Načela R, S-nomenklature. Udžbenik organske kemije. džeparac

POGLAVLJE 7. STEREOKEMIJSKE OSNOVE STRUKTURE MOLEKULA ORGANSKIH SPOJEVA

Stereokemija (od grč. stereo uređaji- prostorna) je "kemija u tri dimenzije". Većina molekula je trodimenzionalna (trodimenzionalna, skraćeno 3D). Strukturne formule odražavaju dvodimenzionalnu (2D) strukturu molekule, uključujući broj, vrstu i slijed povezivanja atoma. Podsjetimo da se spojevi istog sastava, ali različite kemijske strukture nazivaju strukturni izomeri (vidi 1.1). Širi pojam strukture molekule (ponekad se slikovito naziva molekularna arhitektura), zajedno s pojmom kemijske strukture, uključuje stereokemijske komponente - konfiguraciju i konformaciju, koje odražavaju prostornu strukturu, tj. Trodimenzionalnost molekule. Molekule s istom kemijskom strukturom mogu se razlikovati u prostornoj strukturi, tj. Postojati u obliku prostornih izomera - stereoizomera.

Prostorna struktura molekula međusobni je raspored atoma i atomskih skupina u trodimenzionalnom prostoru.

Stereoizomeri su spojevi u čijim molekulama postoji isti slijed kemijskih veza atoma, ali različit raspored ovih atoma međusobno u svemiru.

Zauzvrat, stereoizomeri mogu biti konfiguracija i konformacijski izomeri, tj. shodno tome se razlikuju konfiguracija i konformacija.

7.1. Konfiguracija

Konfiguracija je redoslijed kojim su atomi raspoređeni u prostoru bez razmatranja razlika koje proizlaze iz rotacije oko jednostrukih veza.

Konfiguracijski izomeri mogu se transformirati jedan u drugi razbijanjem nekih i stvaranjem drugih kemijskih veza te mogu postojati zasebno u obliku pojedinačnih spojeva. Podijeljeni su u dvije glavne vrste - enantiomeri i dijastereomeri.

7.1.1. Enantiomerija

Enantiomeri su stereoizomeri koji su međusobno povezani poput objekta i nekompatibilne zrcalne slike.

Samo kiral molekula.

Kiralnost je svojstvo objekta da bude nekompatibilan sa zrcalnom slikom. Chiral (od grč. cheir- ruka), ili asimetrični, predmeti su lijeva i desna ruka, kao i rukavice, čizme itd. Ovi upareni objekti predstavljaju objekt i njegovu zrcalnu sliku (slika 7.1, a). Takve se stavke ne mogu međusobno potpuno kombinirati.

Istodobno, oko nas postoji mnogo objekata koji su kompatibilni s njihovom zrcalnom slikom, odnosno jesu ahiralni(simetrični), poput tanjura, žlica, čaša itd. Ahiralni predmeti imaju najmanje jedan ravnina simetrije, koji dijeli objekt na dva zrcalno identična dijela (vidi sliku 7.1, b).

Slični se odnosi primjećuju i u svijetu molekula, odnosno molekule se dijele na kiralne i ahiralne. Ahiralne molekule imaju ravnine simetrije, dok kiralne nemaju.

Kiralne molekule imaju jedan ili više kiralnih centara. U organskim spojevima središte kiralnosti je najčešće asimetrični atom ugljika.

Riža. 7.1.Refleksija u zrcalu kiralnog objekta (a) i ravnina simetrije koja siječe ahiralni objekt (b)

Asimetričan je ugljikov atom vezan na četiri različita atoma ili skupine.

Kada se prikazuje stereokemijska formula molekule, simbol "C" asimetričnog ugljikovog atoma obično se izostavlja.

Da bi se utvrdilo je li molekula kiralna ili ahiralna, nema potrebe predstavljati je stereokemijskom formulom; dovoljno je pažljivo razmotriti sve atome ugljika u njoj. Ako postoji barem jedan ugljikov atom s četiri različita supstituenta, tada je taj ugljikov atom asimetričan, a molekula je, uz rijetke iznimke (vidi 7.1.3), kiralna. Dakle, od dva alkohola, propanola-2 i butanola-2, prvi je akiralni (dvije CH3 skupine na atomu C-2), a drugi je kiralni, budući da u svojoj molekuli na atomu C-2 sva četiri supstituenti su različiti (H, OH, CH 3 i C 2 H 5). Asimetrični ugljikov atom ponekad je označen zvjezdicom (C *).

Slijedom toga, molekula butanol-2 može postojati kao par enantiomera koji se ne kombiniraju u prostoru (slika 7.2).

Riža. 7.2.Enantiomeri kiralnih molekula 2-butanola se ne podudaraju

Svojstva enantiomera. Enantiomeri imaju ista kemijska i fizikalna svojstva (talište i vrelište, gustoću, topljivost itd.), Ali pokazuju različita optička aktivnost, odnosno sposobnost skretanja ravnine polarizirane svjetlosti *.

Kad takva svjetlost prođe kroz otopinu jednog od enantiomera, polarizacijska ravnina odstupa ulijevo, a druga udesno za isti kut α. Vrijednost kuta α, svedena na standardne uvjete, konstanta je optički aktivne tvari i naziva se specifična rotacija[α]. Lijeva rotacija je označena znakom minus (-), desna rotacija je označena znakom plus (+), a enantiomeri se nazivaju lijevo i okretno.

Drugi nazivi enantiomera povezani su s očitovanjem optičke aktivnosti - optički izomeri ili optički antipodi.

Svaki kiralni spoj može imati i treći, optički neaktivan oblik - racemat. Za kristalne tvari to obično nije samo mehanička smjesa kristala dva enantiomera, već nova molekularna struktura koju tvore enantiomeri. Racemati su optički neaktivni, budući da se lijeva rotacija jednog enantiomera kompenzira desnom rotacijom jednake količine drugog. U ovom slučaju, znak plus-minus (?) Ponekad se stavlja ispred naziva spoja.

7.1.2. Relativna i apsolutna konfiguracija

Formule Fisherove projekcije. Stereokemijske formule mogu se koristiti za prikaz konfiguracijskih izomera na ravnini. Međutim, prikladnije je koristiti jednostavnije za pisanje Formule Fisherove projekcije(lakše - Fisherova projekcija). Razmotrimo njihovu konstrukciju na primjeru mliječne (2-hidroksipropanske kiseline).

Tetraedarski model jednog od enantiomera (slika 7.3) postavljen je u prostor tako da lanac ugljikovih atoma bude u okomitom položaju, a karboksilna skupina na vrhu. Veze s ne-ugljikovim supstituentima (H i OH) u kiralnom centru trebale bi

* Za više detalja pogledajte vodič Remizov A.N., Maksina A.G., Potapenko A.Ya. Medicinska i biološka fizika. 4. izd., Vlč. i dodati. - M.: Bustard, 2003.- S. 365-375.

Riža. 7.3.Konstrukcija Fisherove formule projekcije (+) - mliječna kiselina

biti usmjereni prema promatraču. Nakon toga se model projicira na ravninu. Istodobno, simbol asimetričnog atoma je izostavljen; shvaćen je kao točka presjeka okomitih i vodoravnih linija.

Prije projekcije, tetraedarski model kiralne molekule može se postaviti u svemir na različite načine, ne samo kako je prikazano na Sl. 7.3. Potrebno je samo da karike koje tvore vodoravnu liniju na projekciji budu usmjerene prema promatraču, a okomite poveznice izvan ravnine crteža.

Ovako dobivene projekcije mogu se, jednostavnim transformacijama, dovesti u standardni oblik, u kojem se ugljikov lanac nalazi okomito, a starija skupina (u mliječnoj kiselini to je COOH) je na vrhu. Transformacije dopuštaju dvije operacije:

U formuli za projekciju dopušteno je izmjenjivati ​​bilo koja dva supstituenta u istom kiralnom centru parni broj puta (dvije permutacije mogu biti dovoljne);

Dopušteno je rotirati formulu projekcije u ravnini crteža za 180? (što je ekvivalentno dvije permutacije), ali ne 90?.

D.L-Sustav označavanja konfiguracije. Početkom dvadesetog stoljeća. predložen je sustav klasifikacije enantiomera za relativno jednostavne (u smislu stereoizomerije) molekule poput α-aminokiselina, α-hidroksi kiselina i slično. Po standard konfiguracije usvojen je gliceraldehid. Njegov levorotirajući enantiomer bio je proizvoljno dodijeljena je formula (I). Ova konfiguracija atoma ugljika označena je slovom l (od lat. laevus- lijevo). Formula (II) je dodijeljena okretnom enantiomeru, a konfiguracija je označena slovom d (od lat. dexter- desno).

Imajte na umu da u standardnoj formuli projekcije l -glicerni aldehid, OH grupa je s lijeve strane, a na d -glicerni aldehid - s desne strane.

Dodjela d- ili l - brojni drugi strukturno povezani optički aktivni spojevi nastaju usporedbom konfiguracije njihovog asimetričnog atoma sa konfiguracijom d- ili l -glicerni aldehid. Na primjer, u jednom od enantiomera mliječne kiseline (I) u projekcijskoj formuli, OH skupina je s lijeve strane, kao u l -glicerni aldehid, stoga se naziva enantiomer (I) l -blizu. Iz istih se razloga naziva enantiomer (II) d -blizu. Tako se usporedbom Fischerovih projekcija može utvrditi rođak konfiguracija.

Valja napomenuti da l -glicerni aldehid ima lijevu rotaciju, i l -mliječna kiselina - desno (i to nije izoliran slučaj). Štoviše, jedna te ista tvar može biti zakretna ili okretna, ovisno o uvjetima određivanja (različita otapala, temperatura).

Znak rotacije ravnine polarizirane svjetlosti nije povezan s pripadanjem d- ili l -stereokemijske serije.

Praktično određivanje relativne konfiguracije optički aktivnih spojeva provodi se pomoću kemijskih reakcija: ili se ispitivana tvar pretvara u gliceraldehid (ili drugu tvar s poznatom relativnom konfiguracijom), ili, obrnuto, iz d- ili l β-gliceraldehid, dobiva se ispitivana tvar. Naravno, tijekom svih ovih reakcija konfiguracija asimetričnog atoma ugljika se ne bi trebala mijenjati.

Proizvoljno dodjeljivanje uvjetnih konfiguracija gliceraldehidu lijeve i desne ruke bio je prisilni korak. U to vrijeme apsolutna konfiguracija nije bila poznata ni za jedan kiralni spoj. Uspostavljanje apsolutne konfiguracije postalo je moguće tek zahvaljujući razvoju fizikalno -kemijskih metoda, osobito rendgenske difrakcijske analize, pomoću koje je apsolutna konfiguracija prvi put utvrđena 1951., kiralna molekula bila je sol (+) - vinske kiseline kiselina. Nakon toga je postalo jasno da je apsolutna konfiguracija d- i l-glicerolnih aldehida doista ista kao što im se izvorno pripisuje.

d, l-sustav se trenutno koristi za α-aminokiseline, hidroksi kiseline i (s nekim dodacima) za ugljikohidrate

(vidjeti 11.1.1).

R, S-sustav označavanja konfiguracije. d, L-sustav ima vrlo ograničenu primjenu, jer je često nemoguće dovesti u vezu konfiguraciju bilo kojeg spoja s gliceraldehidom. Univerzalni sustav označavanja za konfiguraciju kiralnih centara je R, S-sustav (od lat. rectus- ravno, zlokobno- lijevo). Temelji se na pravilo slijeda, na temelju staža zamjena povezanih s kiralnim centrom.

Starost supstituenata određena je atomskim brojem elementa izravno povezanog s kiralnim centrom - što je veći, to je supstituent stariji.

Dakle, OH skupina je starija od NH 2, koja je, pak, starija od bilo koje alkilne skupine, pa čak i COOH, budući da je u potonjem ugljikov atom vezan za asimetrično središte. Ako su atomski brojevi isti, najveća je skupina u kojoj atom pored ugljika ima veći redni broj, a ako je ovaj atom (obično kisik) dvostruko vezan, broji se dva puta. Kao rezultat toga, sljedeće su skupine raspoređene prema padajućem radnom stažu: -COOH> -CH = O> -CH2OH.

Kako bi se odredila konfiguracija, tetraedarski model spoja smješten je u prostor tako da je najniži supstituent (u većini slučajeva to je atom vodika) najdalje od promatrača. Ako se prednost ostala tri supstituenta smanji u smjeru kazaljke na satu, tada se R-konfiguracija pripisuje središtu kiralnosti (slika 7.4, a), ako je suprotna od kazaljke na satu - S.-konfiguracija (vidi sliku 7.4, b), koju vidi vozač za volanom (vidi sliku 7.4, v).

Riža. 7.4.Određivanje konfiguracije enantiomera mliječne kiseline pomoću R, S- sustav (objašnjenje u tekstu)

Fisherove projekcije mogu se koristiti za označavanje konfiguracije prema RS-sustavu. Da bi se to učinilo, projekcija se transformira tako da se mlađi zamjenik nalazi na jednoj od okomitih karika, što odgovara njegovu položaju iza ravnine crteža. Ako se nakon transformacije projekcije prednost preostala tri supstituenta smanji u smjeru kazaljke na satu, tada asimetrični atom ima R-konfiguraciju i obrnuto. Primjena ove metode prikazana je na primjeru l-mliječne kiseline (brojevi ukazuju na starešinu skupina).

Postoji lakši način za određivanje R- ili S-konfiguracije prema Fisherovoj projekciji, u kojoj se najniži supstituent (obično H atom) nalazi na jednoj od vodoravno veze. U ovom slučaju, gornje permutacije se ne provode, već se odmah određuje staž supstituenata. Međutim, budući da je atom H "na mjestu" (što je ekvivalent suprotnoj konfiguraciji), pad staža sada neće značiti R-, već S-konfiguraciju. Ova je metoda ilustrirana primjerom l-jabučne kiseline.

Ova je metoda osobito prikladna za molekule koje sadrže nekoliko kiralnih centara, kada bi bile potrebne permutacije za određivanje konfiguracije svakog od njih.

Ne postoji korelacija između d, l i RS sustava: to su dva različita pristupa označavanju konfiguracije kiralnih centara. Dok u d, L-sustavu spojevi sličnih konfiguracija tvore stereokemijske redove, u RS-sustavu kiralni centri u spojevima, na primjer, u l-redu, mogu imati i R- i S-konfiguraciju.

7.1.3. Diastereomerija

Diastereomeri su stereoizomeri koji nisu međusobno povezani, poput objekta i nekompatibilne zrcalne slike, odnosno nisu enantiomeri.

Najvažnije dijastereomerne skupine su σ-dijastereomeri i π-dijastereomeri.

σ -Dijastereomeri. Mnoge biološki važne tvari sadrže više od jednog kiralnog središta u molekuli. U tom se slučaju povećava broj izomera konfiguracije, što je definirano kao 2 n, gdje n je broj kiralnih centara. Na primjer, u prisutnosti dva asimetrična atoma, spoj može postojati u obliku četiri stereoizomera (2 2 = 4), čineći dva para enantiomera.

2-amino-3-hidroksibutanska kiselina ima dva kiralna centra (atomi C-2 i C-3) i stoga mora postojati u obliku četiri konfiguracijska izomera, od kojih je jedan prirodna aminokiselina.

Strukture (I) i (II), koje odgovaraju l- i d-treoninu, kao i (III) i (IV), koje odgovaraju l- i d-alotreoninu (iz grč. alios- drugo), međusobno se odnose kao objekt i nekompatibilna zrcalna slika, tj. Parovi su enantiomera. Uspoređujući strukture (I) i (III), (I) i (IV), (II) i (III), (II) i (IV), može se vidjeti da u tim parovima spojeva jedno asimetrično središte ima ista konfiguracija, a druga je suprotna. Takvi parovi stereoizomera su dijastereomeri. Takvi izomeri nazivaju se σ-dijastereomeri, budući da su supstituenti u njima povezani s kiralnim centrom pomoću σ-veza.

Aminokiseline i hidroksi kiseline s dva centra kiralnosti nazivaju se d- ili l -serije u konfiguraciji asimetričnog atoma s najmanjim brojem.

Diastereomeri se, za razliku od enantiomera, razlikuju po fizičkim i kemijskim svojstvima. Na primjer, l-treonin, koji je dio proteina, i l-alotreonin imaju različite specifične vrijednosti rotacije (kao što je prikazano gore).

Mezospojevi. Ponekad molekula sadrži dva ili više asimetričnih centara, ali molekula u cjelini ostaje simetrična. Primjer takvih spojeva je jedan od stereoizomera vinske (2,3-dihidroksibutandiojske) kiseline.

Teoretski, ova kiselina, koja ima dva centra kiralnosti, mogla bi postojati u obliku četiri stereoizomera (I) - (IV).

Strukture (I) i (II) odgovaraju enantiomerima d- i l-serije (dodjela se temelji na "gornjem" središtu kiralnosti). Čini se da strukture (III) i (IV) također odgovaraju paru enantiomera. Zapravo, to su formule istog spoja - optički neaktivan mezo vinska kiselina. Lako je provjeriti istovjetnost formula (III) i (IV) zakretanjem formule (IV) za 180 ° bez vađenja iz ravnine. Unatoč dvama centrima kiralnosti, molekula mezo-vinske kiseline u cjelini je ahiralna, budući da ima ravninu simetrije koja prolazi sredinom veze C-2-C-3. U odnosu na d- i l-vinsku kiselinu, mezo-vinska kiselina je dijastereomer.

Dakle, postoje tri (ne četiri) stereoizomera vinske kiseline, ne računajući racemski oblik.

Kada se koristi R, S-sustav, nema poteškoća u opisivanju stereokemije spojeva s nekoliko kiralnih centara. Da biste to učinili, odredite konfiguraciju svakog centra prema R, S-sustavu i označite je (u zagradama s odgovarajućim mjestima) prije punog imena. Tako će d-vinska kiselina dobiti sustavni naziv (2R, 3R) -2,3-dihidroksibutandioična kiselina, a mezo-vinska kiselina imat će stereokemijske simbole (2R, 3S)-.

Poput mezo vinske kiseline, postoji i mezo oblik aminokiseline cistin. U dva središta kiralnosti broj cistinskih stereoizomera jednak je tri zbog činjenice da je molekula iznutra simetrična.

π -Dijastereomeri. To uključuje konfiguracijske izomere koji sadrže π-vezu. Ova vrsta izomerije karakteristična je osobito za alkene. S obzirom na ravninu π-veze, isti supstituenti na dva atoma ugljika mogu se nalaziti jedan po jedan (cis) ili na različitim (trans) strane. U tom smislu postoje stereoizomeri poznati kao cis- i trans-izomere, kao što je prikazano na primjeru cis- i trans-butena (vidjeti 3.2.2). π -dijastereomeri su najjednostavnije nezasićene dikarboksilne kiseline - maleinska i fumarna.

Maleinska kiselina je termodinamički manje stabilna cis-izomer u odnosu na trans-izomer - fumarna kiselina. Pod utjecajem određenih tvari ili ultraljubičastih zraka uspostavlja se ravnoteža između dviju kiselina; pri zagrijavanju (~ 150 ° C) pomiče se prema stabilnijem trans-izomer.

7.2. Konformacije

Oko jednostavne C-C veze moguća je slobodna rotacija, zbog čega molekula može poprimiti različite oblike u svemiru. To se može vidjeti u stereokemijskim formulama etana (I) i (II), gdje obojene CH skupine 3 locirani različito u odnosu na drugu CH skupinu 3.

Rotirajte jednu CH grupu 3 u odnosu na drugi događa se bez narušavanja konfiguracije - mijenja se samo međusobni raspored atoma vodika u prostoru.

Geometrijski oblici molekule koji se pretvaraju jedan u drugi rotacijom oko σ-veza nazivaju se konformacije.

Prema tome konformacijski izomeri su stereoizomeri čija je razlika uzrokovana rotacijom pojedinih dijelova molekule oko σ-veza.

Konformacijski izomeri obično se ne mogu izolirati u pojedinačnom stanju. Prijelaz različitih konformacija molekule jedna u drugu događa se bez prekidanja veza.

7.2.1. Konformacije acikličkih spojeva

Najjednostavniji spoj s C-C vezom je etan; razmotrimo dvije njegove brojne konformacije. U jednoj od njih (slika 7.5, a) udaljenost između atoma vodika dviju CH skupina 3 stoga se odbijaju najmanje C-H veze koje se nalaze jedna nasuprot drugoj. To dovodi do povećanja energije molekule, a posljedično i do niže stabilnosti ove konformacije. Gledajući duž C-C veze, može se vidjeti da tri C-H veze svakog atoma ugljika u parovima "štite" jedna drugu. Ta se konformacija naziva zamagljen.

Riža. 7.5.Zaštićen (a, b) i inhibiran (u, G) etanske konformacije

U drugoj konformaciji etana, koja nastaje rotacijom jedne od CH skupina 3 u 60? (vidi sliku 7.5, c), atomi vodika dviju metilnih skupina međusobno su maksimalno udaljeni. U tom će slučaju odbijanje elektrona CH veza biti minimalno, a energija takve konformacije također će biti minimalna. Ova stabilnija konformacija naziva se inhibiran. Razlika u energijama obje konformacije je mala i iznosi ~ 12 kJ / mol; ona definira tzv energetska barijera za rotaciju.

Formule Newmanove projekcije. Ove formule (jednostavnije - Newmanova projekcija) koriste se za predstavljanje konformacija na ravnini. Za konstrukciju projekcije, molekula se gleda sa strane jednog od atoma ugljika duž njegove veze sa susjednim atomom ugljika, oko kojega dolazi do rotacije. Prilikom projiciranja, tri veze iz atoma ugljika najbliže promatraču za atome vodika (ili, općenito, za druge supstituente) raspoređene su u obliku trokrake zvijezde s kutovima od 120 °. (Nevidljivi) atom ugljika udaljen od promatrača prikazan je kao kružnica, iz koje je također pod kutom od 120? polaze tri veze. Newmanove projekcije također daju vizualni prikaz pomračenih (vidi sliku 7.5, b) i inhibiranih (vidi sliku 7.5, d) konformacija.

U normalnim uvjetima, konformacije etana lako se pretvaraju jedna u drugu, pa se može govoriti o statističkom skupu različitih konformacija, koje se malo razlikuju po energiji. Nemoguće je pojedinačno izdvojiti još stabilniju konformaciju.

U složenijim molekulama zamjena vodikovih atoma na susjednim atomima ugljika drugim atomima ili skupinama dovodi do njihovog međusobnog odbijanja, što utječe na povećanje potencijalne energije. Tako će u molekuli butana pomrčena konformacija biti najmanje povoljna, a inhibirana konformacija s najudaljenijim CH3 skupinama bit će najpovoljnija. Razlika između energija ovih konformacija je ~ 25 kJ / mol.

Kako se ugljikov lanac u alkanima produljuje, broj konformacija brzo raste kao rezultat proširenja mogućnosti rotacije oko svake veze C - C; stoga dugi ugljikovi lanci alkana mogu imati mnogo različitih oblika, na primjer, cik -cak ( I), nepravilan (II) i kelat (III).

Poželjna je cik -cak konformacija u kojoj sve veze C - C u Newmanovoj projekciji tvore kut od 180 °, kao u otežanoj konformaciji butana. Na primjer, fragmenti dugolančane palmitinske C 15 H 31 COOH i stearinske C 17 H 35 COOH kiseline u cik-cak konformaciji (slika 7.6) dio su lipida stanične membrane.

Riža. 7.6.Skeletna formula (a) i molekularni model (b) stearinske kiseline

U konformaciji nalik kandži (III), atomi ugljika koji su međusobno udaljeni u drugim konformacijama konvergiraju. Ako se funkcionalne skupine, na primjer X i Y, sposobne međusobno reagirati, pojave na dovoljno bliskoj udaljenosti, to će kao rezultat intramolekularne reakcije dovesti do stvaranja cikličkog produkta. Takve su reakcije prilično raširene, što je povezano s povoljnošću stvaranja termodinamički stabilnih peto- i šesteročlanih ciklusa.

7.2.2. Šesteročlane prstenaste konformacije

Molekula cikloheksana nije ravni šesterokut, jer bi u ravnoj strukturi kutovi veze između ugljikovih atoma bili 120 °, tj. Značajno bi odstupili od vrijednosti normalnog kuta veze od 109,5 °, a svi atomi vodika bili su u nepovoljnom pomrčinu položaj. To bi dovelo do nestabilnosti ciklusa. Zapravo, šestočlani ciklus je najstabilniji od svih ciklusa.

Različite konformacije cikloheksana nastaju kao rezultat djelomične rotacije oko σ-veza između atoma ugljika. Od nekoliko neplanarnih konformacija, energetski je najpovoljnija konformacija fotelje(Slika 7.7), budući da su u njemu svi kutovi veze između veza C-C ~ 110 °, a atomi vodika na susjednim atomima ugljika ne zasjenjuju se.

U neplanarnoj molekuli može se samo konvencionalno govoriti o rasporedu atoma vodika "iznad i ispod ravnine". Umjesto toga koriste se drugi izrazi: veze usmjerene duž okomite osi simetrije ciklusa (na slici 7.7, a prikazane u boji) nazivaju se aksijalni(a), a veze orijentirane iz ciklusa (kao da su uz ekvator, po analogiji sa globusom) nazivaju se ekvatorijalni(e).

U prisutnosti supstituenta u prstenu, konformacija s ekvatorijalnim položajem supstituenta je povoljnija, poput konformacije (I) metilcikloheksana (slika 7.8).

Razlog slabije stabilnosti konformacije (II) s aksijalnim rasporedom metilne skupine je 1,3-dijaksijalno odbijanje CH grupe 3 i atomi H na položajima 3 i 5. U ovom

Riža. 7.7.Cikloheksan u konformaciji stolice:

a- skeletna formula; b-model lopta i štap

Riža. 7.8.Inverzija ciklusa molekule metilcikloheksana (nisu prikazani svi atomi vodika)

slučaju, ciklus je podvrgnut tzv inverzije, usvajajući stabilniju konformaciju. Odbojnost je osobito velika u derivatima cikloheksana koji imaju položaje 1 i 3 glomaznih skupina.

U prirodi postoji mnogo derivata cikloheksanskog niza, među kojima važnu ulogu imaju heksatomski alkoholi - inozitoli. Zbog prisutnosti asimetričnih centara u njihovim molekulama, inozitoli postoje u obliku nekoliko stereoizomera, od kojih su najčešći mioinozitis. Molekula mio-inozitola ima stabilnu konformaciju stolice, u kojoj je pet od šest OH skupina u ekvatorijalnim položajima.

Fischerov sustav je u jednom trenutku omogućio stvaranje logične i dosljedne stereokemijske sustavnosti velikog broja prirodnih spojeva koji potječu od aminokiselina i šećera. Relativna konfiguracija enantiomera u ovom sustavu određena je kemijskom korelacijom, tj. prelaskom s date molekule na D- ili L-glikemijski aldehid kroz niz kemijskih reakcija koje ne utječu na asimetrični atom ugljika (za detalje vidjeti odjeljak 8.5). Istodobno, ako bi se molekula, čija se konfiguracija morala utvrditi, po svojoj strukturi jako razlikovala od gliceraldehida, bilo bi vrlo nezgodno povezati njezinu konfiguraciju s onom gliceraldehida kemijskim putem. Osim toga, dodjela konfiguracije seriji D - ili L - nije uvijek bila jednoznačna. Na primjer, D-gliceraldehid se u načelu može pretvoriti u glicerinsku kiselinu, zatim djelovanjem diazometana u metilni ester, a zatim selektivnom oksidacijom primarne funkcije alkohola i esterifikacijom s diazoetanom u metil etil ester hidroksimalonske kiseline (XXV ). Sve te reakcije ne utječu na kiralni centar pa se može reći da diester XXV pripada D - seriji.

Ako se prva esterifikacija provede s diazoetanom, a druga s diazometanom, tada će se dobiti diester XXVI, koji se, iz istog razloga, također treba pripisati D-seriji. Zapravo, spojevi XXV i XXVI su enantiomeri; oni. neki pripadaju D- a drugi L-seriji. Dakle, dodjela ovisi o tome koja je od esterskih skupina, CO 2 Et ili CO 2 Me, prepoznata kao "glavna".

Naznačena ograničenja Fischerova sustava, kao i činjenica da se 1951. godine pojavila metoda difrakcije X-zraka za određivanje pravog rasporeda skupina oko kiralnog centra, doveli su do stvaranja 1966. godine novog, rigoroznijeg i dosljednijeg sustava za opis stereoizomera, poznatih kao R, S-nomenklatura Cahn-Ingold-Prelog (KIP) ili pravila sekvencijalnog prvenstva. Taj je sustav sada praktično zamijenio Fischerov D, L-sustav (potonji se, međutim, još uvijek koristi za ugljikohidrate i aminokiseline). U instrumentacijskom sustavu uobičajenom kemijskom nazivu dodaju se posebni deskriptori R- ili S-, koji strogo i nedvosmisleno određuju apsolutnu konfiguraciju.

Uzmimo spoj tipa Xabcd koji sadrži jedno asimetrično središte X. Da bi se uspostavila njegova konfiguracija, četiri supstituenta na atomu X trebaju biti numerirana i poredana u niz u padajućem redoslijedu prvenstva (vidi dolje), tj. 1> 2> 3> 4. Poslanike promatrač promatra sa strane koja je najudaljenija od najmlađeg zamjenika (označena brojem 4). Ako se u ovom slučaju smjer smanjenja prioriteta 1  2  3 podudara s pomicanjem u smjeru kazaljke na satu, tada je konfiguracija ovog asimetričnog središta označena simbolom R (iz latinskog rectus - desno), a ako je suprotno od kazaljke na satu - simbolom S (zlokobno - lijevo).

Evo nekih pravila uzastopnog prvenstva koja su dovoljna da se uzme u obzir velika većina kiralnih spojeva.

1) Prednost imaju atomi s većim atomskim brojevima. Ako su brojevi isti (u slučaju izotopa), tada se atom s najvećom atomskom masom smatra starijim. Najmlađi "zamjenik" je par usamljenih elektrona. Dakle, staž se povećava u nizu: usamljeni par< H < D < T < Li < B < C < N < O < F < Si < P

2) Ako su dva, tri ili sva četiri identična atoma izravno povezana s asimetričnim atomom, redoslijed se uspostavlja prema atomima drugog pojasa, koji više nisu povezani s kiralnim centrom, već s onim atomima koji su imali isti prednost. Na primjer, u molekuli XXVII ne može se utvrditi prioritet za prvi atom CH2OH i (CH3) 2 CH skupina, ali je CH2OH poželjniji jer je atomski broj kisika veći od ugljikovog. CH 2 OH skupina je starija, unatoč činjenici da je u njoj samo jedan atom kisika vezan za atom ugljika, a u skupini CH (CH 3) 2 dva atoma ugljika. Ako su drugi atomi u skupini isti, redoslijed određuju atomi trećeg pojasa itd.

Ako takav postupak nije doveo do izgradnje nedvosmislene hijerarhije, nastavlja se na sve većim udaljenostima od središnjeg atoma, sve dok se napokon ne nađu razlike i sva četiri supstituenta i dalje dobiju svoj staž. Istodobno, svaka sklonost koju jedan ili drugi zamjenik stekne u jednoj od faza odobravanja staža smatra se konačnom i ne može se ponovno procjenjivati ​​u sljedećim fazama. Ako se u molekuli nađu točke grananja, postupak prioriteta treba nastaviti duž molekularnog lanca s najvišim prioritetom. Prilikom utvrđivanja prioriteta jednog ili drugog središnjeg atoma, broj drugih atoma najvišeg staža koji su s njim povezani od presudne je važnosti. Na primjer, CCl3> CHCl2> CH2Cl.

3) Formalno se pretpostavlja da je valencija svih atoma, osim vodika, 4. Ako je prava valencija atoma manja (na primjer, kisik, dušik, sumpor), tada se smatra da ovaj atom ima 4- n (gdje je n stvarna valencija) tzv fantomski surogati, kojima je dodijeljen nulti redni broj i dobivaju posljednje mjesto na popisu zamjena. U skladu s tim, skupine s dvostrukim i trostrukim vezama predstavljene su kao da su podijeljene u dvije ili tri jednostavne veze. Na primjer, kada predstavlja dvostruku vezu C = C, smatra se da je svaki atom vezan za dva atoma ugljika, a drugi od ovih atoma ugljika ima tri fantomska supstituenta. Kao primjer, razmotrimo predstavljanje skupina -CH = CH2, -CHO, -COOH, -CCH i -C6H5. Ti su stavovi sljedeći.

Prvi atomi u svim tim skupinama povezani su s (H, C, C), (H, O, O), (O, O, O), (C, C, C) i (C, C, C), odnosno. Ove su informacije dovoljne da se COOH skupina stavi na prvo mjesto (najstarije), CHO na drugo, a -CH = CH2 skupina na posljednje (peto) mjesto, budući da postoji najmanje jedan atom kisika je poželjniji od prisutnosti čak tri atoma ugljika. Da biste donijeli zaključak o relativnom prvenstvu grupa SSN i -S 6 N 5, morate ići dalje duž lanca. Skupina C6H5 ima dva ugljikova atoma tipa (C, C, C) vezana za (C, C, H), a treći je atom (O, O, O) tipa. Skupina SSN ima samo jedno grupiranje (C, C, H), ali dvije skupine (O, O, O). Stoga je S 6 N 5 stariji od SSN, tj. prema stažu, pet navedenih skupina će zauzeti red: COOH> CHO> C 6 H 5> CCH> CH = CH 2.

Starost najčešćih supstituenata može se odrediti iz tablice. 8-2, gdje konvencionalni broj znači veći radni staž.

Tablica 8.2.

Nadređenost nekih skupina prema Kahn-Ingold-Prelogu

Pravila uzastopnog prvenstva namjerno su zamišljena da budu što je moguće bliža Fischerovoj ranoj taksonomiji, budući da je bila sretna slučajnost da je D-gliceraldehid zapravo imao konfiguraciju koja mu je proizvoljno dodijeljena na početku. Kao rezultat toga, većina D -centara i, što je vrlo važno, sam gliceraldehid, ima (R) -konfiguraciju, a L -stereoizomeri obično pripadaju (S) -seriji.

Jedna od iznimki je L -cistein, koji pripada (R) -seriji, budući da je sumpor, prema pravilima staža, poželjniji od kisika. U KIP sustavu ne uzima se u obzir genetski odnos između molekula. Ovaj se sustav može primijeniti samo na veze s poznatom apsolutnom konfiguracijom. Ako je konfiguracija nepoznata, tada se veza mora nužno okarakterizirati znakom svoje rotacije.

Pravila uzastopnog prvenstva vrijede i za opis geometrijskih izomera nezasićenih spojeva. Zamjene na svakom kraju višestruke obveznice treba razmotriti zasebno pri utvrđivanju staža. Ako se supstituenti s većim predznakom nalaze na istoj strani dvostruke veze, spoju se dodjeljuje prefiks Z - (od njemačkog zusammen - zajedno), a ako je na suprotnim stranama, tada prefiks E (entgegen - nasuprot). (Z, E) - U 5. poglavlju razmatrana je nomenklatura alkena. Dolje su navedeni primjeri dodjeljivanja struktura pomoću (Z, E) - oznaka.

Posljednji primjer pokazuje da veza sa Z -konfiguracijom ima preferencijalno pravo biti uključena u glavni lanac. (R, S) - Oznaka se može koristiti za spojeve s aksijalnom kiralnošću. Za dodjelu konfiguracije prikazuje se Newmanova projekcija na ravninu okomitu na kiralnu os, a zatim se primjenjuje dodatno pravilo prema kojem se smatra da supstituenti na kraju osi najbliže promatraču imaju veći prioritet od supstituenata na daleki kraj osi. Tada se konfiguracija molekule određuje smjerom zaobilaženja supstituenata u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od smjera kazaljke na satu uobičajenim redoslijedom opadanja prednosti od prvog do drugog, a zatim trećeg liganda. Ovo je dolje ilustrirano za 1,3-alendikarboksilnu i 2,2-jodid-difenil-6,6-dikarboksilnu kiselinu.

Pravilo sekvencijalnog prvenstva također je razvijeno za ravninske i spiralno kiralne molekule.

Prikazujući veze pomoću Fisherovih projekcija, možete lako odrediti konfiguraciju bez izgradnje prostornih modela. Formula mora biti napisana tako da mlađi zamjenik bude na dnu; ako su u ovom slučaju preostali supstituenti raspoređeni u smjeru kazaljke na satu prema padajućem redoslijedu prvenstva, spoj se upućuje u red (R) -, a ako je u suprotnom smjeru, tada u (S) - red, na primjer:

Ako sporedna skupina nije na dnu, tada je treba zamijeniti s nižom skupinom, ali treba imati na umu da je konfiguracija obrnuta.