Принципи R, S-номенклатури. Органічна хімія навч. посібник

РОЗДІЛ 7. СТЕРЕОХІМІЧНІ ОСНОВИ БУДУВАННЯ МОЛЕКУЛ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

Стереохімія (від грец. stereos- Просторовий) - це «хімія в трьох вимірах». Більшість молекул тривимірні (тризахідні, скорочені 3D). Структурні формули відображають двовимірну (2D) будову молекули, що включає число, тип і послідовність зв'язування атомів. Нагадаємо, що сполуки, що мають однаковий склад, але різну хімічну будову, називають структурними ізомерами (див. 1.1). Більше широке поняття структури молекули (іноді образно званої молекулярної архітектурою) поруч із поняттям хімічної будови включає стереохімічні компоненти - конфігурацію і конформацію, відбивають просторове будова, т. е. тривимірність молекули. Молекули, що мають однакову хімічну будову, можуть відрізнятися просторовою будовою, тобто існувати у вигляді просторових ізомерів - стереоізомерів.

Просторова будова молекул - це взаємне розташування атомів та атомних груп у тривимірному просторі.

Стереоізомери - сполуки, в молекулах яких є однакова послідовність хімічних зв'язків атомів, але різне особисте розташування цих атомів відносно один одного в просторі.

У свою чергу стереоізомери можуть бути конфігураційнимиі конформаційними ізомерами,тобто відрізнятися відповідно конфігурацієюі конформацією.

7.1. Конфігурація

Конфігурація - це порядок розташування атомів у просторі без урахування відмінностей, що виникають унаслідок обертання навколо одинарних зв'язків.

Конфігураційні ізомери можуть переходити один в одного шляхом розриву одних та утворення інших хімічних зв'язків і можуть існувати окремо у вигляді індивідуальних сполук. Вони поділяються на два основні типи - енантіомериі діастереоміри.

7.1.1. Енантіомерія

Енантіомери - стереоізомери, що стосуються один одного, як предмет і несумісне з ним дзеркальне відображення.

У вигляді енантіомерів можуть існувати лише хіральнімолекули.

Хіральність - це властивість об'єкта бути несумісним зі своїм дзеркальним відображенням. Хіральними (від грец. cheir- Рука), або асиметричними, об'єктами є ліва і права рука, а також рукавички, черевики та ін. Ці парні предмети є об'єктом і його дзеркальним відображенням (рис. 7.1, а). Такі предмети неможливо знайти повністю поєднані друг з одним.

У той же час існує безліч навколишніх предметів, які сумісні зі своїм дзеркальним відображенням, тобто вони є ахіральними(симетричними), наприклад тарілки, ложки, склянки і т. д. Ахіральні предмети мають принаймні одну площиною симетрії,яка ділить об'єкт на дві дзеркально-ідентичні частини (див. рис. 7.1, б).

Подібні взаємини спостерігаються також у світі молекул, тобто молекули поділяються на хіральні та ахіральні. У ахіральних молекул є площини симетрії, у хіральних їх немає.

У хіральних молекулах є один або кілька центрів хіральності. В органічних сполуках як центр хіральності найчастіше виступає асиметричний атом вуглецю

Мал. 7.1.Відображення у дзеркалі хірального об'єкта (а) та площину симетрії, що розрізає ахіральний об'єкт (б)

Асиметричним є атом вуглецю, пов'язаний із чотирма різними атомами чи групами.

При зображенні стереохімічної формули молекули символ С асиметричного атома вуглецю зазвичай опускається.

Щоб визначити, чи є молекула хіральною або ахіральною, немає необхідності зображати її стереохімічною формулою, достатньо уважно розглянути всі атоми вуглецю в ній. Якщо є хоча б один атом вуглецю з чотирма різними заступниками, цей атом вуглецю асиметричний і молекула за рідкісними винятками (див. 7.1.3) хиральна. Так, з двох спиртів - пропанолу-2 і бутанолу-2 - перший ахірален (дві групи СН 3 у атома С-2), а другий - хірален, так як в його молекулі у атома С-2 всі чотири заступники різні ( Н, ВІН, СН 3 та С 2 Н 5). Асиметричний атом вуглецю іноді позначають зірочкою (С*).

Отже, молекула бутанолу-2 здатна існувати як пари енантіомерів, які поєднуються у просторі (рис. 7.2).

Мал. 7.2.Енантіомери хіральних молекул бутанолу-2 не поєднуються.

Властивості енантіомерів. Енантіомери мають однакові хімічні та фізичні властивості (температури плавлення і кипіння, щільність, розчинність і т. д.), але виявляють різну оптичну активність,тобто здатність відхиляти площину поляризованого світла *.

При проходженні такого світла через розчин одного з енантіомерів відбувається відхилення площини поляризації вліво, іншого - вправо на той самий за величиною кут α. Значення кута α, наведене до стандартних умов, є константою оптично активної речовини і називається питомим обертанням[?]. Ліве обертання позначається знаком «мінус» (-), праве – знаком «плюс» (+), а енантіомери називають відповідно ліво- та правообертальними.

З проявом оптичної активності пов'язані інші назви енантіомерів – оптичні ізомери чи оптичні антиподи.

Кожна хіральна сполука може мати і третю, оптично неактивну форму - рацемат.Для кристалічних речовин зазвичай це не просто механічна суміш кристалів двох енантіомерів, а нова молекулярна структура, утворена енантіомерами. Рацемати оптично неактивні, оскільки ліве обертання одного енантіомер компенсується правим обертанням рівної кількості іншого. У цьому випадку перед назвою з'єднання іноді ставлять знак плюс-мінус (?).

7.1.2. Відносна та абсолютна конфігурації

Проекційні формули Фішера. Для зображення конфігураційних ізомерів на площині можна використовувати стереохімічні формули. Однак зручніше застосовувати простіші в написанні проекційні формули Фішера(Простіше - проекції Фішера). Розглянемо їх побудову на прикладі молочної (2-гідроксипропанової) кислоти.

Тетраедричну модель одного з енантіомерів (рис. 7.3) розташовують у просторі так, щоб ланцюг атомів вуглецю виявився у вертикальному положенні, а карбоксильна група - зверху. Зв'язки з невуглецевими заступниками (Н і ВІН) у хірального центру повинні

* Детальніше див. Ремізов О.М., Максіна О.Г., Потапенко О.Я.Медична та біологічна фізика. 4-те вид., перероб. та доповн. - М: Дрофа, 2003. - С. 365-375.

Мал. 7.3.Побудова проекційної формули Фішера (+)-молочної кислоти

ні бути спрямовані до спостерігача. Після цього модель проектують на площину. Символ асиметричного атома при цьому опускається, під ним розуміють точку перетину вертикальної та горизонтальної ліній.

Тетраедрическую модель хіральної молекули перед проектуванням можна розташовувати у просторі по-різному, як так, як показано на рис. 7.3. Необхідно лише, щоб зв'язки, що утворюють на проекції горизонтальну лінію, були спрямовані до спостерігача, а вертикальні зв'язки – за площину малюнка.

Отримані таким чином проекції можна за допомогою нескладних перетворень привести до стандартного виду, в якому вуглецевий ланцюг розташований вертикально, а старша група (у молочній кислоті СООН) - зверху. Перетворення дозволяють дві операції:

У проекційній формулі дозволяється міняти місцями два будь-які заступники в одного і того ж хірального центру парне число разів (двох перестановок буває достатньо);

Проекційну формулу дозволяється повертати у площині малюнка на 180? (що еквівалентно двом перестановок), але не 90?.

D.L-Система позначення конфігурації. На початку ХХ ст. була запропонована система класифікації енантіомерів для відносно простих (з позицій стереоізомерії) молекул, таких як α-амінокислоти, α-гідроксикислоти та подібні до них. За конфігураційний стандартбув прийнятий гліцериновий альдегід. Його лівообертаючому енантіомеру була довільноприписано формулу (I). Така конфігурація атома вуглецю була позначена літерою l (від лат. laevus– лівий). Правообертальний енантіомер відповідно була приписана формула (II), а конфігурація позначена буквою d (від лат. dexter- Права).

Зауважимо, що у стандартній проекційній формулі l -гліцеринового альдегіду група ВІН знаходиться зліва, а у d -гліцеринового альдегіду – праворуч.

Віднесення до d- або l -Ряд інших споріднених за структурою оптично активних сполук проводиться шляхом порівняння конфігурації їх асиметричного атома з конфігурацією d- або l -гліцеринового альдегіду. Наприклад, в одного з енантіомерів молочної кислоти (I) у проекційній формулі група ВІН знаходиться зліва, як у l -гліцеринового альдегіду, тому енантіомер (I) відносять до l -Ряд. З тих же міркувань енантіомер (II) відносять до d -Ряд. Так із порівняння проекцій Фішера визначають відноснуконфігурацію.

Варто зазначити, що l -гліцериновий альдегід має ліве обертання, а l -Молочна кислота - праве (і це не одиничний випадок). Більше того, одна і та ж речовина може бути як ліво-, так і правообертальної залежно від умов визначення (різні розчинники, температура).

Знак обертання площини поляризованого світла не пов'язаний із приналежністю до d- або l -стереохімічному ряду

Практичне визначення відносної конфігурації оптично активних сполук проводять за допомогою хімічних реакцій: або досліджувану речовину перетворюють на гліцериновий альдегід (або іншу речовину з відомою відносною конфігурацією), або, навпаки, d- або l -гліцеринового альдегіду отримують досліджувану речовину Вочевидь, що у всіх цих реакцій має змінюватися зміна асиметричного атома вуглецю.

Довільне приписання ліво- і правообертального гліцеринового альдегіду умовних змін було вимушеним кроком. Тоді абсолютна конфігурація була відома жодного хирального сполуки. Встановлення абсолютної конфігурації стало можливим тільки завдяки розвитку фізико-хімічних методів, особливо рентгеноструктурного аналізу, за допомогою якого в 1951 р. вперше була визначена абсолютна конфігурація хіральної молекули - це була сіль (+)-винної кислоти. Після цього стало зрозуміло, що абсолютна конфігурація d-і l-гліцеринових альдегідів дійсно така, якою була спочатку приписана.

d,l-Система в даний час застосовується для α-амінокислот, гідроксикислот та (з деякими доповненнями) для вуглеводів

(Див. 11.1.1).

R,S-Система позначення конфігурації. d,L-Система має дуже обмежене застосування, оскільки часто неможливо співвіднести конфігурацію будь-якого з'єднання з гліцериновим альдегідом. Універсальною системою позначення конфігурації центрів хіральності є R, S-система (від лат. rectus- Прямий, sinister– лівий). В її основі лежить правило послідовності,засноване на старшинстві заступників, пов'язаних із центром хіральності.

Старшинство заступників визначається атомним номером елемента, безпосередньо пов'язаного з центром хіральності - чим він більший, тим старший заступник.

Так, група ВІН старша за NH 2 , яка, у свою чергу, старша від будь-якої алкільної групи і навіть СООН, оскільки в останній з асиметричним центром пов'язаний атом вуглецю. Якщо атомні номери виявляються однаковими, старшою вважається група, у якої атом, що наступає за вуглецем, має більший порядковий номер, причому, якщо цей атом (зазвичай кисень) пов'язаний подвійним зв'язком, він враховується двічі. Через війну такі групи розташовуються у порядку падіння старшинства: -СООН > -СН=О > -СН 2 ОН.

Для визначення конфігурації тетраедричну модель з'єднання розташовують у просторі так, щоб наймолодший замісник (у більшості випадків це атом водню) був найбільш віддалений від спостерігача. Якщо старшин трьох інших заступників убуває за годинниковою стрілкою, то центру хіральності приписують R-конфігурацію (рис. 7.4, а), якщо проти годинникової стрілки - S-Конфігурацію (див. рис. 7.4, б), як це видно водієві, що знаходиться за кермом (див. рис. 7.4, в).

Мал. 7.4.Визначення конфігурації енантіомерів молочної кислоти R,S-системі (пояснення у тексті)

Для позначення конфігурації RS-системою можна застосувати проекції Фішера. Для цього проекцію перетворять так, щоб молодший заступник розмістився на одному з вертикальних зв'язків, що відповідає його положенню за площиною креслення. Якщо після перетворення проекції старшинство інших трьох заступників зменшується за годинниковою стрілкою, то асиметричний атом має R-конфігурацію, і навпаки. Застосування такого способу показано на прикладі l-молочної кислоти (цифрами є старшинство груп).

Існує більш простий спосіб визначення R- або S-конфігурації проекції Фішера, в якій молодший заступник (зазвичай атом Н) розташований на одній з горизонтальнихзв'язків. У цьому випадку не проводять зазначених вище перестановок, а одразу визначають старшість заступників. Однак, оскільки атом Н знаходиться «не на місці» (що рівносильно протилежної конфігурації), падіння старшинства означатиме тепер не R-, а S-конфігурацію. Цей спосіб показаний на прикладі l-яблучної кислоти.

Зазначений спосіб особливо зручний для молекул, що містять кілька хіральних центрів, коли для визначення конфігурації кожного з них знадобилися перестановки.

Між d,l- та RS-системами відсутня кореляція: це два різні підходи до позначення конфігурації хіральних центрів. Якщо в d,L-системі подібні конфігурації сполуки утворюють стерео-хімічні ряди, то в RS-системі хіральні центри в сполуках, наприклад, l-ряду, можуть мати як R-, так і S-конфігурацію.

7.1.3. Діастереомерія

Діастереомерами називають стереоізомери, які не належать один до одного, як предмет і несумісне з ним дзеркальне відображення, тобто не є енантіомерами.

Найбільш важливими групами діастереомерів є σ-діастереомери та π-діастереомери.

σ -Діастереомери.Багато біологічно важливих речовин містять у молекулі більше центру хиральности. При цьому зростає число конфігураційних ізомерів, яке визначається як 2 n де n- Число центрів хіральності. Наприклад, за наявності двох асиметричних атомів з'єднання може існувати у вигляді чотирьох стереоізомерів (2 2 = 4), що становлять дві пари енантіомерів.

2-аміно-3-гідроксибутанова кислота має два центри хіральності (атоми С-2 і С-3) і, отже, повинна існувати у вигляді чотирьох конфігураційних ізомерів, один з яких є природною амінокислотою.

Структури (I) та (II), що відповідають l- та d-треоніну, а також (III) та (IV), відповідні l- та d-алотреоніну (від грец. alios- інший), відносяться один до одного, як предмет і несумісне з ним дзеркальне відображення, тобто вони є парою енантіомерів. При зіставленні структур (I) і (III), (I) і (IV), (II) і (III), (II) і (IV) видно, що в цих парах сполук один асиметричний центр конфігурація однакова, а у іншого – протилежна. Такі пари стереоізомерів є діастереоміри.Подібні ізомери називають σ-діастереомерами, оскільки заступники в них пов'язані з центром хіральності σ-зв'язками.

Амінокислоти та гідроксикислоти з двома центрами хіральності відносять до d- або l -Ряд конфігурації асиметричного атома з найменшим номером.

Діастереомери, на відміну енантіомерів, відрізняються фізичними і хімічними властивостями. Наприклад, l-треонін, що входить до складу білків, і l-аллотреонін мають різні значення питомого обертання (як показано вище).

Мезосполуки. Іноді в молекулі містяться два асиметричні центри і більше, але молекула залишається симетричною. Прикладом таких сполук може бути один із стереоізомерів винної (2,3-дигідроксибутандіової) кислоти.

Теоретично ця кислота, в якій є два центри хіральності, могла б існувати у вигляді чотирьох стереоізомерів (I)-(IV).

Структури (I) і (II) відповідають енантіомерам d-і l-ряду (віднесення проведено «верхнім» центром хіральності). Може здатися, що структури (III) та (IV) також відповідають парі енантіомерів. Насправді це формули однієї і тієї ж сполуки - оптично неактивної мезовинної кислоти.В ідентичності формул (III) та (IV) легко переконатися, повернувши формулу (IV) на 180?, не виводячи її із площини. Незважаючи на два центри хіральності, молекула мезовинної кислоти в цілому є ахіральною, оскільки має площину симетрії, що проходить по середині зв'язку С-2-С-3. По відношенню до d-і l-винних кислот мезовинна кислота є діастереомером.

Таким чином, існує три (а не чотири) стереоізомери винних кислот, крім рацемічної форми.

При використанні R,S-системи немає труднощів з описом стереохімії сполук з кількома хиральными центрами. Для цього визначають конфігурацію кожного центру R,S-системі і вказують її (у дужках з відповідними локантами) перед повною назвою. Так, d-винна кислота отримає систематичну назву (2R,3R)-2,3-дигидроксибутандіова кислота, а мезовинна кислота матиме стереохімічні символи (2R,3S)-.

Подібно до мезовинної кислоти існує мезоформа α-амінокислоти цистин. При двох центрах хіральності число стереоізомерів цистину дорівнює трьом унаслідок того, що молекула є внутрішньо симетричною.

π -Діастереомери.До них відносяться конфігураційні ізомери, що містять π-зв'язок. Цей вид ізомерії характерний, зокрема, для алкенів. Щодо площини π-зв'язку однакові замісники у двох атомів вуглецю можуть розташовуватися по одну (цис) або по різні (Транс)сторони. У зв'язку з цим існують стереоізомери, відомі під назвою цис-і транс-ізомерів, як показано на прикладі цис-і транс-бутенів (див. 3.2.2). π-Діастереомерами є найпростіші ненасичені дикарбонові кислоти – малеїнова та фумарова.

Малеїнова кислота є термодинамічно менш стабільною. цис-ізомером у порівнянні з транс-ізомером – фумаровою кислотою. Під дією деяких речовин або ультрафіолетових променів між обома кислотами встановлюється рівновага; при нагріванні (~150 ?C) воно зміщене у бік більш стабільного транс-ізомеру.

7.2. Конформації

Навколо простого зв'язку С-С можливе вільне обертання, в результаті якого молекула може набувати різних форм у просторі. Це видно на стереохімічних формулах етану (I) та (II), де відзначені кольором групи СН 3 розташовані по-різному щодо іншої групи СН 3.

Поворот однієї групи СН 3 щодо іншої відбувається без порушення конфігурації - змінюється лише взаємне розташування просторі атомів водню.

Геометричні форми молекули, що переходять одна в одну шляхом обертання навколо зв'язків σ, називають конформаціями.

Відповідно з цим конформаційнимиізомерами є стереоізомери, різницю між якими викликано поворотом окремих ділянок молекули навколо σ-зв'язків.

Конформаційні ізомери зазвичай не можна виділити в індивідуальному стані. Перехід різних конформацій молекули одна одну відбувається без розриву зв'язків.

7.2.1. Конформації ациклічних сполук

Найпростішим з'єднанням із зв'язком С-С є етан; розглянемо дві з багатьох його конформацій. В одній з них (рис. 7.5 а) відстань між атомами водню двох груп СН 3 найменше, тому зв'язку С-Н, що знаходяться один проти одного, відштовхуються. Це призводить до збільшення енергії молекули, отже, до меншої стійкості цієї конформації. При погляді вздовж зв'язку С-С видно, що три зв'язку С-Н кожного атома вуглецю попарно «затуляють» один одного. Таку конформацію називають заслоненою.

Мал. 7.5.Затулена (а, б)і загальмована (у, г)конформації етану

В іншій конформації етану, що виникає при повороті однієї з груп СН 3 на 60? (Див. рис. 7.5, в), атоми водню двох мітильних груп максимально віддалені один від одного. При цьому відштовхування електронів зв'язків СН буде мінімальним, енергія такої конформації також буде мінімальною. Цю більш стійку конформацію називають загальмованою.Різниця в енергії обох конформацій невелика і становить ~12 кДж/моль; вона визначає так званий енергетичний бар'єр обертання.

Проекційні формули Ньюмена. Ці формули (простіше - проекції Ньюмена) використовують із зображення конформацій на площині. Для побудови проекції молекулу розглядають із боку одного з атомів вуглецю вздовж зв'язку з сусіднім атомом вуглецю, навколо якої відбувається обертання. При проектуванні три зв'язки від ближнього до спостерігача атома вуглецю до атомів водню (або в загальному випадку - до інших заступників) розташовують у вигляді трипроменевої зірки з кутами 120?. Віддалений від спостерігача (невидимий) атом вуглецю зображують у вигляді кола, від якого також під кутом 120? відходять три зв'язки. Проекції Ньюмена також дають наочне уявлення про заслонені (див. рис. 7.5, б) і загальмовані (див. рис. 7.5, г) конформації.

За звичайних умов конформації етану легко переходять один в одного, і можна говорити про статистичний набір різних конформацій, які трохи відрізняються за енергією. Виділити в індивідуальному вигляді навіть більш стійку конформацію неможливо.

У більш складних молекулах заміна атомів водню при сусідніх атомах вуглецю на інші атоми або групи призводить до взаємного відштовхування, що позначається на збільшенні потенційної енергії. Так, у молекулі бутану найменш вигідною буде заслонена конформація, а найвигіднішою – загальмована конформація з максимально віддаленими групами СН 3 . Різниця між енергіями цих конформацій становить ~25 кДж/моль.

У міру подовження вуглецевого ланцюга в алканах швидко зростає кількість конформацій в результаті розширення можливостей обертання навколо кожного зв'язку С-С, тому довгі вуглецеві ланцюги алканів можуть набувати безліч різноманітних форм, наприклад зигзагоподібну (I), нерегулярну (II) та клешнеподібну (III ).

Переважна зигзагоподібна конформація, в якій усі зв'язки С-С у проекції Ньюмена утворюють кут 180°, як у загальмованій конформації бутану. Наприклад, фрагменти довголанцюгових пальмітинової C 15 H 31 COOH та стеаринової C 17 H 35 COOH кислот у зигзагоподібній конформації (рис. 7.6) входять до складу ліпідів клітинних мембран.

Мал. 7.6.Скелетна формула (а) та молекулярна модель (б) стеаринової кислоти

У клешневидной конформації (III) зближуються атоми вуглецю, віддалені друг від друга інших конформаціях. Якщо досить близької відстані виявляються функціональні групи, наприклад Х і Y, здатні реагувати друг з одним, то результаті внутримолекулярной реакції це призведе до утворення циклічного продукту. Такі реакції поширені досить широко, що пов'язано із вигідністю утворення термодинамічно стійких п'яти- та шестичленних циклів.

7.2.2. Конформації шестичленних циклів

Молекула циклогексану не є плоским шестикутником, так як при плоскій будові валентні кути між атомами вуглецю становили б 120?, тобто істотно відхилялися від величини нормального валентного кута 109,5? Це призвело до нестійкості циклу. Насправді шестичленний цикл найбільш стійкий із усіх циклів.

Різні конформації циклогексану виникають в результаті часткового обертання навколо зв'язків σ між атомами вуглецю. З кількох непоганих конформацій найбільш енергетично вигідна конформація крісла(рис. 7.7), оскільки в ній усі валентні кути між зв'язками С-С дорівнюють ~110?, а атоми водню при сусідніх атомах вуглецю не заступають один одного.

У неполоскій молекулі можна лише умовно говорити про розташування атомів водню «над і під площиною». Натомість використовують інші терміни: зв'язки, спрямовані вздовж вертикальної осі симетрії циклу (на рис. 7.7, апоказані кольором), називають аксіальними(а), а зв'язки, орієнтовані від циклу (як би за екватором, за аналогією із земною кулею), називають екваторіальними(е).

За наявності в кільці заступника вигідніша конформація з екваторіальним положенням заступника, як, наприклад, конформація (I) метилциклогексану (рис. 7.8).

Причина меншої стійкості конформації (II) з аксіальним розташуванням метильної групи полягає в 1,3-діаксіальному відштовхуваннігрупи СН 3 та атомів Н у положеннях 3 та 5. У такому

Мал. 7.7.Циклогексан у конформації крісла:

а- скелетна формула; б- куля стрижнева модель

Мал. 7.8.Інверсія циклу молекули метилциклогексану (показані не всі атоми водню)

у разі цикл піддається так званій інверсії,приймаючи стійкішу конформацію. Особливо велике відштовхування у похідних циклогексану, що мають положення 1 і 3 об'ємні групи.

У природі зустрічається безліч похідних циклогексанового ряду, серед яких важливу роль відіграють шестиатомні спирти. інозити.У зв'язку з наявністю в їх молекулах асиметричних центрів інозити існують у вигляді кількох стереоізомерів, з яких найпоширеніший міоінозит.Молекула міоїнозіту має стабільну конформацію крісла, в якій п'ять із шести груп ВІН знаходяться в екваторіальних положеннях.

Система Фішера свого часу дозволила створити логічну та несуперечливу стереохімічну систематику великої кількості природних сполук, які ведуть своє походження від амінокислот та цукрів. Відносна конфігурація енантіомерів у системі визначалася шляхом хімічної кореляції, тобто. шляхом переходу від даної молекули до D- або L-гліцеринового альдегіду через послідовність хімічних реакцій, що не зачіпають асиметричний атом вуглецю (див. розділ 8.5). Разом з тим, якщо молекула, конфігурацію якої потрібно встановити, за своєю структурою дуже сильно відрізнялася від гліцеринового альдегіду, скорелювати її конфігурацію з конфігурацією гліцеринового альдегіду хімічним шляхом було б дуже обтяжливо. Крім того, віднесення конфігурації до D- або L-ряду не завжди було однозначно. Наприклад, D-гліцериновий альдегід, в принципі, можна перетворити на гліцеринову кислоту, потім дією діазометану - на метиловий ефір, і далі селективним окисленням первинної спиртової функції та етерифікацією діазоетаном на метиловоетиловий ефір гідроксималонової кислоти (XXV). Всі ці реакції не торкаються хірального центру і тому можна сказати, що діефір XXV відноситься до D - ряду.

Якщо ж першу етерифікацію проводити діазоетаном, а другу діазометаном, то вийде діефір XXVI, який з тієї ж причини слід віднести до D-ряду. Насправді сполуки XXV і XXVI являють собою енантіомери; тобто. одні відносяться до D-а інші до L-ряду. Таким чином, віднесення залежить від того, яку зі складноефірних груп, CO 2 Et або CO 2 Me, визнати "головною".

Зазначені обмеження фішерівської системи, а також той факт, що в 1951 р. з'явився рентгеноструктурний метод визначення істинного розташування груп навколо хірального центру, призвели до поєднання в 1966 нової, більш суворої і несуперечливої ​​системи опису стереоізомерів, відомої під назвою R, S- Кана-Інгольда-Прелога (КІП) або правил послідовного старшинства. Ця система в даний час фактично витіснила D,L-систему Фішера (остання, проте, все ще використовується для вуглеводів та амінокислот). У системі КВП до звичайної хімічної назви додаються спеціальні дескриптори R- або S-, які суворо і однозначно визначають абсолютну конфігурацію.

Візьмемо з'єднання типу Xabcd, що містить один асиметричний центр Х. Щоб встановити його конфігурацію, чотири замісники у атома Х слід пронумерувати і розташувати в ряд у порядку зменшення старшинства (див. нижче), тобто. 1>2>3>4. Заступники розглядаються спостерігачем з боку найвіддаленішої від наймолодшого заступника (позначеного номером 4). Якщо при цьому напрям спадання старшинства 1  2  3 збігається з рухом за годинниковою стрілкою, то конфігурацію даного асиметричного центру позначають символом R (від латинського rectus – правий), а якщо проти годинникової стрілки – символом S (sinister – лівий).

Наведемо кілька правил послідовного старшинства, достатніх до розгляду переважної більшості хіральних сполук.

1) Перевага за старшинством надається атомам із вищими атомними номерами. Якщо номери однакові (у разі ізотопів), то старшим вважається атом із найбільшою атомною масою. Наймолодший "заступник" - неподілена електронна пара. Таким чином, старшинство зростає в ряду: неподілена пара< H < D < T < Li < B < C < N < O < F < Si < P

2) Якщо з асиметричним атомом безпосередньо пов'язані два, три чи всі чотири однакових атома, порядок встановлюється по атомам другого пояса, пов'язані не з хиральным центром, і з тими атомами, які мали однакове старшинство. Наприклад, у молекулі XXVII по першому атому груп СН 2 ОН і (СН 3) 2 СН встановити старшинство не вдається, проте перевагу надається СН 2 ОН, так як атомний номер кисню більше, ніж вуглецю. Група СН 2 ВІН старша, незважаючи на те, що в ній з атомом вуглецю пов'язаний лише один атом кисню, а в групі СН(СН 3) 2 - два атоми вуглецю. Якщо й другі атоми групи однакові, порядок визначається по атомам третього поясу тощо.

Якщо й така процедура не призвела до побудови однозначної ієрархії, її продовжують на дедалі більших відстанях від центрального атома, поки, нарешті, не зустрінеться відмінності і всі чотири заступники таки отримають своє старшинство. При цьому будь-яка перевага, яку набуває той чи інший заступник на одній із стадій узгодження старшинства, вважається остаточною і на наступних стадіях переоцінці не підлягає. Якщо в молекулі зустрічаються точки розгалуження, процедуру встановлення старшинства слід продовжувати вздовж молекулярного кола найбільшого старшинства. При встановленні старшинства тієї чи іншої центрального атома вирішальне значення має число пов'язаних із ним інших атомів вищого старшинства. Наприклад, CCl 3 > CHCl 2 > CH 2 Cl.

3) Формально приймається, що валентність всіх атомів, крім водню, дорівнює 4. Якщо справжня валентність атома менша (наприклад, у кисню, азоту, сірки), то вважається, що цей атом має 4-n (де n - справжня валентність) так званих фантом-заступників, яким приписується нульовий порядковий номер та відводиться останнє місце у переліку заступників. Відповідно до цього групи з подвійними і потрійними зв'язками представляються так, якби вони були розщеплені на два або три прості зв'язки. Наприклад, при поданні подвійного зв'язку С=С кожен атом розглядається як пов'язаний з двома атомами вуглецю, причому вважається, що другий із цих атомів вуглецю має три фантом-заступники. Як приклад розглянемо уявлення груп -СН=СН 2 , -СНО, -СООН, -ССН і -З 6 Н 5 . Ці уявлення виглядають так.

Перші атоми у всіх цих групах пов'язані відповідно з (Н,С,С), (Н,О,О), (О,О,О), (С,С,С) і (С,С,С). Цієї інформації достатньо, щоб групу СООН поставити на першому місці (найстарша), групу СНТ на другому, а групу -СН=СН 2 - на останньому (п'ятому) місці, оскільки наявність хоча б одного атома кисню підважніше наявності навіть трьох атомів вуглецю. Щоб дійти невтішного висновку про відносне старшинство груп ССН і -С 6 Н 5 треба йти далі ланцюгом. Група З 6 Н 5 має два атоми вуглецю типу (З,З,З), пов'язані з (З,З,Н), а третій атом відноситься до типу (О,О,О). Група ССН має лише одне угруповання (С,С,Н), але два угруповання (О,О,О). Отже, З 6 Н 5 старше, ніж ССН, тобто. по порядку старшинства п'ять зазначених груп займуть ряд: СООН> СНТ> З 6 Н 5 > ССН> СН = СН 2 .

Старшинство найбільш часто зустрічаються заступників можна визначити за табл. 8-2, у якій умовний номер означає більшу старшинство.

Таблиця 8.2.

Старшинство деяких груп за Каном-Інгольдом-Прелогом

Правила послідовного старшинства були спеціально задумані так, щоб опинитися в максимально близькій відповідності з ранньою систематикою Фішера, оскільки завдяки щасливому випадку виявилося, що D-гліцериновий альдегід має дійсно таку конфігурацію, яка йому довільно була приписана спочатку. В результаті більшість D-центрів і, що дуже важливо, сам гліцериновий альдегід мають (R)-конфігурацію, а L-стереоізомери зазвичай належать до (S)-ряду.

Одним з винятків є L-цистеїн, який належить до (R)-ряду, тому сірка за правилами старшинства краще кисню. У системі КВП генетична спорідненість між молекулами до уваги не береться. Ця система може застосовуватися лише до з'єднань із відомою абсолютною конфігурацією. Якщо конфігурація невідома, з'єднання доводиться обов'язково характеризувати знаком його обертання.

Правила послідовного старшинства застосовні також до опису геометричних ізомерів ненасичених сполук. Заступники кожного кінця кратного зв'язку при встановленні старшинства повинні розглядатися окремо. Якщо заступники, що мають більш високе старшинство, розташовані з однієї і тієї ж сторони подвійного зв'язку, з'єднання присвоюють префікс Z - (від німецького zusammen - разом), а якщо по різні боки, то префікс Е (entgegen - навпаки). (Z, Е) - Номенклатура алкенів розглядалася в гл.5. Нижче наведено приклади віднесення структур із використанням (Z, Е) - позначень.

Останній приклад показує, що переважне право включення до головного ланцюга має ланку з Z - конфігурацією. (R,S) - Позначення можуть бути застосовані для сполук з аксіальною хіральністю. Для віднесення конфігурації зображують проекцію Ньюмена на площину, перпендикулярну хіральної осі, і далі застосовують додаткове правило, згідно з яким заступники на кінці осі, найближчої до спостерігача, розглядаються як такі, що мають вищу старшинство, ніж заступники на дальньому кінці осі. Тоді конфігурацію молекули визначають напрямом обходу заступників по або проти годинникової стрілки в звичайному порядку зменшення старшинства від першого до другого і потім третього ліганду. Нижче це проілюстровано для 1,3 - алендікарбонової та 2,2 - іодиддифеніл-6,6-дикарбонової кислот.

Правило послідовного старшинства розроблено також для планарно та спірально хіральних молекул.

При зображенні з'єднань за допомогою проекцій фішерів можна легко визначити конфігурацію без побудови просторових моделей. Формулу треба записати так, щоб молодший заступник був унизу; якщо при цьому інші заступники в порядку зменшення старшинства розташовуються за годинниковою стрілкою, з'єднання відносять до (R) - ряду, а якщо проти годинникової - до (S) -ряду, наприклад:

Якщо молодша група не знаходиться внизу, слід поміняти її місцями з нижньою групою, але слід пам'ятати, що при цьому відбувається звернення конфігурації.