углеродными атомами или хиральными (хиральными центрами). В формулах асимметрические углеродные атомы обозначаются звездочкой.
Молекулы, имеющие асимметрические углеродные атомы, могут быть представлены в виде двух пространственных изомеров, различающихся как предмет и его зеркальное отображение:
Изомеры, отличающиеся друг от друга только расположением атомов в пространстве, называются стереоизомерами. Расположение атомов, характеризующее определенный стереоизомер, называется конфигурацией. Стереоизомеры, различающиеся как предмет и его зеркальное отражение называются энантиомерами. Энантиомеры являются оптически активными веществами – они способны вращать плоскость поляризации света. Причем из пары энантиомеров один вращает плоскость поляризации вправо. Такой изомер называется правовращающим и обозначается знаком «(+)». Другой изомер вращает плоскость поляризации влево. Такой изомер называется левовращательным и обозначается знаком «(-)». Изомеры, отличающиеся только знаком вращения называются оптическими антиподами.
При изображении оптически активных соединений пользуются проекционными формулами, представляющих собой проекции тетраэдрических моделей соответствующих молекул на плоскость чертежа:
При изображении проекционных формул принимается, что группы, расположенные сверху и снизу, находятся за плоскостью чертежа, а группы, расположенные слева и справа - перед плоскостью чертежа. Поэтому формулы нельзя поворачивать в плоскости чертежа на 90 0 и можно поворачивать на 180 0 . Например:
Соединения 1 и 2 являются оптическими антиподами, поскольку 2 получено путем поворота 1 на 90 0 . Формула 3 получена из 1 поворотом на 180 0 , поэтому 3 эквивалентно 1.
Для направления и величины вращения плоскости поляризации не существует определенных закономерностей взаимосвязи со строением оптически активных соединений. Можно отмечать как факт, что молочная кислота, содержащаяся в мышцах, вращает плоскость поляризации вправо и известна как правовращающая (+). Также как факт принимается то, что молочная кислота, образующаяся при брожении сахарозы, в присутствии бактерий, вращает плоскость поляризации влево и называется левовращающей (-).
Какими–либо химическими методами невозможно установить, как в молекулах оптических изомеров атомы расположены относительно друг друга. Т.е. химически невозможно установить какова природная или абсолютная конфигурация оптически активного вещества. Впервые ученые смогли это установить только в 1949 году физическим методом рентгеноструктурного анализа.
До этого момента химики могли ограничиться только установлением конфигурации оптически активных веществ относительного какого-либо оптически активного вещества, принятого за стандарт. Так называемая относительная конфигурация. Основой для такого подхода было то, что можно провести превращение вещества, принятого за стандарт, в интересующее вещество таким образом, чтобы конфигурация асимметрического атома углерода не нарушалась.
В 1906 году в качестве стандарта был избран глицериновый альдегид, поскольку он является простейшим полигидроксикарбонильным соединением, способным к оптической изомерии. Правовращающему глицериновому альдегиду была приписана следующая конфигурация, обозначенная как «D»:
Соответственно его оптическому антиподу была приписана следующая конфигурация и обозначена как «L»:
В 1951 году методами рентгеноструктурного анализа было показано, что выбранная наугад абсолютная конфигурация глицеринового альдегида оказалась правильной.
По абсолютной конфигурации глицеринового альдегида были установлены относительные конфигурации других оптически активных веществ. Так относительная конфигурация молочной кислоты была установлена по D-(+)-глицериновому альдегиду следующим образом:
Окислением альдегидной группы в карбоксильную и восстановлением гидроксиметиленовой группы в метильную было установлено, что D-конфигурации соответствует левовращающая молочная кислота.
Подобным образом были установлены относительные конфигурации многих веществ.
Так для оптически активной яблочной кислоты, вращающей плоскость поляризации вправо, установлена следующая конфигурация относительно D-(+)-глицеринового альдегида:
При обработке D-(+)-яблочной кислоты пятихлористым фосфором получается L-(-) хлорянтарная кислота:
Т.е. при этом произошло обращение конфигурации.
Если на L-(-) хлорянтарную кислоту подействовать влажной окисью серебра то получается L-(-)-яблочная кислота:
Однако если яблочную кислоту получить присоединением воды к фумаровой или малеиновой кислоте то получается продукт, не обладающий оптической активностью:
Так как строение яблочной кислоты обуславливает обязательную оптическую активность, то в случае гидратации непредельных кислот получается смесь равных количеств двух оптических изомеров.
Совокупность равных количеств энантиомеров называется рацемической модификацией или рацематом .
Рассмотренные три случая различаются по механизмам образования продуктов. Рацемическая модификация образуется в том случае если реакция протекает через стадию устойчивого карбкатиона, атака которого возможна с двух сторон.
Если атака карбкатиона возможна только с одной стороны, то продукт сохраняет конфигурацию. Такой случай возможен в дикарбоновых кислотах, где за счет взаимодействия карбоксильных групп доступ к реакционному центру возможен только с одной стороны.
При нуклеофильном замещении, протекающим по механизму S N 2, происходит обращение конфигурации. Так называемое Вальденовское обращение.
Усложнение строения оптически активных веществ стало требовать систематизации обозначений конфигурации. Была введена так называемая R, S система. Согласно этой системе, сначала определяют старшинство, или последовательность заместителей, связанных асимметрическим атомом, исходя из правил старшинства.
1. Если с асимметрическим атомом углерода связаны четыре различных атома, то старшинство определяется порядковым номером в таблице Менделеева, чем больше номер, тем старше заместитель.
2. Если старшинство нельзя определить по первым атомам, связанным с асимметрическим атомом, то старшинство аналогично определяют по вторым атомам и т.д.
3. Если атомы, связанные с асимметрическим атомом углерода, имеют разное количество заместителей, построенных из атомов с одинаковым порядковым номером, то старшим - является атом, имеющий большее число заместителей.
4. Если атом соединен двумя или тремя связями, то его считают за два атома. Из этого следует, что СООН старше СНО и СНО старше СН 2 ОН.
После определения старшинства молекулу располагают таким образом, чтобы самая младшая группа была направлена от наблюдателя, и рассматривают расположение оставшихся групп. Если старшинство убывает по часовой стрелке, то конфигурацию обозначают символом «R»- от латинского «правый». Если старшинство убывает против часовой стрелки, то конфигурацию обозначают символом «S» -от латинского «левый».
При этом R, S - система отражает абсолютную конфигурацию асимметрического атома углерода. Согласно этой системе энантиомеры глицеринового альдегида будут обозначены следующим образом:
Полное название оптически активного соединения отражает конфигурацию и направление вращения. Рацемическую модификацию можно обозначать символом (R, S), например (R,S)-яблочная кислота.
Каждому асимметрическому атому углерода соответствуют два антипода и один рацемат. Общая формула количества оптических изомеров N =2 n , где n – число асимметрических атомов углерода. Однако для дигидроксиянтарной кислоты, имеющей два хиральных центра:
наблюдается аномалия.
Дигидроксиянтарные кислоты называются винными кислотами. Оптически активные изомеры винной кислоты можно изобразить следующими проекционными формулами:
Рацемическая смесь винных кислот (R,S)-винная - называется виноградной кислотой. (+)-Винная кислота называется еще виннокаменной содержится в соке ягод. Ее калийная соль выделяется в виде винного камня при брожении виноградного сока. (-)-Винную кислоту получают из виноградной кислоты.
Приведенные примеры говорят о двух изомерах и одном рацемате. По формуле должны быть еще два изомера. Этим изомерам должны соответствовать следующие проекционные формулы:
Если одну из проекционных формул мезовинной кислоты повернуть на 180 0 , то проекции совместятся. Т.е. формулы представляют один и тот же стереоизомер. Его особенностью является то, что вращение, вызываемое одним асимметрическим атомом углерода - компенсируется вращением в противоположную сторону, обусловленное другим атомом углерода.
В данном случае оптическая неактивность стереоизомера обусловлена симметрией молекулы.
При этом мезовинная кислота не является зеркальным отображением винных кислот. Стереоизмеры, не являющиеся зеркальным отображением, называются диастереомеры.
В ввел термин ИЗОМЕРИЯ и высказал предположение, что различия возникают из-за «различного распределения простых атомов в сложном атоме» (т. е. молекуле). Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического учения Я. Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия).
Структурная изомерия
Структурная изомерия - результат различий в химическом строении. К этому типу относят:
Изомерия углеводородной цепи (углеродного скелета)
Изомерия углеродного скелета, обусловленная различным порядком связи атомов углерода. Простейший пример - бутан СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 и изобутан (СН 3) 3 СН. Др. примеры: антрацен и фенантрен (формулы I и II соответственно), циклобутан и метилциклопропан (III и IV).
Валентная изомерия
Валентная изомерия (особый вид структурной изомерии), при которой изомеры можно перевести друг в друга лишь за счет перераспределения связей. Например, валентными изомерами бензола (V) являются бициклогекса-2,5-диен(VI, «бензол Дьюара»), призман (VII, «бензол Ладенбурга»), бензвален (VIII).
Изомерия функциональной группы
Различается характером функциональной группы. Пример: Этанол (CH 3 -CH 2 -OH) и Диметиловый эфир (CH 3 -O-CH 3)
Изомерия положения
Тип структурной изомерии, характеризующийся различием положения одинаковых функциональных групп или двойных связей при одинаковом углеродном скелете. Пример: 2-хлорбутановая кислота и 4-хлорбутановая кислота.
Пространственная изомерия (стереоизомерия)
Энантиомерия (оптическая изомерия)
Пространственная изомерия (стереоизомерия) возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение. Этот тип изомеров подразделяют на энантиомерию (оптическую изомерию) и диастереомерию .
Энантиомерами (оптическими изомерами, зеркальными изомерами) являются пары оптических антиподов веществ, характеризующихся противоположными по знаку и одинаковыми по величине вращениями плоскости поляризации света при идентичности всех других физических и химических свойств (за исключением реакций с др. оптически активными веществами и физических свойств в хиральной среде). Необходимая и достаточная причина возникновения оптических антиподов - отнесение молекулы и одной из следующих точечных групп симметрии C n , D n , T, O, I (Хиральность). Чаще всего речь идет об асимметрическом атоме углерода, то есть об атоме, связанном с четырьмя разными заместителями, например:
Асимметрическими могут быть и др. атомы, например атомы кремния, азота , фосфора , серы . Наличие асимметрического атома не единственная причина энантиомерии. Так, имеют оптические антиподы производные адамантана (IX), ферроцена (X), 1,3-дифенилаллен (XI), 6,6"-динитро-2,2"-дифеновая кислота (XII). Причина оптическое активности последнего соединения - атропоизомерия, то есть пространственная изомерия, вызванная отсутствием вращения вокруг простой связи. Энантиомерия также проявляется в спиральных конформациях белков , нуклеиновых кислот , гексагелицене (XIII).
(R)-, (S)- номенклатура оптических изомеров (правило наименования)
Четырём группам, присоединенным к ассиметрическому атому углерода C abcd , приписывается различное старшинство, отвечающее последовательности: a>b>c>d. В простейшем случае старшинство устанавливается по порядковому номеру атома, присоединенного к ассиметрическому атому углерода: Br(35), Cl(17), S(16), O(8), N(7), C(6), H(1).
Например, в бромхлоруксусной кислоте:
Старшинство заместителей при ассиметрическом атоме углерода следующее: Br(a), Cl(b), C группы COOH (c), H(d).
У бутанола-2 кислород является старшим заместителем (а), водород - младшим (d):
Требуется решить вопрос о заместителях CH 3 и CH 2 CH 3 . В этом случае старшинство определяется порядковым номером или номерами других атомов в группе. Первенство остается за этильной группой, так как в ней первый атом С связан с другим атомом С(6) и с другими атомами Н(1), тогда как в метильной группе углерод соединен с тремя атомами Н с порядковым номером 1. В более сложных случаях продлжают сравнивать все атомы, пока не доходят до атомов с различными порядковыми номерами. Если имеются двойная или тройная связи, то находящиеся при них атомы считаются соответственно за два и за три атома. Так, группу -COH рассматривают как С (O, O, H), а группу -COOH - как С(О, О, ОН); карбоксильная группа старше альдегидной, поскольку содержит три атома с порядковым номером 8.
В D-глицериновом альдегиде старшей является группа ОН(а), затем следует CHO(b), CH 2 OH(c) и Н(d):
Следующий этап заключается в определении, является ли расположение групп правым, R (лат. rectus), или левым, S (лат. sinister). Переходя к соответствующей модели, её ориентируют так, чтобы младшая группа (d) в перспективной формуле оказалась внизу, и затем рассматривают сверху вдоль оси, проходящей через заштрихованную грань тетраэдра и группу (d). В D-глицириновом альдегиде группы
расположены в направлении правого вращения, и следовательно, он имеет R-конфигурацию:
(R)-глицериновый альдегид
В отличие от D,L номенклатуры обозначения (R)- и (S)- изомеров заключают в скобки.
Диастереомерия
σ-диастереомерия
Диастереомерными считают любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических антиподов. Различают σ и π-диастереомеры. σ-диастериомеры отличаются друг от друга конфигурацией части имеющихся в них элементов хиральности. Так, диастериомеры являются (+)-винная кислота и мезо-винная кислота, D-глюкоза и D-манноза, например:
Для некоторых типов диастереомерия введены специальные обозначения, например трео- и эритро-изомеры - это диастереомерия с двумя асимметрическим атомами углерода и пространств, расположением заместителей у этих атомов, напоминающим соотвующую треозу (родственные заместители находятся по разные стороны в проекционных формулах Фишера) и эритрозу (заместители - по одну сторону):
Эритро-изомеры, которых асимметрические атомы связаны с одинаковыми заместителями, называются мезо-формами. Они, в отличие от остальных σ-диастереомеров, оптически неактивны из-за внутримолекулярной компенсации вкладов во вращение плоскости поляризации света двух одинаковых асимметрических центров противоположной конфигурации. Пары диастереомеров, различающиеся конфигурацией одного из нескольких асимметрических атомов, называются эпимерами, например:
Термин «аномеры» обозначает пару диастереомерных моносахаридов, различающихся конфигурацией гликозидного атома в циклической форме, например аномерны α-D- и β-D-глюкозы.
π-диастереомерия (геометрическая изомерия)
π-диастериомерами, называемые также геометрическими изомерами, отличаются друг от друга различным пространственным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи (чаще всего С=С и С=N) или цикла. К ним относятся, например, малеиновая и фумаровая кислоты (формулы XIV и XV соответственно), (Е)- и (Z)-бензальдоксимы (XVI и XVII), цис- и транс-1,2-диметилциклопентаны (XVIII и XIX).
Конформеры. Таутомеры
Явление неразрывно связано с температурными условиями его наблюдения. Так, например, хлорциклогексан при комнатной температуре существует в виде равновесной смеси двух конформеров - с экваториальной и аксиальной ориентацией атома хлора:
Однако при минус 150 °С можно выделить индивидуальную а-форму, которая ведет себя в этих условиях как устойчивый изомер.
С др. стороны, соединения, в обычных условиях являющиеся изомерами, при повышении температуры могут оказаться находящимися в равновесии таутомерами. Например, 1-бромпропан и 2-бромпропан - структурные изомеры, однако при повышении температуры до 250 °С между ними устанавливается равновесие, характерное для таутомеров.
Изомеры, превращающиеся друг в друга при температуре ниже комнатной, можно рассматривать как нежесткие молекулы.
Существование конформеров иногда обозначают термином «поворотная изомерия». Среди диенов различают s-цис- и s-транс - изомеры, которые, по существу, являются конформерами, возникающими в результате вращения вокруг простой (s-single) связи:
Изомерия также характерна для координационных соединений. Так, изомерны соединения, различающиеся по способу координации лигандов (ионизационная изомерия), например, изомерны:
SO 4 - и + Br -
Здесь, по существу, имеется аналогия со структурной изомерии органических соединений.
Химические превращения, в результате которых структурные изомеры превращаются друг в друга, называется изомеризацией. Такие процессы имеют важное значение в промышленности. Так, например, проводят изомеризацию нормальных алканов в изоалканы для повышения октанового числа моторных топлив; изомеризуют пентан в изопентан для последующего дегидрирования в изопрен. Изомеризацией являются и внутримолекулярной перегруппировки, из которых большое значение имеет, например, превращение оксима циклогексанона в капролактам - сырье для производства капрона.
Процесс взаимопревращения энантиомеров называется рацемизацией: она приводит к исчезновению оптической активности в результате образования эквимолярной смеси (-)- и (+)-форм, то есть рацемата. Взаимопревращение диастереомеров приводит к образованию смеси, в которой преобладает термодинамически более устойчивая форма. В случае π-диастереомеров - обычно транс-форма. Взаимопревращение конформационных изомеров называется конформационным равновесием.
Явление изомерии в огромной степени способствует росту числа известных (и ещё в большей степени числа потенциально возможных) соединений. Так, возможное число структурно-изомерных дециловых спиртов более 500 (известно из них около 70), пространств, изомеров здесь более 1500.
При теоретическом рассмотрении проблем изомерии все большее распространение получают топологические методы; для подсчёта числа изомеров выведены математические формулы. Для обозначения пространств, изомеров разных типов разработана номенклатура стереохимическая, собранная в разделе Е Номенклатурных правил ИЮПАК по химии.
Литература
- Физер Л., Физер М., Органическая химия. Углубленный курс. т.1. пер с англ., Под ред. д.х.н. Н.С. Вульфсона. Изд. «Химия». М., 1969.
- Пальм В. А., Введение в теоретическую органическую химию, М., 1974;
- Соколов В И., Введение в теоретическую стереохимию, М., 1979;
- Сланина 3., Теоретические аспекты явления изомерии в химии, пер. с чеш., М., 1984;
- Потапов В М., Стереохимия М., 1988.
Французский физик
Этьен Луи Малюс полагал, что свет состоит из частиц с двумя полюсами «северным» и «южным», и в свете, прошедшем через исландский шпат, все полюсы повернуты в одну сторону. Поэтому он назвал такой свет поляризованным. Было обнаружено, что свет частично поляризуется, отражаясь под некоторыми углами от блестящих поверхностей диэлектриков, например, от стекла, или преломляясь в них. Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось. Глаз человека не может отличить обычный свет от поляризованного, однако это легко сделать с помощью простейших оптических приборов поляриметров; ими пользуются, например, фотографы: поляризационные фильтры помогают избавиться от бликов на фотографии, которые возникают при отражении света от поверхности воды.Выяснилось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества происходит интересное явление: плоскость, в которой расположены «стрелки» колеблющегося электрического поля, постепенно поворачивается вокруг оси, вдоль которой идет луч. Впервые это явление обнаружил в 1811 французский физик
Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Природные кристаллы кварца имеют неправильное, асимметричное строение, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения. Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право- и левовращающими.В 1815 другой французский физик
Жан Батист Био и немецкий физик Томас Зеебек установили, что некоторые органические вещества (например, сахар или скипидар) также обладают этим свойством, причем не только в кристаллическом, но и в жидком, растворенном и даже газообразном состоянии. Так было доказано, что оптическая активность может быть связана не только с асимметрией кристаллов, но и с каким-то неизвестным свойством самих молекул. Оказалось, что, как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могут существовать в виде как право-, так и левовращающих разновидностей, причем самый тщательный химический анализ не обнаруживает между ними никаких различий! Фактически это был новый тип изомерии, которую назвали оптической изомерией. Оказалось, что кроме право- и левовращающих, есть и третий тип изомеров оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 знаменитый немецкий химик Йёнс Якоб Берцелиус на примере виноградной (дигидроксиянтарной) кислоты НООССН(ОН)СН(ОН)СООН: эта кислота оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Позднее была открыта и не встречающаяся в природе «левая» винная кислота антипод правовращающей.Различить оптические изомеры можно с помощью поляриметра прибора, измеряющего угол поворота плоскости поляризации. Для растворов этот угол линейно зависит от толщины слоя и концентрации оптически активного вещества (закон Био). Для разных веществ оптическая активность может изменяться в очень широких пределах. Так, в случае водных растворов разных аминокислот при 25
° С удельная активность (она обозначается как [ a ] D и измеряется для света с длиной волны 589 нм при концентрации 1 г/мл и толщине слоя 10 см) равна 232 ° для цистина, 86,2 ° для пролина, 11,0 ° для лейцина, +1,8 ° для аланина, +13,5 ° для лизина и +33,2 ° для аспарагина. Современные поляриметры позволяют измерять оптическое вращение с очень высокой точностью (до 0,001 ° ). Подобные измерения позволяют быстро и точно определить концентрацию оптически активных веществ, например, содержание сахара в растворах на всех стадиях его производства начиная от сырых продуктов и кончая концентрированным раствором и патокой. Открытие Пастера. Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например, кубические кристаллы поваренной соли оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась совершенно загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 никому тогда не известный Луи Пастер . Еще в студенческие годы Пастер интересовался химией и кристаллографией, работая под руководством физика Ж.Б.Био и видного французского химика Жана Батиста Дюма . После окончания Высшей нормальной школы в Париже молодой (ему было всего 26 лет) Пастер работал лаборантом у Антуана Балара. Балар был уже известным химиком, который за 22 года до этого прославился открытием нового элемента брома. Своему ассистенту он дал тему по кристаллографии, не предполагая, что это приведет к выдающемуся открытию.В ходе исследования Пастер получил кислую натриевую соль виноградной кислоты C
4 H 5 O 6 Na, насытил раствор аммиаком и медленным выпариванием воды получил красивые призматические кристаллы натриево-аммониевой соли C 4 H 3 O 6 NaNH 4 . Кристаллы эти оказались асимметричными, одни из них были как бы зеркальным отражением других: у половины кристаллов одна характерная грань находилась справа, а у других слева. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением. Пастер на этом не остановился. Из каждого раствора он выделил исходную кислоту (которая была неактивной). Каково же было его удивление, когда оказалось, что один раствор это известная правовращающая винная кислота, а другой такая же кислота, но вращающая влево!Воспоминания очевидцев свидетельствуют о невероятном нервном возбуждении молодого ученого, охватившем его в эту минуту; поняв, что ему удалось сделать, Пастер выбежал из лаборатории и, встретив лаборанта физического кабинета, бросился к нему и, обняв, воскликнул: «Я только что сделал великое открытие!» А заключалось оно в том, что давно известная неактивная виноградная кислота это просто смесь равных количеств также известной «правой» винной кислоты и ранее не известной «левой». Именно поэтому смесь не обладает оптической активностью. Для такой смеси стали применять название рацемат (от латинского racemus виноград). А два полученных Пастером антипода винной кислоты получили название энантиомеров (от греч. enantios противоположный). Пастер ввел для них обозначения L- и D-изомеров (от латинских слов laevus левый и dexter правый). Позднее немецкий химик
Эмиль Фишер связал эти обозначения со строением двух энантиомеров одного из наиболее простых оптически активных веществ глицеринового альдегида ОНСН 2 СН(ОН)СНО. В 1956 по предложению английских химиков Роберта Кана и Кристофера Ингольда и швейцарского химика Владимира Прелога для оптических изомеров были введены обозначения S (от лат. sinister левый) и R (лат. rectus правый); рацемат обозначают символом RS. Однако по традиции широко используются и старые обозначения (например, для углеводов, аминокислот). Следует отметить, что эти буквы указывают лишь на строение молекулы («правое» или «левое» расположение определенных химических групп) и не связаны с направлением оптического вращения; последнее обозначают знаками плюс и минус, например, D()-фруктоза, D(+)-глюкоза.Кроме «ручного способа», Пастер открыл еще два метода разделения рацемата на два антипода. Биохимический метод основан на избирательной способности некоторых микроорганизмов усваивать только один из изомеров. Например, грибковая плесень
Penicillum glaucum , растущая на разбавленных растворах виноградной кислоты или ее солей, «поедает» только правый изомер, оставляя левый без изменения.Третий способ разделения рацематов был чисто химический. Но для него требовалось заранее иметь оптически активное вещество, которое при взаимодействии с рацемической смесью, «выбирало» бы из нее только один энантиомер. Например, оптически активное органическое основание давало с виноградной кислотой оптически активную соль, из которой можно было выделить соответствующий энантиомер винной кислоты.
Теория оптической изомерии . Работа Пастера, доказывающая возможность «расщепления» оптически неактивного соединения на антиподы энантиомеры, первоначально вызвала у многих химиков недоверие. Даже сам Био не поверил своему ассистенту, пока собственноручно не повторил его опыт не убедился в правоте Пастера. Эта и последующие работы Пастера приковали к себе пристальное внимание химиков. Вскоре Жозеф Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Иоганн Вислиценус установил, что существуют две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (молочная кислота брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (мясомолочная кислота). Подобных примеров становилось все больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов. Такую теорию создал молодой голландский ученый Вант-Гофф . Согласно этой теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть «правыми» и «левыми», являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример был такой. Атом углерода в органических соединениях четырехвалентен, четыре химические связи направлены от него под равными углами к вершинам тетраэдра. Если все атомы или группы атомов, находящиеся в вершинах тетраэдра и связанные с центральным атомом углерода, будут разными, то возможны две разные структуры, которые не совмещаются друг с другом вращением в пространстве. Если же хотя бы два заместителя из четырех будут одинаковыми, молекулы станут полностью идентичными (это легко проверить с помощью модели из спичек и цветного пластилина). Подобные структуры, которые отличаются друг от друга как правая рука от левой, получили название хиральных (от греч. heir рука). Таким образом, оптическая активность следствие пространственной изомерии (стереоизомерии) молекул.Атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями, называется асимметрическим. Асимметрическими могут быть и атомы других элементов кремния, азота, фосфора, серы. Однако оптически активными могут быть и соединения без асимметрических атомов углерода, если они могут существовать в виде двух зеркальных изомеров. Молекула будет асимметрической, если в ней нет ни одного элемента симметрии ни центра, ни осей, ни плоскости симметрии. Примером может служить молекула аллена H
2 C=C=CH 2 , в которой имеются два различных заместителя: R 1 R 2 C=C=CR 1 R 2 . Дело в том, что эти заместители находятся не в одной плоскости (как, например, у алкенов), а в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поэтому возможно существование двух зеркальных изомеров, которые никакими перемещениями и поворотами невозможно совместить друг с другом.Более сложные отношения встречаются в случае молекул с несколькими асимметрическими атомами углерода. Например, в винной кислоте две гидроксильные группы у двух соседних атомов углерода могут быть расположены так, что молекула окажется симметричной и зеркальных изомеров у нее не будет. Это приводит к образованию еще одного, оптически неактивного, изомера, которых называется мезовинной (или антивинной) кислотой. Таким образом, дигидроксиянтарная кислота может находиться в виде четырех изомеров: правовращающего (D-винная кислота, которую в медицине называют виннокаменной), левовращающего (L-винная кислота), оптически неактивного (мезовинная кислота), а также в виде смеси L- и R-изомеров, то есть рацемата (i-винная, или виноградная кислота). Оптически активные винные кислоты при длительном нагревании их водных растворов рацемизуются, превращаясь в смесь антиподов.
Еще сложнее обстоит дело, когда асимметрических центров у молекулы множество. Например, в молекуле глюкозы их четыре. Поэтому для нее теоретически возможно существование 16 стереоизомеров, которые образуют 8 пар зеркальных антиподов. Они давно известны химикам; это сама глюкоза, а также аллоза, альтроза, манноза, гулоза, идоза, галактоза и талоза. Многие из них встречаются в природе, например, D-глюкоза (но не L-глюкоза, которая была получена синтетически).
Если в веществе поровну «правых» и «левых» молекул, оно будет оптически неактивным. Именно такие вещества и получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах, при участии асимметричных агентов (например, ферментов) образуются оптически активные соединения. Конечно, тут же возник вопрос о том, как же появились на Земле такие соединения, например, та же природная правовращающая винная кислота, или «асимметричные» микроорганизмы, питающиеся только одним из энантиомеров. Ведь в отсутствие человека некому было осуществлять направленный синтез оптически активных веществ, некому
было разделять кристаллы на правые и левые! Однако подобные вопросы оказались настолько сложными, что ответа на них нет и поныне. Например, никто не знает, почему почти все природные аминокислоты, из которых построены белки, относятся к L-ряду (S-конфигурация), а их антиподы только изредка встречаются у некоторых антибиотиков.Теория Вант-Гоффа далеко не сразу завоевала признание. Так, выдающийся немецкий химик-экспериментатор
Адольф Кольбе , (его именем названо несколько органических реакций), опубликовал в мае 1877 года язвительную статью, в которой резко отрицательно отозвался о новой теории. К счастью, Кольбе оказался в явном меньшинстве, и теория Вант-Гоффа, заложившая основы современной стереохимии, завоевала общее признание, а ее создатель в 1901 стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии.Эта теория позволила объяснить многие химические явления. Например, в реакциях замещения атомов галогенов на гидроксильные группы: в оптически активных алкилгалогенидах RX + OH
® ROH + X (X атом галогена) в некоторых случаях оптическая активность исчезает, в других сохраняется, но меняет знак. Оказалось, что эта реакция может идти разными путями. Первый механизм включает диссоциацию галогенида с образованием промежуточных ионов R + , которые быстро соединяются с анионами ОН , давая продукт реакции спирт. Если исходный галогенид RX имел оптическую активность, она в результате этой реакции теряется, поскольку гидроксил может подойти к промежуточному плоскому катиону с любой стороны, так что образуется смесь энантиомеров. Если же реакция идет по второму механизму, анион OH, подходит к атому углерода со стороны, противоположной связи CX, и «вытесняет» атом галогена в виде аниона. Если исходный галогенид R 1 R 2 R 3 CX имел оптическую активность, она в результате этой реакции сохраняется, но знак оптического вращения меняется на противоположный. Происходит это потому, что три заместителя у асимметрического атома углерода R 1 , R 2 и R 3 , находящиеся, как и атом галогена, в вершинах тетраэдра, при подходе атакующего агента гидроксила меняют свою конфигурацию относительно четвертого заместителя; такое изменение конфигурации аналогично выворачиванию зонтика на сильном ветру. Оптическая изомерия и жизнь . Химики часто относятся к энантиомерам, как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Это стало очевидным после трагической истории с талидомидом лекарственным средством, которое в 60-е годы 20 в. врачи во многих странах прописывали беременными женщинами как эффективное снотворное и успокаивающее. Однако со временем проявилось его ужасное побочное действие: вещество оказалось тератогенным (повреждающим зародыш, от греческого teratos чудовище, урод), и на свет появилась масса младенцев с врожденными уродствами. Лишь в конце 80-х годов выяснилась, что причиной несчастий был только один из энантиомеров талидомида его правовращающая форма. К сожалению, такое различие в действии лекарственных форм раньше не было известно, и талидомид был рацемической смесью обоих антиподов.В настоящее время многие лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Так, из 25 наиболее распространенных с США лекарств только шесть являются нехиральными соединениями, три это рацематы, остальные чистые энантиомеры. Последние получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений (к ним относятся углеводы, аминокислоты, терпены, молочная и винная кислоты и др.) и прямым синтезом
. Например, известная химическая фирма Merck разработала способ производства гипотензивного препарата метилдофа, включающий самопроизвольную кристаллизацию только нужного энантиомера путем введения в раствор небольшой затравки этого изомера. Прямой синтез также требует хиральных источников, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают оба энантиомера в равных пропорциях рацемат. Это, кстати, одна из причин очень высокой стоимости некоторых лекарств, поскольку направленный синтез только одного из них очень сложная задача. Поэтому не удивительно, что из более 500 синтетических хиральных препаратов, выпускаемых во всем мире, примерно лишь десятая часть являются оптически чистыми. В то же время из 517 препаратов, полученных из природного сырья, только восемь это рацематы.Необходимость в оптически чистых энантиомерах объясняется тем, часто только один из них обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может вызвать нежелательные побочные эффекты или даже быть токсичным. Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, S()-тироксин («левотроид») это природный гормон щитовидной железы. А правовращающий R(+)-тироксин («декстроид») понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например, Darvon и Novrad.
Чем же объясняется различное действие энантиомеров? Человек существо хиральное. Асимметрично и его тело, и молекулы биологически активных веществ, из которых оно состоит. Молекулы хиральных лекарств, взаимодействуя с определенными хиральными центрами организма, например, ферментами, могут действовать по-разному в зависимости от того, каким именно энантиомером является лекарство. «Правильное» лекарство подходит к
своему рецептору, как ключ к замку и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке пожать правой рукой правую же руку своего гостя.Если лекарство рацемат, то один из энантиомеров может в лучшем случае оказаться индифферентным, в худшем вызвать совершенно нежелательный эффект. Вот несколько примеров. Так, антиаритмическое средство S()-анаприлин действует в 100 раз сильнее, чем R(+)-форма! В случае верапамила оба энантиомера обладают сходным эффектом, однако его R(+)-форма обладает значительно менее сильным побочным кардиодепрессивным эффектом. Применяющийся для наркоза кетамин может у 50% пациентов вызвать побочные эффекты в виде возбуждения, бреда и т.п., причем это присуще в основном только R(
) -изомеру, а также рацемату.У антигельминтного препарата левамизола активен в основном в S()-изомер, тогда как его R(+)-антипод вызывает тошноту, поэтому в свое время рацемический левамизол был заменен одним из энантиомеров. Но, оказывается, экономически не всегда имеет смысл синтезировать чистые изомеры. Например, для широко применяющегося анальгетика ибупрофена под действием ферментов возможна изомеризация терапевтически неактивной R()-формы в активный S(+)-изомер, поэтому в данном случае можно использовать значительно более дешевый рацемат.Разное биологическое действие «правых» и «левых» изомеров проявляется не только среди лекарственных средств, а во всех случаях, когда хиральное соединение взаимодействует с живыми организмами. Яркий пример аминокислота изолейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий горький. Другой пример. Карвон вещество с очень сильным ароматом (человеческий нос способен почувствовать его при содержании в воздухе всего 17 миллионных долей миллиграмма в литре). Карвон выделяют из тмина, в масле которого его содержится около 60%. Однако точно такое же соединение с тем же строением находится в масле кудрявой мяты там его содержание достигает 70%. Каждый согласится с тем, что запах мяты и тмина вовсе не одинаковы. Оказалось, что на самом деле карвонов два «правый» и «левый». Различие в запахе этих соединений показывает, что клетки-рецепторы в носу, ответственные за восприятие запаха, также должны быть хиральными.
Вернемся теперь к формуле, изображенной на собаке и волке. Пеницилламин (3,3-диметилцистеин) довольно простое производное аминокислоты цистеина. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно обладает способностью давать прочные комплексы с ионами этих металлов; образующиеся комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, при системной склеродермии, в ряде других случаев. При этом применяют только S-форму препарата, так как R-изомер токсичен и может привести к слепоте.
Теория Вант-Гоффа далеко не сразу завоевала признание. Так, выдающийся немецкий химик-экспериментатор Адольф Кольбе, (его именем названо
несколько органических реакций), опубликовал в мае 1877 года язвительную статью, в которой резко отрицательно отозвался о новой теории. К счастью, Кольбе оказался в явном меньшинстве, и теория Вант-Гоффа, заложившая основы современной стереохимии, завоевала общее признание, а ее создатель в 1901 стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии. Илья Леенсон ЛИТЕРАТУРА Потапов В.М. Основы стереохимии . М., Химия, 1985Химикам уже давно известно явление изомерии - когда два вещества имеют одну и ту же брутто-формулу (отражающую только количество разных атомов в веществе), но разные свойства - из-за разного порядка соединения атомов.
Особенно богата изомерами органическая химия. К примеру, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одну и ту же брутто-формулу: C 2 H 6 O, но структурная формула спирта - CH 3 –CH 2 –OH, а эфира - CH 3 –O–CH 3 . Эти вещества имеют разные свойства - как химические, так и физические (температура плавления, вязкость и т. д.).
В органической химии известны и так называемые оптические изомеры - молекулы, имеющие одинаковую структурную формулу, но не совместимые со своим зеркальным отражением. Простейший пример такой молекулы - это атом углерода с четырьмя разными заместителями. К примеру, СHClBrF или аланин CH 3 CHNH 2 COOH (рис. 1). Наличие у такой молекулы двух разных конфигураций связано с тем, что у атома углерода, образующего четыре одинарные связи, эти связи направлены к вершинам тетраэдра.
Оптические изомеры имеют одинаковый цвет, температуру кипения, плотность. Однако такие вещества обладают интересным физическим свойством - они вращают плоскость поляризации пропущенного через них поляризованного света. Один изомер будет вращать ее влево, другой - вправо.
Атом углерода с четырьмя разными заместителями называется хиральным атомом (от греческого heiros «ладонь» - тот же корень, что и в слове «хиромантия»). Чем больше хиральных атомов в молекуле, тем больше у вещества может быть оптических изомеров.
Интересно, что возможны органические вещества, которые имеют оптические изомеры, хотя в них формально нет ни одного хирального атома - центра изомерии.
Задача
Приведите пример органического вещества, не имеющего хиральных атомов, но при этом имеющего оптические изомеры, с минимальным количеством атомов углерода.
Подсказка 1
Для того чтобы молекула некоторого вещества не совпадала со своим зеркальным отражением, совершенно не обязательно, чтобы у нее был хотя бы один хиральный атом. К примеру, любая молекула в форме спирали будет оптически активной.
Подсказка 2
Кроме того, вспомните, к вершинам какой геометрической фигуры направлены четыре связи в хиральном атоме углерода.
Решение
Начнем с того, что для несовместимости со своим зеркальным отражением молекуле недостаточно быть просто несимметричной. Молекула может быть не равна своему отражению «на бумаге», но совместима с ним. Скажем, молекулу HCl мы можем просто повернуть (или посмотреть на нее с другой стороны). Мы можем также вращать части молекулы вокруг одинарных связей - а вот с двойными и тройными связями так поступать нельзя, они при этом рвутся.
Итак, если структура молекулы имеет такую пространственную асимметрию, что она не совмещается со своим зеркальным отражением, то молекула и ее отражение называются оптическими изомерами. Наша цель - попробовать придумать структуру, которая бы была несовместима со своим зеркальным отражением, имела бы минимальное количество атомов углерода, и при этом сами эти атомы не были бы хиральными центрами молекулы.
На первый взгляд, такой молекулой могли бы быть замещенные этилены, где вместо атомов водорода - четыре разных заместителя:
Однако несмотря на то, что у такого вещества есть изомеры (два произвольно выбранных заместителя у разных атомов углерода могут располагаться по одну сторону двойной связи или по разные), хиральными они не будут, так как молекулы с одной двойной связью - плоские; чтобы совместить их со своим зеркальным отражением, их достаточно просто повернуть на 180° вокруг оси, лежащей в плоскости молекулы и перпендикулярной двойной связи.
Существует вариант с тремя атомами углерода, который формально уже можно назвать решением нашей задачи. Четырехзамещенные аллены RR"C=C=CR"R""" тоже содержат двойные связи, но их молекулы уже не плоские. Дело в том, что если у одного атома углерода есть две двойные связи, то их плоскости повернуты друг относительно друга на 90 градусов:
Эта молекула уже хиральна, и можно сказать, что задачу мы решили. Однако в ней есть «хиральный центр» - центральный атом углерода. Попробуем решить задачу другим способом.
Три атома углерода можно расположить по-другому - создав из них треугольник. У нас получится вещество циклопропан, С 3 H 6:
Это хорошо известное вещество, которое до сих пор иногда используется в медицине в качестве средства для наркоза. Атомы углерода образуют жесткую плоскость. Каждый из них связан с двумя атомами водорода - один над плоскостью, другой - под ней.
Теперь заменим у двух атомов углерода по одному атому водорода на два других заместителя - к примеру, хлор и бром - так, чтобы они оказались по разные стороны от плоскости атомов углерода. Такое положение заместителей называется транс -изомером 1,2-дизамещенного циклопропана. (Если бы эти заместители располагались по одну сторону от плоскости, у нас получился бы цис -изомер, но он нас сейчас не интересует).
Внимательно посмотрим на получившуюся молекулу и представим себе ее зеркальное отражение:
Обе структуры, как бы мы ни крутили их в пространстве, друг с другом не совмещаются, а атома - хирального центра тут нет.
А теперь попробуем создать полный аналог хирального атома углерода - но без хирального центра. Вернемся к первоначальному атому, с которого мы начали (см. условие задачи). Четыре связи его направлены к вершинам тетраэдра. Давайте попробуем расположить по атому углерода в его вершинах и соединить их связями.
У нас получится углеродный скелет вещества C 4 H 4 - тетраэдрана. Само это вещество еще не получено химиками, но его производные уже существуют в реальности. Если заместить в нём все атомы водорода на разные заместители, то получится вполне себе хиральная молекула, «хиральный центр» которой будет располагаться внутри тетраэдра:
Послесловие
Тема изомерии - одна из самых благодатных тем для игры ума. Даже в школьных олимпиадах по химии очень часто можно встретить задания с просьбой написать все изомеры того или иного вещества (иногда сами составители задач чего-то не рассчитывают, и на решение уходит много времени и очень много бумаги; у автора этой задачи на районной олимпиаде как-то ушло полтора часа и целая тетрадка).
Оптические изомеры - всего один из вариантов изомерии в органической химии, но очень важный.
К примеру, все основные аминокислоты, которые входят в состав наших белков, имеют формулу H 2 N–CH(R)–COOH - то есть все (кроме глицина, у которого R тоже представляет собой атом водорода) имеют асимметрический атом углерода и имеют оптические изомеры. И в нашем организме встречаются почти исключительно L-изомеры аминокислот (если не вдаваться в тонкости номенклатуры хиральных атомов, которых существует целых три типа, то можно назвать эти молекулы «левыми»). И биохимики до сих пор гадают, почему природа выбрала именно этот изомер - ведь при всех реакциях, когда из более простых веществ получаются вещества с хиральным атомом (без присутствия специфических катализаторов) образуется смесь двух изомеров в равных частях.
Синтетики тоже любят «поиграть» с оптической изомерией и при этом уже создали множество веществ без хирального атома - но с оптической активностью.
Кстати, можно создать хиральную молекулу вообще без заместителей. И она будет достаточно небольшой. Существуют так называемые ароматические углеводороды. Самый простой из них - бензол, C 6 H 6 . Его структуру учат в школе - плоский шестигранник. Вещество посложнее - нафталин. Это уже два соединенных по одной стороне бензольных кольца:
Три кольца можно уже соединять в линию - получится антрацен , а можно - под углом, и тогда у нас получится фенантрен:
Так вот, если продолжать соединять кольца под углом и дойти до шести колец, то крайние кольца упрутся друг в друга, им не хватит места, и плоскость молекулы нарушится. Вещество из шести колец называется гексагелицен, и его молекула уже представляет собой спираль. А значит, эта молекула может быть либо левой спиралью, либо правой, и будет иметь оптические изомеры.
Кстати, химики научились получать такие спирали даже из 12 бензольных колец, в них уже есть пара витков.
Более того, и оптическими изомерами весь ассортимент разнообразия химических веществ, как ни странно, не заканчивается.
Стоит сказать о возможности так называемой топологической изомерии. Что это такое? К примеру, существует вещество в форме кольца. Две молекулы этого вещества изомерны одной, в которой одно кольцо продето в другое. И такие молекулы уже есть. Класс веществ, в которых две или более частей молекул удерживаются механически, как звенья цепи, называются катенанами - от латинского catena «цепь» (см. Catenane). Биохимики научились получать катенаны из молекул ДНК, и более короткие структуры тоже складывали в цепочки.
А если представить себе катенан из четырех колец, то возможна изомерия между молекулой, в которой три кольца продеты в четвертое, и молекулой, в которых кольца соединены последовательно.
Валентная изомерия - особый вид структурной изомерии, при которой изомеры можно перевести друг в друга лишь за счёт перераспределения связей. Например, валентными изомерами бензола (V) являются бициклогекса-2,5-диен (VI, «бензол Дьюара»), призман (VII, «бензол Ладенбурга»), бензвален (VIII).
Изомерия функциональной группы (межклассовая изомерия)
Различается характером функциональной группы; например, этанол (CH 3 -CH 2 -OH) и диметиловый эфир (CH 3 -O-CH 3).
Изомерия положения
Тип структурной изомерии, характеризующийся различием положения одинаковых функциональных групп или кратных связей при одинаковом углеродном скелете. Пример: 2-хлорбутановая кислота и 4-хлорбутановая кислота.
Метамерия
Этот тип изомерии подразделяют на энантиомерию (оптическую изомерию) и диастереомерию .
Энантиомерия (оптическая изомерия)
Энантиомерами (оптическими изомерами, зеркальными изомерами) являются пары оптических антиподов - веществ, характеризующихся противоположными по знаку и одинаковыми по величине вращениями плоскости поляризации света при идентичности всех других физических и химических свойств (за исключением реакций с другими оптически активными веществами и физических свойств в хиральной среде). Необходимая и достаточная причина возникновения оптических антиподов - принадлежность молекулы к одной из следующих точечных групп симметрии : C n , D n , T, O или I (хиральность). Чаще всего речь идёт об асимметрическом атоме углерода, то есть об атоме, связанном с четырьмя разными заместителями.
Асимметрическими могут быть и другие атомы, например атомы кремния , азота , фосфора , серы . Наличие асимметрического атома - не единственная причина энантиомерии. Так, имеют оптические антиподы производные адамантана (IX), ферроцена (X), 1,3-дифенилаллена (XI), 6,6"-динитро-2,2"-дифеновой кислоты (XII). Причина оптической активности последнего соединения - атропоизомерия , то есть пространственная изомерия, вызванная отсутствием вращения вокруг простой связи. Энантиомерия также проявляется в спиральных конформациях белков , нуклеиновых кислот , в гексагелицене (XIII).
Диастереомерия
Диастереомерными считают любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических антиподов. Различают σ- и π-диастереомеры.
σ-диастереомерия
σ-диастереомеры отличаются друг от друга конфигурацией части имеющихся в них элементов хиральности. Так, диастереомерами являются (+)-винная кислота и мезо-винная кислота, D-глюкоза и D-манноза, например:
π-диастереомерия (геометрическая изомерия)
π-диастереомеры, называемые также геометрическими изомерами , отличаются друг от друга различным пространственным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи (чаще всего С=С и С=N) или цикла. К ним относятся, например,
