Principes de R, S-nomenclature. Manuel de chimie organique. allocation

CHAPITRE 7. BASE STÉRÉOCHIMIQUE DE LA STRUCTURE DES MOLÉCULES DE COMPOSÉS ORGANIQUES

Stéréochimie (du grec. stéréos- spatial) est "la chimie en trois dimensions". La plupart des molécules sont tridimensionnelles (tridimensionnelles, abrégées en 3D). Les formules structurelles reflètent la structure bidimensionnelle (2D) d'une molécule, y compris le nombre, le type et la séquence de liaison des atomes. Rappelons que les composés qui ont la même composition mais des structures chimiques différentes sont appelés isomères de structure (voir 1.1). Le concept plus large de la structure d'une molécule (parfois appelé au sens figuré architecture moléculaire), ainsi que le concept de structure chimique, comprend des composants stéréochimiques - configuration et conformation, reflétant la structure spatiale, c'est-à-dire la tridimensionnalité de la molécule. Les molécules ayant la même structure chimique peuvent différer par leur structure spatiale, c'est-à-dire qu'elles existent sous la forme d'isomères spatiaux - stéréoisomères.

La structure spatiale des molécules est l'arrangement mutuel des atomes et des groupes atomiques dans l'espace tridimensionnel.

Les stéréoisomères sont des composés dans les molécules desquels il existe la même séquence de liaisons chimiques d'atomes, mais un arrangement différent de ces atomes les uns par rapport aux autres dans l'espace.

À leur tour, les stéréoisomères peuvent être configuration et isomères de conformation, c'est-à-dire différer en conséquence configuration et conformation.

7.1. Configuration

La configuration est l'ordre dans lequel les atomes sont disposés dans l'espace sans tenir compte des différences résultant de la rotation autour des liaisons simples.

Les isomères de configuration peuvent se transformer les uns en les autres en cassant certaines et en formant d'autres liaisons chimiques et peuvent exister séparément sous forme de composés individuels. Ils sont classés en deux types principaux - énantiomères et diastéréomères.

7.1.1. Énantiomère

Les énantiomères sont des stéréoisomères qui se rapportent les uns aux autres en tant qu'objet et image miroir incompatible avec celui-ci.

Seul chiral molécules.

La chiralité est la propriété d'un objet d'être incompatible avec son image miroir. Chiral (du grec. cheir- main), ou asymétriques, les objets sont la main gauche et la main droite, ainsi que des gants, des bottes, etc. Ces objets appariés représentent un objet et son image miroir (Fig. 7.1, a). De tels éléments ne peuvent pas être complètement combinés les uns avec les autres.

En même temps, il y a beaucoup d'objets autour de nous qui sont compatibles avec leur image miroir, c'est-à-dire qu'ils sont achiral(symétriques), comme les assiettes, les cuillères, les verres, etc. Les objets achiraux ont au moins un plan de symétrie, qui divise l'objet en deux parties identiques au miroir (voir fig. 7.1, b).

Des relations similaires sont également observées dans le monde des molécules, c'est-à-dire que les molécules sont divisées en chirales et achirales. Les molécules achirales ont des plans de symétrie, contrairement aux molécules chirales.

Les molécules chirales ont un ou plusieurs centres chiraux. Dans les composés organiques, le centre de chiralité est le plus souvent atome de carbone asymétrique.

Riz. 7.1.Réflexion dans un miroir d'un objet chiral (a) et d'un plan de symétrie coupant un objet achiral (b)

Asymétrique est un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes différents.

Lors de la représentation de la formule stéréochimique d'une molécule, le symbole "C" d'un atome de carbone asymétrique est généralement omis.

Pour déterminer si une molécule est chirale ou achirale, il n'est pas nécessaire de la représenter par une formule stéréochimique, il suffit de considérer attentivement tous les atomes de carbone qu'elle contient. S'il y a au moins un atome de carbone avec quatre substituants différents, alors cet atome de carbone est asymétrique et la molécule, à de rares exceptions (voir 7.1.3), est chirale. Ainsi, des deux alcools, le propanol-2 et le butanol-2, le premier est achiral (deux groupes CH 3 à l'atome C-2), et le second est chiral, puisque dans sa molécule à l'atome C-2 tous les quatre les substituants sont différents ( H, OH, CH 3 et C 2 H 5). Un atome de carbone asymétrique est parfois marqué d'un astérisque (C*).

Par conséquent, la molécule de butanol-2 peut exister sous la forme d'une paire d'énantiomères qui ne se combinent pas dans l'espace (Fig. 7.2).

Riz. 7.2.Les énantiomères des molécules chirales de 2-butanol ne correspondent pas

Propriétés des énantiomères. Les énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques et physiques (points de fusion et d'ébullition, densité, solubilité, etc.), mais présentent des activité optique, c'est-à-dire la capacité de dévier le plan de la lumière polarisée *.

Lorsqu'une telle lumière traverse une solution de l'un des énantiomères, le plan de polarisation dévie vers la gauche, l'autre vers la droite du même angle . La valeur de l'angle , réduite aux conditions standard, est la constante de la substance optiquement active et est appelée rotation spécifique[α]. La rotation à gauche est indiquée par un signe moins (-), la rotation à droite est indiquée par un signe plus (+), et les énantiomères sont appelés respectivement gauche et dextrogyre.

D'autres noms d'énantiomères sont associés à la manifestation d'une activité optique - isomères optiques ou antipodes optiques.

Chaque composé chiral peut également avoir une troisième forme optiquement inactive - racémate. Pour les substances cristallines, il ne s'agit généralement pas d'un simple mélange mécanique de cristaux de deux énantiomères, mais d'une nouvelle structure moléculaire formée par des énantiomères. Les racémates sont optiquement inactifs, car la rotation gauche d'un énantiomère est compensée par la rotation droite d'une quantité égale de l'autre. Dans ce cas, un signe plus-moins (?) est parfois placé devant le nom du composé.

7.1.2. Configuration relative et absolue

Formules de projection de Fisher. Les formules stéréochimiques peuvent être utilisées pour décrire les isomères de configuration sur un plan. Cependant, il est plus pratique d'utiliser le plus simple à écrire Formules de projection de Fisher(plus facile - projection de Fisher). Considérons leur construction à l'aide de l'exemple de l'acide lactique (2-hydroxypropanoïque).

Le modèle tétraédrique de l'un des énantiomères (Fig. 7.3) est placé dans l'espace de manière à ce que la chaîne d'atomes de carbone soit en position verticale et que le groupe carboxyle soit au sommet. Les liaisons avec des substituants non carbonés (H et OH) au centre chiral devraient

* Pour plus de détails voir le tutoriel Remizov A.N., Maksina A.G., Potapenko A.Ya. Physique médicale et biologique. 4e éd., Rév. et ajouter. - M. : Outarde, 2003.- S. 365-375.

Riz. 7.3.Construction de la formule de projection de Fisher (+) - acide lactique

être dirigé vers un observateur. Après cela, le modèle est projeté sur un plan. En même temps, le symbole d'un atome asymétrique est omis; il est compris comme le point d'intersection des lignes verticales et horizontales.

Avant la projection, le modèle tétraédrique d'une molécule chirale peut être positionné dans l'espace de différentes manières, non seulement comme le montre la Fig. 7.3. Il faut seulement que les maillons formant une ligne horizontale sur la projection soient dirigés vers l'observateur, et les maillons verticaux soient dirigés au-delà du plan du dessin.

Les projections obtenues de cette manière peuvent, à l'aide de transformations simples, être réduites à la forme standard dans laquelle la chaîne carbonée est située verticalement, et le groupe senior (dans l'acide lactique, il s'agit de COOH) est au-dessus. Les transformations permettent deux opérations :

Dans la formule de projection, il est permis d'échanger deux substituants quelconques au même centre chiral un nombre pair de fois (deux permutations peuvent être suffisantes) ;

Il est permis de faire pivoter la formule de projection dans le plan du dessin de 180 ? (ce qui équivaut à deux permutations), mais pas 90 ?.

Système de désignation D.L-Configuration. Au début du XXe siècle. un système de classification des énantiomères a été proposé pour des molécules relativement simples (en termes de stéréoisomérie) telles que les acides -aminés, les acides -hydroxylés et similaires. Par norme de configuration le glycéraldéhyde a été adopté. Son énantiomère lévogyre était arbitrairement la formule (I) est attribuée. Cette configuration de l'atome de carbone a été désignée par la lettre l (de lat. laevus- la gauche). L'énantiomère dextrogyre a reçu la formule (II), et la configuration a été désignée par la lettre d (de lat. dextre- droit).

Notez que dans la formule de projection standard je -aldéhyde glycérique, le groupe OH est à gauche, et à ré -aldéhyde glycérique - à droite.

Affectation à d- ou l - un certain nombre d'autres composés optiquement actifs structurellement apparentés sont produits en comparant la configuration de leur atome asymétrique avec la configuration d- ou l -aldéhyde glycérique. Par exemple, dans l'un des énantiomères de l'acide lactique (I) dans la formule de projection, le groupe OH est à gauche, comme dans je -aldéhyde glycérique, par conséquent l'énantiomère (I) est appelé je -à proximité. Pour les mêmes raisons, l'énantiomère (II) est appelé ré -à proximité. Ainsi, en comparant les projections de Fischer, on peut déterminer relatif configuration.

Il faut noter que je -l'aldéhyde glycérique a une rotation à gauche, et je -acide lactique - à droite (et ce n'est pas un cas isolé). De plus, une même substance peut être soit lévogyre, soit dextrogyre, selon les conditions de dosage (solvants différents, température).

Le signe de rotation du plan de lumière polarisée n'est pas associé à l'appartenance à d- ou l -série stéréochimique.

La détermination pratique de la configuration relative des composés optiquement actifs s'effectue à l'aide de réactions chimiques : soit la substance à tester est convertie en glycéraldéhyde (ou une autre substance de configuration relative connue), soit, à l'inverse, à partir de d- ou l α-glycéraldéhyde, la substance d'essai est obtenue. Bien entendu, au cours de toutes ces réactions, la configuration de l'atome de carbone asymétrique ne doit pas changer.

L'attribution arbitraire de configurations conditionnelles au glycéraldéhyde gauche et droit était une étape forcée. A cette époque, la configuration absolue n'était connue pour aucun composé chiral. L'établissement de la configuration absolue n'est devenu possible que grâce au développement de méthodes physico-chimiques, en particulier l'analyse par diffraction des rayons X, à l'aide de laquelle la configuration absolue a été déterminée pour la première fois en 1951, la molécule chirale était le sel de (+) - tartrique acide. Après cela, il est devenu clair que la configuration absolue des aldéhydes d- et l-glycéroliques est en effet la même que celle qui leur a été attribuée à l'origine.

d, l-System est actuellement utilisé pour les acides -aminés, les acides hydroxylés et (avec quelques ajouts) pour les glucides

(voir 11.1.1).

R, système de désignation S-Configuration. d, L-System a une application très limitée, car il est souvent impossible de corréler la configuration d'un composé avec le glycéraldéhyde. Le système de désignation universel pour la configuration des centres de chiralité est le système R, S (de lat. rectus- droit, sinistre- la gauche). C'est basé sur règle de séquence, en fonction de l'ancienneté des suppléants associés au centre chiral.

L'ancienneté des substituants est déterminée par le numéro atomique de l'élément directement associé au centre chiral - plus il est grand, plus le substituant est ancien.

Ainsi, le groupe OH est plus ancien que NH 2 qui, à son tour, est plus ancien que tout groupe alkyle et même COOH, puisque dans ce dernier un atome de carbone est lié à un centre asymétrique. Si les numéros atomiques sont les mêmes, le plus élevé est le groupe dans lequel l'atome à côté du carbone a un numéro ordinal plus élevé, et si cet atome (généralement l'oxygène) est doublement lié, il est compté deux fois. De ce fait, les groupes suivants sont classés par ordre d'ancienneté décroissante : -COOH> -CH = O> -CH 2 OH.

Pour déterminer la configuration, le modèle tétraédrique du composé est placé dans l'espace de sorte que le substituant le plus bas (dans la plupart des cas, un atome d'hydrogène) soit le plus éloigné de l'observateur. Si la priorité des trois autres substituants diminue dans le sens des aiguilles d'une montre, alors la configuration R est attribuée au centre de chiralité (Fig. 7.4, a), si dans le sens inverse des aiguilles d'une montre - S-configuration (voir Fig. 7.4, b), vue par le conducteur au volant (voir Fig. 7.4, v).

Riz. 7.4.Détermination de la configuration des énantiomères de l'acide lactique par R, S- système (explication dans le texte)

Les projections de Fisher peuvent être utilisées pour indiquer la configuration selon le système RS. Pour ce faire, la projection est transformée de manière à ce que le député subalterne se situe sur l'un des maillons verticaux, ce qui correspond à sa position derrière le plan du dessin. Si, après la transformation de la projection, la priorité des trois autres substituants diminue dans le sens des aiguilles d'une montre, alors l'atome asymétrique a la configuration R, et vice versa. L'application de cette méthode est illustrée par l'exemple de l'acide l-lactique (les chiffres indiquent l'ancienneté des groupes).

Il existe un moyen plus simple de déterminer la configuration R ou S par la projection de Fisher, dans laquelle le substituant le plus bas (généralement l'atome H) est situé sur l'un des horizontal Connexions. Dans ce cas, les permutations ci-dessus ne sont pas effectuées, mais l'ancienneté des substituants est immédiatement déterminée. Cependant, comme l'atome H est « hors de propos » (ce qui équivaut à la configuration opposée), la baisse d'ancienneté signifiera désormais non pas la configuration R-, mais la configuration S. Cette méthode est illustrée par l'exemple de l'acide l-malique.

Cette méthode est particulièrement pratique pour les molécules contenant plusieurs centres chiraux, lorsque des permutations seraient nécessaires pour déterminer la configuration de chacun d'eux.

Il n'y a pas de corrélation entre les systèmes d, l et RS : ce sont deux approches différentes pour désigner la configuration des centres chiraux. Alors que dans le système d, L, les composés avec des configurations similaires forment des rangées stéréochimiques, dans le système RS, les centres chiraux des composés, par exemple, dans la rangée l, peuvent avoir à la fois la configuration R et S.

7.1.3. Diastéréomérisme

Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères qui ne sont pas liés les uns aux autres, comme un objet et une image miroir incompatible, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas des énantiomères.

Les groupes diastéréoisomères les plus importants sont les -diastéréoisomères et les π-diastéréoisomères.

σ -Les diastéréoisomères. De nombreuses substances biologiquement importantes contiennent plus d'un centre chiral dans une molécule. Dans ce cas, le nombre d'isomères de configuration augmente, qui est défini comme 2 n, où m est le nombre de centres chiraux. Par exemple, en présence de deux atomes asymétriques, le composé peut exister sous forme de quatre stéréoisomères (2 2 = 4), constituant deux paires d'énantiomères.

L'acide 2-amino-3-hydroxybutanoïque a deux centres de chiralité (atomes C-2 et C-3) et, par conséquent, doit exister sous la forme de quatre isomères configurationnels, dont l'un est un acide aminé naturel.

Les structures (I) et (II), correspondant à la l- et d-thréonine, ainsi que (III) et (IV), correspondant à la l- et d-allotréonine (du grec. alios- autre), se rapportent l'un à l'autre comme un objet et une image miroir incompatible, c'est-à-dire qu'ils sont des paires d'énantiomères. En comparant les structures (I) et (III), (I) et (IV), (II) et (III), (II) et (IV), on peut voir que dans ces paires de composés, un centre asymétrique a la même configuration, tandis que l'autre est le contraire. De telles paires de stéréoisomères sont diastéréomères. De tels isomères sont appelés -diastéréoisomères, car les substituants qu'ils contiennent sont liés au centre chiral par des liaisons .

Les acides aminés et les acides hydroxy avec deux centres de chiralité sont appelés d- ou l -série dans la configuration de l'atome asymétrique avec le plus petit nombre.

Les diastéréoisomères, contrairement aux énantiomères, diffèrent par leurs propriétés physiques et chimiques. Par exemple, la l-thréonine, qui fait partie des protéines, et la l-allotréonine ont des valeurs de rotation spécifiques différentes (comme indiqué ci-dessus).

Mésocomposés. Parfois, une molécule contient deux ou plusieurs centres asymétriques, mais la molécule dans son ensemble reste symétrique. Un exemple de tels composés est l'un des stéréoisomères de l'acide tartrique (2,3-dihydroxybutanedioïque).

Théoriquement, cet acide, qui possède deux centres de chiralité, pourrait exister sous forme de quatre stéréoisomères (I) - (IV).

Les structures (I) et (II) correspondent aux énantiomères des séries d et l (l'attribution est basée sur le centre « supérieur » de chiralité). Il semblerait que les structures (III) et (IV) correspondent également à un couple d'énantiomères. En fait, ce sont les formules du même composé - optiquement inactif acide mésotartrique. Il est facile de vérifier l'identité des formules (III) et (IV) en faisant pivoter la formule (IV) de 180° sans la sortir du plan. Malgré les deux centres de chiralité, la molécule d'acide méso-tartrique dans son ensemble est achirale, car elle a un plan de symétrie passant par le milieu de la liaison C-2-C-3. Par rapport aux acides d- et l-tartriques, l'acide méso-tartrique est un diastéréoisomère.

Ainsi, il existe trois (et non quatre) stéréoisomères des acides tartriques, sans compter la forme racémique.

Lors de l'utilisation du système R, S, il n'y a aucune difficulté à décrire la stéréochimie des composés avec plusieurs centres chiraux. Pour ce faire, déterminez la configuration de chaque centre selon le système R, S et indiquez-le (entre parenthèses avec les locants correspondants) avant le nom complet. Ainsi, l'acide d-tartrique recevra le nom systématique (2R, 3R) -2,3-dihydroxybutanedioïque et l'acide méso-tartrique aura des symboles stéréochimiques (2R, 3S) -.

Comme l'acide méso tartrique, il existe une forme méso de l'acide -aminé cystine. A deux centres de chiralité, le nombre de stéréoisomères de la cystine est égal à trois du fait que la molécule est à symétrie interne.

π -Les diastéréoisomères. Ceux-ci comprennent des isomères de configuration contenant une liaison . Ce type d'isomérie est caractéristique, en particulier, des alcènes. En ce qui concerne le plan de la liaison , les mêmes substituants sur deux atomes de carbone peuvent être situés un à la fois (cis) ou à différents (transe) côtés. À cet égard, il existe des stéréoisomères appelés cis- et transe-isomères, comme indiqué pour les cis- et trans-butènes (voir 3.2.2). Les π-diastéréoisomères sont les acides dicarboxyliques insaturés les plus simples - maléique et fumarique.

L'acide maléique est thermodynamiquement moins stable cis-isomère par rapport à transe-isomère - acide fumarique. Sous l'influence de certaines substances ou des rayons ultraviolets, un équilibre s'établit entre les deux acides ; lorsqu'il est chauffé (~ 150? C), il est déplacé vers un plus stable transe-isomère.

7.2. Formes

Autour d'une simple liaison C-C, une rotation libre est possible, grâce à quoi la molécule peut prendre diverses formes dans l'espace. Cela peut être vu dans les formules stéréochimiques de l'éthane (I) et (II), où les groupes CH colorés 3 situé différemment par rapport à un autre groupe CH 3.

Faire pivoter un groupe CH 3 par rapport à l'autre se produit sans perturber la configuration - seul l'arrangement mutuel des atomes d'hydrogène dans l'espace change.

Les formes géométriques d'une molécule qui se transforment l'une dans l'autre par rotation autour des liaisons sont appelées conformations.

Selon ce conformationnel les isomères sont des stéréoisomères, dont la différence est causée par la rotation de parties individuelles de la molécule autour des liaisons .

Les isomères de conformation ne peuvent généralement pas être isolés dans un état individuel. La transition de différentes conformations de la molécule entre elles se produit sans rompre les liaisons.

7.2.1. Conformations des composés acycliques

Le composé le plus simple avec une liaison C-C est l'éthane ; considérer deux de ses nombreuses conformations. Dans l'un d'eux (Fig. 7.5, a) la distance entre les atomes d'hydrogène de deux groupes CH 3 les plus petites, par conséquent, les liaisons C-H situées en face l'une de l'autre sont repoussées. Ceci conduit à une augmentation de l'énergie de la molécule, et, par conséquent, à une moindre stabilité de cette conformation. En regardant le long de la liaison C-C, on peut voir que les trois liaisons C-H de chaque atome de carbone par paires se "protégent" les unes les autres. Cette conformation est appelée obscurci.

Riz. 7.5.Blindé (un, b) et inhibé (dans, G) conformations d'éthane

Dans une autre conformation de l'éthane, qui survient lors de la rotation de l'un des groupes CH 3 à 60 ans ? (voir Fig. 7.5, c), les atomes d'hydrogène des deux groupes méthyle sont au maximum distants l'un de l'autre. Dans ce cas, la répulsion des électrons des liaisons C-H sera minimale et l'énergie d'une telle conformation sera également minimale. Cette conformation plus stable est appelée inhibé. La différence dans les énergies des deux conformations est faible et s'élève à ~ 12 kJ / mol; elle définit ce qu'on appelle barrière énergétique à la rotation.

Formules de projection de Newman. Ces formules (plus simplement - la projection de Newman) sont utilisées pour représenter des conformations sur un plan. Pour construire une projection, la molécule est vue du côté de l'un des atomes de carbone le long de sa liaison avec l'atome de carbone voisin, autour duquel se produit la rotation. Lors de la projection, trois liaisons de l'atome de carbone le plus proche de l'observateur aux atomes d'hydrogène (ou, dans le cas général, à d'autres substituants) sont disposées sous la forme d'une étoile à trois branches avec des angles de 120°. L'atome de carbone (invisible) éloigné de l'observateur est représenté par un cercle à partir duquel il fait également un angle de 120 ? trois connexions partent. Les projections de Newman donnent également une représentation visuelle des conformations éclipsée (voir Fig. 7.5, b) et inhibée (voir Fig. 7.5, d).

Dans des conditions normales, les conformations de l'éthane se transforment facilement les unes dans les autres, et on peut parler d'un ensemble statistique de conformations différentes, légèrement différentes en énergie. Il est impossible de distinguer individuellement une conformation encore plus stable.

Dans les molécules plus complexes, le remplacement des atomes d'hydrogène au niveau des atomes de carbone voisins par d'autres atomes ou groupes conduit à leur répulsion mutuelle, ce qui affecte une augmentation de l'énergie potentielle. Ainsi, dans la molécule de butane, la conformation éclipsée sera la moins avantageuse, et la conformation inhibée avec les groupements CH 3 les plus éloignés sera la plus avantageuse. La différence entre les énergies de ces conformations est de ~ 25 kJ/mol.

Au fur et à mesure que la chaîne carbonée des alcanes s'allonge, le nombre de conformations augmente rapidement en raison de l'expansion des possibilités de rotation autour de chaque liaison C - C ; par conséquent, les longues chaînes carbonées des alcanes peuvent prendre de nombreuses formes différentes, par exemple, en zigzag ( I), irrégulier (II) et chélate (III).

Une conformation en zigzag est préférable, dans laquelle toutes les liaisons C - C dans la projection de Newman forment un angle de 180 °, comme dans la conformation encombrée du butane. Par exemple, des fragments d'acides palmitique à longue chaîne C 15 H 31 COOH et stéarique C 17 H 35 COOH dans une conformation en zigzag (Fig. 7.6) font partie des lipides des membranes cellulaires.

Riz. 7.6.Formule schématique (a) et modèle moléculaire (b) de l'acide stéarique

Dans une conformation en forme de griffe (III), les atomes de carbone éloignés les uns des autres dans d'autres conformations convergent. Si des groupes fonctionnels, par exemple X et Y, capables de réagir entre eux, apparaissent à une distance suffisamment proche, alors à la suite d'une réaction intramoléculaire cela conduira à la formation d'un produit cyclique. De telles réactions sont assez répandues, ce qui est associé à l'avantage de la formation de cycles à cinq et six chaînons thermodynamiquement stables.

7.2.2. Conformations en anneau à six chaînons

La molécule de cyclohexane n'est pas un hexagone plat, car dans une structure plate, les angles de liaison entre les atomes de carbone seraient de 120 °, c'est-à-dire s'écarteraient considérablement de la valeur de l'angle de liaison normal de 109,5 °, et tous les atomes d'hydrogène étaient dans un position éclipsée. Cela conduirait à une instabilité du cycle. En fait, le cycle à six chaînons est le plus stable de tous les cycles.

Différentes conformations du cyclohexane résultent d'une rotation partielle autour des liaisons entre les atomes de carbone. De plusieurs conformations non planes, la conformation la plus énergétiquement favorable les fauteuils(Fig. 7.7), car tous les angles de liaison entre les liaisons C-C sont égaux à ~ 110 ° et les atomes d'hydrogène des atomes de carbone voisins ne s'éclipsent pas.

Dans une molécule non plane, on ne peut classiquement parler que de l'arrangement des atomes d'hydrogène « au-dessus et au-dessous du plan ». Au lieu de cela, d'autres termes sont utilisés : des liens dirigés le long de l'axe vertical de symétrie du cycle (dans la figure 7.7, une indiqués en couleur) sont appelés axial(a), et les connexions orientées à partir du cycle (comme si le long de l'équateur, par analogie avec le globe) sont appelées équatorial(e).

S'il y a un substituant dans le cycle, la conformation avec la position équatoriale du substituant est plus favorable, comme la conformation (I) du méthylcyclohexane (Fig. 7.8).

La raison de la plus faible stabilité de la conformation (II) avec la disposition axiale du groupe méthyle est répulsion 1,3-diaxiale Groupes CH 3 et des atomes H en positions 3 et 5. Dans ce

Riz. 7.7.Cyclohexane en conformation chaise :

une- formule squelettique; b- modèle boule et bâton

Riz. 7.8.Inversion de cycle de la molécule de méthylcyclohexane (tous les atomes d'hydrogène ne sont pas représentés)

cas, le cycle est soumis à ce qu'on appelle renversements, adopter une conformation plus stable. La répulsion est particulièrement importante dans les dérivés du cyclohexane ayant les positions 1 et 3 des groupes volumineux.

Dans la nature, il existe de nombreux dérivés de la série cyclohexane, parmi lesquels les alcools hexaatomiques jouent un rôle important - inositols. En raison de la présence de centres asymétriques dans leurs molécules, les inositols existent sous la forme de plusieurs stéréoisomères, dont les plus courants myoinosite. La molécule de myo-inositol a une conformation de chaise stable, dans laquelle cinq des six groupes OH sont en position équatoriale.

Le système de Fischer a permis à un moment donné de créer une systématique stéréochimique logique et cohérente d'un grand nombre de composés naturels provenant d'acides aminés et de sucres. La configuration relative des énantiomères dans ce système a été déterminée par corrélation chimique, c'est-à-dire en passant d'une molécule donnée à l'aldéhyde D- ou L-glycérique par une séquence de réactions chimiques qui n'affecte pas l'atome de carbone asymétrique (voir la section 8.5 pour plus de détails). En même temps, si la molécule dont il fallait établir la configuration dans sa structure était très différente du glycéraldéhyde, il serait très fastidieux de corréler sa configuration avec celle du glycéraldéhyde par des moyens chimiques. De plus, l'affectation de la configuration à la série D - ou L - n'était pas toujours sans ambiguïté. Par exemple, le D-glycéraldéhyde peut en principe être transformé en acide glycérique, puis par action du diazométhane en ester méthylique, puis par oxydation sélective de la fonction alcool primaire et estérification par le diazoéthane en ester méthyl éthylique de l'acide hydroxymalonique (XXV ). Toutes ces réactions n'affectent pas le centre chiral et on peut donc dire que le diester XXV appartient à la série D -.

Si la première estérification est réalisée avec du diazoéthane et la seconde avec du diazométhane, on obtiendra alors le diester XXVI, qui, pour la même raison, doit également être attribué à la série D. En effet, les composés XXV et XXVI sont des énantiomères ; celles. certains appartiennent à la série D et d'autres à la série L. Ainsi, l'attribution dépend du groupe ester, CO 2 Et ou CO 2 Me, qui est reconnu comme le "principal".

Les limites indiquées du système de Fisher, ainsi que le fait qu'en 1951 une méthode de diffraction des rayons X est apparue pour déterminer la véritable disposition des groupes autour d'un centre chiral, ont conduit à la création en 1966 d'un nouveau système plus rigoureux et cohérent. pour décrire les stéréoisomères, connus sous le nom de R, S-nomenclature Cahn-Ingold-Prelog (KIP) ou les règles de priorité séquentielle. Ce système a maintenant pratiquement remplacé le système D, L de Fischer (ce dernier, cependant, est toujours utilisé pour les glucides et les acides aminés). Dans le système d'instrumentation, des descripteurs spéciaux R- ou S- sont ajoutés au nom chimique habituel, déterminant de manière stricte et sans ambiguïté la configuration absolue.

Prenons un composé de type Xabcd contenant un centre asymétrique X. Pour établir sa configuration, quatre substituants au niveau de l'atome X doivent être numérotés et disposés en ligne par ordre décroissant de priorité (voir ci-dessous), c'est-à-dire 1> 2> 3> 4. Les députés sont considérés par l'observateur du côté le plus éloigné du député le plus subalterne (indiqué par le chiffre 4). Si, dans ce cas, le sens de priorité décroissante 1 2  3 coïncide avec le mouvement dans le sens des aiguilles d'une montre, alors la configuration de ce centre asymétrique est désignée par le symbole R (du latin rectus - à droite) et si dans le sens inverse des aiguilles d'une montre - par le symbole S (sinistre - gauche).

Voici quelques règles de priorité séquentielle qui sont suffisantes pour considérer l'écrasante majorité des composés chiraux.

1) La priorité est donnée aux atomes avec des numéros atomiques plus élevés. Si les nombres sont les mêmes (dans le cas des isotopes), alors l'atome avec la masse atomique la plus élevée est considéré comme le plus ancien. Le plus jeune « adjoint » est la seule paire d'électrons. Ainsi, l'ancienneté augmente dans le rang : paire seule< H < D < T < Li < B < C < N < O < F < Si < P

2) Si deux, trois ou les quatre atomes identiques sont directement connectés à un atome asymétrique, l'ordre est établi en fonction des atomes de la deuxième ceinture, qui ne sont plus connectés au centre chiral, mais à ces atomes qui avaient le même priorité. Par exemple, dans la molécule XXVII, la priorité ne peut être établie pour le premier atome des groupes CH 2 OH et (CH 3 ) 2 CH, mais CH 2 OH est préféré, car le numéro atomique de l'oxygène est supérieur à celui du carbone. Le groupe CH 2 OH est plus ancien, malgré le fait qu'il n'y a qu'un seul atome d'oxygène lié à l'atome de carbone, et dans le groupe CH (CH 3) 2 il y a deux atomes de carbone. Si les deuxièmes atomes du groupe sont les mêmes, l'ordre est déterminé par les atomes de la troisième ceinture, etc.

Si une telle procédure n'a pas conduit à la construction d'une hiérarchie univoque, elle se poursuit à des distances toujours croissantes de l'atome central, jusqu'à ce que, finalement, des différences soient rencontrées et que les quatre substituants reçoivent toujours leur ancienneté. Parallèlement, toute préférence acquise par l'un ou l'autre adjoint à l'une des étapes d'approbation de l'ancienneté est considérée comme définitive et ne peut être réévaluée aux étapes ultérieures. Si des points de ramification sont rencontrés dans une molécule, la procédure de priorité doit être poursuivie le long de la chaîne moléculaire la plus prioritaire. Lors de l'établissement de l'ancienneté de l'un ou l'autre atome central, le nombre d'autres atomes de la plus haute ancienneté qui lui sont associés est d'une importance décisive. Par exemple, CCl 3> CHCl 2> CH 2 Cl.

3) Formellement, on suppose que la valence de tous les atomes, à l'exception de l'hydrogène, est de 4. Si la vraie valence d'un atome est inférieure (par exemple, oxygène, azote, soufre), alors on considère que cet atome a 4- n (où n est la valence réelle) soi-disant substituts fantômes, qui reçoivent un numéro séquentiel zéro et se voient attribuer la dernière place dans la liste des remplaçants. En conséquence, les groupes avec des liaisons doubles et triples sont présentés comme s'ils étaient divisés en deux ou trois liaisons simples. Par exemple, lors de la représentation de la double liaison C = C, chaque atome est considéré comme étant lié à deux atomes de carbone, et le second de ces atomes de carbone est considéré comme ayant trois substituants fantômes. A titre d'exemple, considérons les représentations des groupes -CH = CH 2, -CHO, -COOH, -CCH et -C 6 H 5. Ces vues sont les suivantes.

Les premiers atomes de tous ces groupes sont associés à (H, C, C), (H, O, O), (O, O, O), (C, C, C) et (C, C, C), respectivement. Cette information suffit à mettre le groupe COOH à la première place (le plus ancien), le groupe CHO à la seconde, et le groupe -CH = CH 2 à la dernière (cinquième) place, puisque la présence d'au moins un atome d'oxygène est préférable à la présence même de trois atomes de carbone. Pour tirer une conclusion sur la priorité relative des groupes ССН et -С 6 5, vous devez aller plus loin dans la chaîne. Le groupe C 6 H 5 a deux atomes de carbone de type (C, C, C) liés à (C, C, H), et le troisième atome est de type (O, O, O). Le groupe ССН n'a qu'un seul groupement (C, C, H), mais deux groupements (O, O, O). Par conséquent, С 6 Н 5 est plus ancien que ССН, c'est-à-dire dans l'ordre d'ancienneté, les cinq groupes indiqués occuperont la rangée : COOH> CHO> C 6 H 5> CCH> CH = CH 2.

L'ancienneté des substituants les plus courants peut être déterminée à partir du tableau. 8-2, dans lequel le nombre conventionnel signifie une ancienneté plus élevée.

Tableau 8.2.

Ancienneté de certains groupes selon Kahn-Ingold-Prelog

Les règles de priorité séquentielle ont été délibérément conçues pour être aussi proches que possible de la taxonomie initiale de Fischer, car c'était une heureuse coïncidence que le D-glycéraldéhyde avait en fait la configuration qui lui avait été arbitrairement assignée au début. En conséquence, la plupart des centres D et, ce qui est très important, le glycéraldéhyde lui-même, ont la configuration (R) et les stéréoisomères L appartiennent généralement à la série (S).

L'une des exceptions est la L-cystéine, qui appartient à la série (R), car le soufre, selon les règles d'ancienneté, est préférable à l'oxygène. Dans le système KIP, la relation génétique entre les molécules n'est pas prise en compte. Ce système ne peut être appliqué qu'aux connexions dont la configuration absolue est connue. Si la configuration est inconnue, alors la connexion doit nécessairement être caractérisée par le signe de sa rotation.

Les règles de préséance séquentielle s'appliquent également à la description des isomères géométriques des composés insaturés. Les remplaçants à chaque extrémité d'un lien multiple doivent être considérés séparément lors de l'établissement de l'ancienneté. Si des substituants avec une priorité plus élevée sont situés du même côté de la double liaison, le composé se voit attribuer le préfixe Z - (de l'allemand zusammen - ensemble), et si sur les côtés opposés, le préfixe E (entgegen - opposé). (Z, E) - La nomenclature des alcènes a été examinée au chapitre 5. Vous trouverez ci-dessous des exemples d'attribution de structures à l'aide de (Z, E) - désignations.

Le dernier exemple montre que le lien avec la configuration Z - a le droit préférentiel d'être inclus dans la chaîne principale. (R, S) - La notation peut être utilisée pour les composés à chiralité axiale. Pour l'affectation de configuration, la projection de Newman sur un plan perpendiculaire à l'axe chiral est représentée, puis une règle supplémentaire est appliquée, selon laquelle les substituants à l'extrémité de l'axe le plus proche de l'observateur sont considérés comme ayant une priorité plus élevée que les substituants à la l'extrémité éloignée de l'axe. Ensuite, la configuration de la molécule est déterminée par le sens de contournement des substituants dans le sens horaire ou antihoraire dans l'ordre habituel d'ancienneté décroissante du premier au deuxième puis au troisième ligand. Ceci est illustré ci-dessous pour les acides 1,3-allendicarboxyliques et 2,2-iodure-diphényl-6,6-dicarboxyliques.

La règle de priorité séquentielle a également été développée pour les molécules planaires et hélicoïdales chirales.

En décrivant les connexions à l'aide de projections de Fisher, vous pouvez facilement déterminer la configuration sans créer de modèles spatiaux. La formule doit être écrite de manière à ce que l'adjoint subalterne soit en bas ; si, dans ce cas, les substituants restants sont disposés dans le sens des aiguilles d'une montre par ordre décroissant de préséance, le composé est référencé à la (R) - rangée, et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, alors à la (S) - rangée, par exemple :

Si le groupe mineur n'est pas en bas, alors il doit être échangé avec le groupe inférieur, mais il ne faut pas oublier que la configuration est inversée.