Пространственное строение органических соединений. Стереоизомерия

Пространственная изомерия в молекуле обусловлена различным пространственным расположением атомов при одинаковом по­рядке их связывания.

Стереоизомеры - изомеры, имеющие одинаковую после­довательность химических связей атомов, но различное расположение этих атомов относительно друг друга в пространстве.

Стереоизомеры могут различаться конформацией и конфигу­рацией.

Конформациями молекулы называются различные ее пространственные формы, возникающие в результате вращения атомов или групп вокруг ординарных связей.

Стереоизомеры, различие между которыми обусловлено поворо­том отдельных участков молекулы вокруг ординарных связей, называются конформерами. Наиболее стабильными и энергети­чески выгодными конформерами являются те, в которых между несвязанными атомами или их группами межатомное отталкива­ние наименьшее; их называют заторможенными конформерами. Конформеры, где атомы или их группы расположены близко друг к другу, являются нестабильными и называются заслоненными. Переходной формой между заторможенной и заслоненной конформациями является скошенная конформация.Фактически различные конформеры находятся в динамическом равновесии, и возможность перехода одного конформера в дру­гой определяется энергетическим барьером вращения, который составляет 10-50 кДж/моль. Поскольку энергетический барьер вращения невелик, то переход из одной конформации в другую осуществляется легко, и поэтому выделить конформеры в каче­стве устойчивых изомеров нельзя. Внутреннее вращение вокруг простых связей ограничивается или даже затормаживается в случае высокого энергетического барьера вращения.

Для изображения результатов вращения по связи С—С удоб­но пользоваться проекционными формулами Ньюмена (1955). Эти проекции получают, рассматривая молекулу вдоль С—С связи, вокруг которой происходит вращение. Ближайший к наблюда­телю атом углерода обозначается точкой пересечения его связей , а удаленный от наблюдателя атом углерода и его связи - окружностью с линиями . На рис. 2 при помощи проек­ций Ньюмена и стереохимических формул изображено враще­ние метильных групп вокруг связи С—С в молекуле этана.

Рис. 2. Проекции Ньюмена и стереохимические формулы засло­ненного и заторможенного конформеров молекулы этана

 

В длинных углеродных цепях вращение возможно вокруг нескольких С—С связей. Поэтому вся цепь может принимать разнообразные геометрические формы, среди которых зигзаго­образная конформация наиболее устойчива. Именно эта конформация характерна для гидрофобных фрагментов природных жирных кислот и их производных.

В циклических соединениях вращение вокруг ординарных связей ограничено, что приводит к возникновению определенных конформаций. В природных соединениях особенно часто встреча­ется фрагмент, содержащий циклогексановый цикл. Атомы уг­лерода в этом цикле находятся в состоянии sр³-гибридизации, и, следовательно, их химические связи не лежат в одной плос­кости. У циклогексана возникают два конформера типа кресла и ванны (рис. 3).

 

Рис. 3. Циклогексан в конформациях ванны и кресла

 

В конформации «кресло», в отличие от конформации «ванна», не имеется заслоненных положений атомов водорода, поэтому она термодинамически более устойчива. При комнатной температуре молекулы циклогексана существуют практически только в конформации кресла.

Производные циклогексана, содержащие два и более объем­ных заместителя, имеют такую конформацию, в которой эти за­местители располагаются наиболее удаленно друг от друга, на­пример по разные стороны от плоскости цикла.

Биологическое действие многих лекарственных веществ и био­регуляторов (гормоны, витамины, антибиотики и др.) тесно свя­зано с пространственным строением их молекул. Для наиболее полного связывания этих веществ рецепторами клетки они долж­ны иметь определенную конформацию. Изменение конформа­ций, как правило, снижает степень связывания и ослабляет биологическое действие. О конформации белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот речь пойдет в соответствующих разделах.

Стереоизомеры могут отличаться не только конформацией, но и конфигурацией.

Конфигурациями молекул называются разные про­странственные расположения атомов или групп, кото­рые не могут быть переведены друг в друга простым вращением вокруг связей.

В отличие от конформационных изомеров, которые легко пре­вращаются друг в друга, конфигурационные изомеры устойчи­вы. Различают два вида конфигурационной изомерии: геомет­рическую, или цис-транс-изомерию, и оптическую изомерию.

Геометрическая изомерия. Стереоизомеры, отли­чающиеся друг от друга расположением заместителей по отноше­нию к плоскости двойной связи или цикла, называются геомет­рическими изомерами. Изомер, содержащий одинаковые замес­тители по одну сторону от плоскости связи (цикла), называется цис-изомером, а если они расположены с противоположных сто­рон — транс-изомером:

 

 

Цис-транс-изомеры отличаются друг от друга не только фи­зическими и химическими свойствами, но и биологической ак­тивностью, что определяет различное их участие в физиологических процессах биосистем.

Геометрическая изомерия часто встречается среди природных соединений, в частности сопряженных полиенов. Так, ретиналь-активная форма витамина А представлена в организме в виде транс-изомера, который под действием фермента ретинальизомеразы превращается в цис-ретиналь. При поглощении света проте­кает фотоизомеризация цис-ретиналя обратно в транс-изомер. Эта реакция лежит в основе возбуждения палочек сетчатки глаза.

Оптическая изомерия. Она характерна для несиммет­ричных соединений, у которых в молекуле имеется атом угле­рода в состоянии sр^З-гибридизации, связанный с четырьмя раз­личными атомами или группами. Такой атом углерода называет­ся асимметрическим и обозначается С*. Оптические изомеры отличаются друг от друга как несимметричный предмет от сво­его изображения в зеркале, и их нельзя перевести друг в друга путем внутреннего вращения (рис. 4). Другими словами, изомеры L и D относятся друг к другу как левая рука к правой и они несовместимы. Это свойство называется хиралъностью (от греч. χειρος – рука), а асимметрический атом - хиральным центром. В большинстве случаев наличие хирального атома в молекуле уже служит указанием на ее хиральность.

 

Рис. 4. Хиральные объекты

 

Наиболее важным следствием хиральности молекул является существование их в виде пары пространственных изомеров – энантиомеров, представляющих нсовместимые в пространстве зеркальные изображения (зеркальные антиподы).