Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Физическиепричиныоптическойактивности↑ Стр 1 из 6Следующая ⇒ Содержание книги Поиск на нашем сайте Введение
Средиорганическихсоединенийвстречаютсявещества,способныевращатьплоскостьполяризациисвета. Этоявлениеназываютоптическойактивностью,асоответствующиевещества - оптическиактивными. Оптическиактивныевеществавстречаютсяввидепароптическихантиподов - изомеров,физическиеихимическиесвойствакоторыхвобычныхусловияходинаковы,заисключениемодного - знакавращенияплоскостиполяризации. (Еслиодинизоптическихантиподовимеет,например,удельноевращение (+20о,тодругой - удельноевращение - 20о). Оптическаяизомерияпоявляетсятогда,когдавмолекулеприсутствуетасимметрическийатомуглерода; такназываютатомуглерода,связанныйсчетырьмяразличнымизаместителями. Возможныдватетраэдрическихрасположениязаместителейвокругасимметрическогоатома. Обепространственныеформынельзясовместитьникакимвращением; однаизнихявляетсязеркальнымизображениемдругой:
Такжеэтотвидизомерииназываютоптическойизомерией,зеркальнойизомериейилиэнантиомерией. Обезеркальныеформысоставляютпаруоптическихантиподовилиэнантиомеров. В1815французскийфизикЖанБатистБиоинемецкийфизикТомасЗеебекустановили,чтонекоторыеорганическиевещества (например,сахарилискипидар) обладаютсвойствомвращатьплоскостьполяризациисвета,вкристаллическом,вжидком,растворенномидажегазообразномсостоянии (Впервыеэтоявлениеобнаружилв1811г. французскийфизикФрансуаДоминикАрагоукристалловкварца). Такбылодоказано,чтооптическаяактивностьможетбытьсвязананетолькосасимметриейкристаллов,ноискаким-тонеизвестнымсвойствомсамихмолекул. Оказалось,чтонекоторыехимическиесоединениямогутсуществоватьввидекакправо-,такилевовращающихразновидностей,причемсамыйтщательныйхимическийанализнеобнаруживаетмеждуниминикакихразличий. Этобылновыйтипизомерии,которуюназвалиоптическойизомерией. Оказалось,чтокромеправо - илевовращающих,естьитретийтипизомеров - оптическинеактивные. Этообнаружилв1830знаменитыйнемецкийхимикЙёнсЯкобБерцелиуснапримеревиноградной (дигидроксиянтарной) кислотыНООС-СН (ОН) - СН (ОН) - СООН: этакислотаоптическинеактивна,авиннаякислотаточнотакогожесоставаобладаетвраствореправымвращением. Позднеебылаоткрытаиневстречающаясявприроде "левая" виннаякислота - антиподправовращающей. Различитьоптическиеизомерыможноспомощьюполяриметра - прибора,измеряющегоуголповоротаплоскостиполяризации. Длярастворовэтотуголлинейнозависитоттолщиныслояиконцентрацииоптическиактивноговещества (законБио). Дляразныхвеществоптическаяактивностьможетизменятьсявоченьширокихпределах. Так,вслучаеводныхрастворовразныхаминокислотпри25°Судельнаяактивность (онаобозначаетсякакDиизмеряетсядлясветасдлинойволны589нмприконцентрации1г/млитолщинеслоя10см) равна - 232°дляцистина, - 86,2°дляпролина, - 11,0°длялейцина,+1,8°дляаланина,+13,5°длялизинаи+33,2°дляаспарагина. Современныеполяриметрыпозволяютизмерятьоптическоевращениесоченьвысокойточностью (до0,001°). Подобныеизмеренияпозволяютбыстроиточноопределитьконцентрациюоптическиактивныхвеществ,например,содержаниесахараврастворахнавсехстадияхегопроизводства - начинаяотсырыхпродуктовикончаяконцентрированнымрастворомипатокой. Оптическуюактивностькристалловфизикисвязывалисихасимметричностью; полностьюсимметричныекристаллы,например,кубическиекристаллыповареннойсолиоптическинеактивны. Причинажеоптическойактивностимолекулдолгоевремяоставаласьсовершеннозагадочной. Первоеоткрытие,проливавшеесветнаэтоявление,сделалв1848никомутогданеизвестныйЛуиПастер. Пастер,которыйвыделилдваантиподавиннойкислоты,которыеполучилиназваниеэнантиомеров (отгреч. enantios - противоположный). ПастерввелдлянихобозначенияL - иD-изомеров (отлатинскихсловlaevus - левыйиdexter - правый). ПозднеенемецкийхимикЭмильФишерсвязалэтиобозначениясостроениемдвухэнантиомероводногоизнаиболеепростыхоптическиактивныхвеществ - глицериновогоальдегидаОНСН2-СН (ОН) - СНО. В1956попредложениюанглийскиххимиковРобертаКанаиКристофераИнгольдаишвейцарскогохимикаВладимираПрелогадляоптическихизомеровбыливведеныобозначенияS (отлат. sinister - левый) иR (лат. rectus - правый); рацематобозначаютсимволомRS. Однакопотрадицииширокоиспользуютсяистарыеобозначения (например,дляуглеводов,аминокислот). Следуетотметить,чтоэтибуквыуказываютлишьнастроениемолекулы ("правое" или "левое" расположениеопределенныххимическихгрупп) инесвязаныснаправлениемоптическоговращения; последнееобозначаютзнакамиплюсиминус,например,D (-) - фруктоза,D (+) - глюкоза. Теория,объясняющаяотличиедруготдругамолекулантиподовбыласозданаголландскимученымВант-Гоффом. Согласноэтойтеории,молекулы,какикристаллы,могутбыть "правыми" и "левыми",являясьзеркальнымотражениемдругдруга. Подобныеструктуры,которыеотличаютсядруготдругакакправаярукаотлевой,получилиназваниехиральных (отгреч. heir - рука). Такимобразом,оптическаяактивность - следствиепространственнойизомерии (стереоизомерии) молекул. оптическая изомерия эвантиомер хиральность ТеорияВант-Гоффа,заложившаяосновысовременнойстереохимии,завоевалаобщеепризнание,аеесоздательв1901сталпервымлауреатомНобелевскойпремиипохимии. Оптическаяактивность
Оптическаяактивность - этоспособностьсреды (кристаллов,растворов,пароввещества) вызыватьвращениеплоскостиполяризациипроходящегочерезнееоптическогоизлучения (света). Впервыеоптическаяактивностьбылаобнаруженав1811г.Д. Араговкристаллахкварца. В1815г.Ж. Боиоткрылоптическуюактивностьчистыхжидкостей (скипидара), азатемрастворовипаровмногих,главнымобразоморганическихвеществ. Ж.Биоустановил,чтоповоротплоскостиполяризациипроисходитлибопочасовойстрелке,либопротивнее,еслипосмотретьнавстречуходулучейсветаивсоответствиисэтимразделилоптическиактивныевеществанаправовращающие (вращающиеположительно,т.е.почасовойстрелке) илевовращающие (отрицательновращающие) разновидности. Наблюдаемоезначениеуглаповоротаплоскостиполяризациивслучаерастворасвязаностолщинойобразцаиконцентрациейоптическиактивноговещества. Оптическиактивнымивеществаминазываютлишьтевещества,которыепроявляютестественнуюоптическуюактивность. Существуеттакжеиискусственнаяилинаведеннаяоптическаяактивность. Еепроявляютоптическинеактивныевеществаприпомещениивмагнитноеполе (эффектФарадея). Оптическиактивныевещества
Оптическиактивныевеществаподразделяютсянадватипа. Кпервомутипуотносятсявещества,которыеоптическиактивнылишьвкристаллическойфазе (кварц,киноварь). Ковторомутипуотносятсявещества,которыеоптическиактивнывлюбомагрегатномсостоянии (например,сахара,камфара,виннаякислота). Усоединенийпервоготипаоптическаяактивностьявляетсясвойствомкристаллакакцелого,носамимолекулыилиионы,составляющиекристалл,оптическинеактивны. Кристаллыоптическиактивныхвеществвсегдасуществуютвдвухформах - правойилевой; приэтомрешеткаправогокристаллазеркальносимметричнарешеткелевогокристаллаиникакимиповоротамииперемещениямилевыйиправыйкристаллынемогутбытьсовмещеныдругсдругом. Оптическаяактивностьправойилевойформкристалловимеетразныезнакииодинаковапоабсолютнойвеличине (приодинаковыхвнешнихусловиях). Правуюилевуюформукристалловназываютоптическимиантиподами. Усоединенийвтороготипаоптическаяактивностьобусловленадисимметрическимстроениемсамихмолекул. Еслизеркальноеотображениемолекулыникакимивращениямииперемещенияминеможетбытьналоженонаоригинал,молекулаоптическиактивна; еслитакоеналожениеосуществитьудается,томолекулаоптическинеактивна. (Подзеркаломпонимаютотражатель,лежащийвнемолекулы,иотражениедаетотображениевсеймолекулы). Асимметрическиемолекулыидисcимметрическиемолекулынеодноитоже. Асимметрическиемолекулынеимеютникакихэлементовсимметрии,тогдакаквдисcимметрическихмолекулахнекоторыеэлементысимметрииостаются. Диcсимметрияестьнарушениемаксимальнойсимметрииобъекта. Оптическуюактивностьпроявляютвсеасимметрическиемолекулы,нодалеконевседиссимметрическиемолекулы. Оптическаяактивностьсвязаналишьсдисcимметрией,обусловливающейнесовместимостьобъектасегозеркальнымотображением. Такойвиддиссимметрии,получилназваниехиральность. Хиральныеобъектынесовместимывпространствеипредставляютсякакзеркальныеотображениядругдруга. Оптическиактивнаямолекулахиральна,аоптическинеактивнаяахиральна,однакоеслимолекулунельзясовместитьсеезеркальнымотображением,тозеркальноеотображениесоответствуетдругой,отличноймолекуле,которую,впринципе,можносинтезировать. Синтезированноезеркальноеотображениехиральноймолекулыбудетеереальнымоптическимизомером. Чистоеоптическиактивноесоединениеимееттолькодваоптическихизомера (т.к.каждомуобъектусоответствуетлишьоднозеркальноеотображение). Оптическиеизомерыназываютсяэнантиомерами (илииногдаэнантиоморфами). Удельноевращениеэнантиомероводинаковопоабсолютнойвеличинеипротивоположнопознаку: одинэнантиомерлевовращающий,авторойправовращающий. Кромезнакавращениявседругиефизическиеихимическиесвойстваэнантиомероввгазовойфазе,атакжевахиральныхжидкихсредаходинаковы. Однако,еслижидкаясредахиральна (например,враствордобавленхиральныйреагентиликатализатор,илисамрастворительхирален) свойстваэнантиомеровначинаютразличаться. Привзаимодействиисдругимихиральнымисоединениями,отзывающимисяназеркальнуюизомериюмолекул,энантиомерыреагируютсразличнымискоростями. Особенноощутиморазличиевфизиологическомибиохимическомдействииэнантиомеров,чтосвязаносэнантиомериейбиологическихреагентовикатализаторов. Так,природныебелкисостоятизлевыхоптическихизомероваминокислотипоэтомуискусственносинтезированныеправыеаминокислотыорганизмомнеусваиваются; дрожжисбраживаютлишьправыеизомерысахаров,незатрагиваялевыеит.д. Общееправилосостоитвтом,чтоэнантиомерыпроявляютидентичныесвойствавсимметричном (ахиральном) окружении,авнесимметричном (хиральном) окруженииихсвойствамогутизменяться,Этосвойствоиспользуетсявасимметрическомсинтезеикатализе.Смесьравныхколичествэнантиомеров,хотяисостоитизхиральныхмолекул,оптическинеактивна,т.к.одинаковоеповеличинеипротивоположноепознакувращениевзаимнокомпенсируется. Такиесмесиназываютрацемическимисмесямиилирацематами. Вгазообразномсостоянии,жидкойфазеиврастворахсвойстварацематовобычносовпадаютсосвойствамичистыхэнантиомеров,однаковтвердомсостояниитакиесвойства,кактемператураплавления,теплотаплавления,растворимость,обычноотличаются. А. Феноменологическаямодель ФеноменологическуюмодельоптическойактивностипредложилФренельещев1823г. Онаосновананаволновойтеориисветаиспозицийсовременнойнаукинеявляетсядостаточнострогой. Темнеменее,этамодельдаеточеньнаглядноепредставлениеопричинахоптическойактивностиидругихявлениях,связанныхспоглощениемсветахиральнымвеществом,врамкахклассическойэлектродинамики,поэтомуеечастоиспользуютивнастоящеевремя. Согласноклассическимпредставлениям,линейнополяризованный (плоскополяризованный) светхарактеризуетсятем,чтовекторысоставляющихегозависимыхотвремениэлектрического (Е) имагнитного (Н) полейосциллируютвовзаимноперпендикулярныхплоскостяхиихизмененияносятсинусоидальныйхарактервовремениивпространстве. Плоскополяризованныйсветможнорассматриватькаккомбинациюлевогоиправогоциркулярнополяризованныхлучей,движущихсявфазепоотношениюдругкдругу. Есливначальнойточкевремени1электрическиевекторылевогоиправогоциркулярнополяризованныхлучейориентированывверх,товточке2векторправоголучаориентированвправо,авекторлевоголучавлево (еслисмотретьвнаправлениидвижениясветапоосиz). Вточке3векторыобоихлучейориентированывниз,вточке4векторправоголучаориентированвлево,авекторлевоголучавправо,ит.д.Такимобразом,правыйилевыйциркулярнополяризованныелучиобладаютсоответственноправойилевойспиральностьювращениявектораэлектрическогополя. Суммаэтихлучейдаетплоскополяризованныйлуч,впространственно-временныхточках1,3и5векторысуммируются,авточках2и4взаимноуничтожаются. Расстояниемеждуточками1и5соответствуетодномувиткуправойилилевойспиралиилидлинеплоскойволны. Припопаданиисветаналюбуюмолекулувпрозрачнойсреде,скоростьегозамедляется (уменьшениескоростипропорциональнопоказателюпреломлениясреды), таккаксветвзаимодействуетсэлектроннымиоболочкамимолекул. Степеньтакоговзаимодействиязависитотполяризуемостимолекулы.
Плоско (линейно) поляризованныйсветовойлуч (а), правый (б) илевый (в) циркулярно-поляризованныелучи, (г) - результатвзаимодействияэлектрическихвекторовлучей (б) и (в), находящихсявфазе. Еслисредаахиральна,двециркулярнополяризованныесоставляющиепроходятсодинаковойскоростью (т.е.содинаковымипоказателямипреломлениядляправогоилевоголучей). Однакохиральныемолекулыпроявляютанизотропиюполяризуемости,котораязависитоттого,левуюилиправуюспиральностьимеетциркулярнополяризованныйлуч. Припрохождениичерезхиральнуюсредувобщемслучаенеодинаковынетолькоскорости,ноикоэффициентыпоглощениялевогоиправогоциркулярнополяризованныхкомпонентплоскополяризованногосвета. Врезультатевекторыдляправогоилевогопрошедшегочерезобразецлучейбудутиметьразнуюамплитуду,арезультирующийвекторбудетописыватьэллиптическуютраекторию. Вобщем,припрохожденииплоскополяризованногосветачерезхиральнуюсредувекторэлектрическогополяначинаетописыватьэллипс (эллиптическаяполяризация) сповернутойглавнойосью. Уголвращенияуменьшаетсясувеличениемдлиныволныпадающегосвета. Однакоэтосправедливолишьдлясвета,длинаволныкоторогобольшедлиныволнымаксимумапоглощениявэлектронномспектреданноговещества. Изменениеоптическоговращенияприизменениидлиныволныназываетсядисперсиейоптическоговращения (ДОВ). Разностьпоглощенияправойилевойкомпонентназываетсякруговымдихроизмом (КД). КоличественнойхарактеристикойКДслужитуголэллиптичностиy, величинакоторогообратнопропорциональнадлиневолны КДоткрытЭ. Коттономв1911г. иегочастоназываютэффектомКоттона. ДОВиКДвместеназываютсяхирооптическимиявлениями; всвоейосновеонисвязанысэлектроннымипереходамивхиральномокружении. ЭффектКоттона,т.е.превращениеплоскополяризованногосветавэллиптическиполяризованныйзаметнопроявляетсяглавнымобразомвблизиполоссобственного (резонансного) поглощениявещества.
(а) - Взаимодействиесдвинутыхпофазекомпонентовравнойамплитуды, (б) - взаимодействиенаходящихсявфазекомпонентовразнойамплитуды, (в) - суммарныйрезультатсдвигапофазе.
Б. Квантоваятеория Квантовуютеориюоптическойактивностипостроилв1928г. бельгийскийфизикЛ. Розенфельд. Спозицийсовременнойнаукиэтатеориярассматриваетсякакболеестрогая. Дляобъясненияоптическойактивностиоказалосьнеобходимымучитыватьвзаимодействиеэлектрическихимагнитныхдипольныхмоментов,наведенныхвмолекулеполемпроходящейсветовойволны. В. Корпускулярнаятеория Внастоящеевремявозрождаетсяинтересккорпускулярнойтеориисвета,которойпридерживалсяещеНьютон. Частицейсветаявляетсяфотон - реальнаяэлементарнаячастица. Вфотоннойтеорииполяризациюсветасвязываютсполяризациейфотонов,котораяобусловленаналичиемуэтихчастицспинаиегоопределеннойнаправленностьювпространстве. Спиновыеквантовыечисла - этокакбыдополнительныевнутренниестепенисвободычастицы. Вотличиеотэлектронов,имеющихспинJ=1/2,спинфотонаJ=1. (Этоозначает,чтоэлектроныпринадлежаткклассуфермионов,длякоторыхсправедливзапретПаули,афотоны - кклассубозонов,длякоторыхнедействуетпринципзапрета). Согласноквантовоймеханике,частицасоспиномJиненулевоймассойпокояимеет (2J+1) внутреннихквантовыхсостояний,определяющихееполяризацию,т.е.степеньасимметриичастицывпространстве. Номассапокояфотонаравнанулю,ипоэтомучислоспиновыхсостоянийнаединицуменьше,т.е.равнодвум (+1и - 1). Этоозначает,чтовозможнылишьдвеориентациипроекцииспинафотонананаправлениеегодвижения: параллельнаяиантипараллельная. Втакомслучаевозникаетпонятие "спиральностьчастицы". Еслипроекцияспинананаправлениедвиженияположительна,тоговорят,чточастицаимеетправовинтовую (правую) спиральность,аеслиотрицательна - левовинтовую (левую) спиральность. Спиральныеобъектыхиральны,поэтомуфотоныявляютсякакбыхиральнымичастицами. Посколькуфотоныобладаютцелочисленнымспином,водномитомжесостоянииможетнаходитсялюбоечислофотонов. Этообусловливаетвозможностьописанияэлектромагнитныхвзаимодействийсучастиембольшогочислафотоновврамкахклассической (анетолькоквантовой) механики. Циркулярно-поляризованныйсветможнорассматриватькакпотокфотонов,имеющихтолькоправуюилитольколевуюспиральность. Плоскополяризованныйсветсостоитизодинаковогоколичества "левых" и "правых" фотонов. Взаимодействиепо-разномуполяризованныхфотоновсхиральнойанизотропнойсредойпроисходитнеодинаково,чтоприводиткхироптическимэффектам. Ахиральнаямолекуланевращаетплоскостьполяризациисветатолькоприопределеннойееориентациипоотношениюкпадающемулучу. Например,ахиральнаямолекула,имеющаяплоскостьсимметрии,невращаетплоскостьполяризациилишьвтомслучае,еслиплоскостьполяризациисовпадаетсплоскостьюсимметрии. Всежеостальныемолекулы,неориентированныетакимобразом,вращаютплоскостьполяризации,даженебудучихиральными. Однаковцеломобразецневращает,таккаквмассемолекулыориентированыбеспорядочно,иоднимолекулывращаютплоскостьполяризацииводномнаправлении,адругиемолекулы,встречающиесянапутисветовоголуча,вращаютеевпротивоположнуюсторону. Такимобразомколлективахиральныхмолекулимеетсуммарноевращение,равноенулю,хотякаждаямолекуламожетвращатьплоскостьполяризации. Вслучаехиральныхсоединениймолекулпротивоположнойориентации (еслиэтонерацемическаясмесь) простонеможетсуществовать,ивращениенаблюдается. Хиральныемолекулы
Вслучаепростыхмолекуллегкопроводитсязрительноераспознаваниенесовместимостисзеркальнымотображением. Однакомногиеорганическиемолекулынастолькосложны,чтотакойспособтребуеточеньразвитогопространственноговоображения,которымобладаютдалеконевсе.
Точечныегруппысимметрии
Шарсамыйсимметричныйобъект,егоневозможноотразитьвзеркале. Онвсегдавыглядитодинаково. Тетраэдр "менеесимметричен",чемшар,посколькувокругвысотыегонужноповернутьлишьнаопределенныйугол (1200), чтобыонвыгляделтакже,какдоповорота. Вращениевокругосиявляетсяоднойизоперацийсимметрии. Операциейсимметрииназываетсядействиенадобъектом,котороеприводиткегоновойориентации,неотличимойотисходнойисовмещаемойснею. Каждойоперациисимметриисоответствуетопределенныйэлементсимметрии. Элементомсимметрииназываетсягеометрическоеместоточек,остающихсянеподвижнымиприданнойоперациисимметрии. Основнымиэлементамисимметрииявляютсясобственныеосивращения,которыевсистемеобозначенийШенфлисаимеютсимволCn,гдеn - порядокоси,означающий,чтоповоротмолекулынаугол2p/nрадианприводиткструктуре,неотличимойотпервоначальной,несобственныеосивращенияилизеркально-поворотныеоси (sn), зеркальныеплоскостисимметрии (s), делящиемолекулупополам,так,чтооднаполовинаявляетсязеркально-симметричнойдругойполовине,центринверсии (i) итождественноепреобразование (Е). ВсоответствиисэтимоперациисимметрииделятнаповоротосивокругосисимметрииСn,поворотвокругосиспоследующимотражениемвплоскости,перпендикулярнойэтойоси (Sn), отражениевплоскостисимметрииs, инверсиювцентресимметрииiиоперациюидентичностиЕ. Приоперацииидентичностисмолекулойничегонеделают,ноэтаоперациянебессмысленна,т.к.онапозволяетвключитьвединуюклассификациюкаксимметричные,такиасимметричныеобъекты.
А. Собственнаяосьсимметрии ВсемолекулыимеюттривиальнуюосьС1,посколькувлюбомслучаевращениена3600возвращаетмолекулувисходноесостояние. Следовательно,операцияС1эквивалентнаоперацииидентичности (С1єЕ). ДихлорметанимеетосьС2,аммиак - осьС3,метан - четыреосиС3,тетрахлорплатинат - осьС4.
Типыхиральности
Молекулы,содержащиететраэдрическийатом,например,углеродасчетырьмяразнымизаместителямипринадлежаткточечнойгруппеС1. Ониасимметричныицентральныйатомназываетсяасимметрическиматомом.
Адамантаны,утретичныхатомовуглеродакоторыхимеетсячетыреразныхзаместителя,хиральныиоптическиактивны. Присравненииформулсимметрияобоихсоединенийоченьпохожа. Остовадамантанаможнопредставитькактетраэдрс "изломаннымиребрами",онимеетсимметриюTdкотораяпереходитвC1,когдавсечетырезаместителяутретичныхатомовуглеродаразные. Упроизводногоадамантананетасимметрическогоатомауглерода,каквa-бромпропионовойкислоте,ноестьцентр,находящийсявнутримолекулы (центртяжестинезамещенногоадамантана). Асимметрическийцентр - эточастныйслучайболееобщегопонятияхиральныйцентр. Хиральныйцентрможетиметьнетолькоасимметрическиемолекулы,ноимолекулысимметрииCnилиDn. Хиральныйцентрявляетсялишьоднимизвозможныхэлементовхиральности. Однакокромецентральногосуществуютещеиаксиальный,планарныйиспиральныйтипыхиральности. Аксиальнойхиральностьюобладаютмолекулы,имеющиехиральнуюось. Хиральнуюосьлегкополучить,мысленно "растягивая" центрхиральности:
Хиральнуюосьимеюттакиеклассымолекул,какалленыидифенилы. Валленахцентральныйатомуглеродаsp-типаимеетдвевзаимно-перпендикулярныеp-орбитали,каждаяизкоторыхперекрываетсясp-орбитальюсоседнегоатомауглерода,врезультатечегоостающиесясвязиконцевыхатомовуглеродарасполагаютсявперпендикулярныхплоскостях. Самалленхирален,таккакимеетзеркально-поворотнуюосьS4,нонесимметричнозамещенныеалленытипаabС=С=Сabхиральны.
Алленыхиральнытольковтомслучае,еслиобаконцевыхатомауглеродазамещенынесимметрично:
Прилюбомнечетномчислекумулированныхдвойныхсвязейчетыреконцевыегруппырасполагаютсяуженевразных,аводнойплоскости,например,для1,2,3-бутатриена:
Такиемолекулыахиральны,нодлянихнаблюдаетсяцис-транс-изомерия. Так,соединениебылоразделенонаоптическиеизомеры.
Еслиоднуилиобедвойныесвязисимметричнозамещенногоалленазаменитьнациклическуюсистему,тополученныемолекулыбудуттожеобладатьаксиальнойхиральностью,например:
Вбифенилах,содержащихчетыреобъемистыегруппыворто-положениях,свободноевращениевокругцентральнойсвязизатрудненоиз-застерическихпрепятствий,ипоэтомудвабензольныхкольцанележатводнойплоскости. Поаналогиисалленами,еслиодноилиобабензольныхкольцазамещенысимметрично,молекулаахиральна; хиральныжемолекулытолькосдвумянесимметричнозамещеннымикольцами,например:
Изомеры,которыеможноразделитьтолькоблагодарятому,чтовращениевокругпростойсвязизатруднено,называютсяатропоизомерами. Иногдадляпредотвращениясвободноговращениявбифенилахдостаточнотрехидажедвухобъемистыхзаместителейворто-положениях. Так,удалосьразделитьнаэнантиомерыбифенил-2,2-дисульфокислоту (XV). ВсоединенииXVIсвободноевращениеполностьюнезаторможено,и,хотяегоможнополучитьвоптическиактивнойформе,прирастворениивэтанолеонобыстрорацемизуется (наполовинуза9мин. при250).
Длянекоторыххиральныхмолекулопределяющимструктурнымэлементомявляетсянецентр,неось,аплоскость. Простейшуюмодельпланарнойхиральностилегкосконструироватьизлюбойплоскойфигуры,неимеющейосейсимметрии,лежащихвэтойплоскости,иотдельнойточкивнеплоскости. Наиболееизученыпланарно-хиральныепроизводныеферроцена (XVII). Другимипримерамиявляютсяареновыекомплексыхромтрикарбонила (XVIII), атакжесоединенияXIXиXX.
Спиральнаяхиральностьобусловленаспиральнойформоймолекулы. Спиральможетбытьзакрученавлевоиливправо,даваяэнантиомерныеспирали. Например,вгексагелиценеодначастьмолекулыиз-запространственныхпрепятствийвынужденарасполагатьсянаддругой.
Номенклатураэнантиомеров
Определениеконфигурации-этоэкспериментальнаяработа,выполняемаяхимическимиифизическимиметодамисцельюустановить,какаяиздвухзеркальныхпространственныхмоделейотвечаетправовращающемуэнантиомеру,акакая - левовращающему. Приполнойопределенностисамойконфигурации (пространственноймодели) вопрособееобозначенииможетрешатьсяпо-разному.
Поконфигурации: R - иS
СистемаR/S - наиболееважнаяноменклатурнаясистемадляхарактеристикиэнантиомеров. Поэтойсистеме,центрхиральностиназываетсяRилиSвсоответствииссистемой,покоторойкаждоезамещающеезвенонаделяетсяприоритетомвсоответствиисправиламиКана-Инголда-Прелога,основываясьнаатомномномере. Еслицентрориентировантак,чтонизшийизвозможныхчетырёхнаправленотнаблюдателя,наблюдательувидитдвавозможныхварианта: еслиприоритетоставшихсятрёхзамещающихгруппуменьшаетсяпочасовойстрелке,названиедаётсяR (Rectus), еслиуменьшаетсяпротивчасовойстрелки,тоS (Sinister). Этасистемамаркируеткаждыйхиральныйцентрмолекулы (итакжеимеетраспространениенахиральныемолекулы,незатрагиваяхиральныхцентров). Несмотрянаэто,онаболееобобщённа,чемсистемаD/L,иможет,например,наименоватьизомер,вкотором (R,R) - группарасположенанапротив (R,S) - диастереомер. УсистемыR/Sнетотношенияк (+/-) - системе. R-изомерможетбытьправоповоротным,такилевоповоротным,взависимостиотфактическихзамещающихгрупп. УсистемыR/SнетиотношениякD/Lсистеме. ПоэтойпричинесистемаD/Lостаётсявповседневномиспользовании
3.2Пооптическойактивности: +/-
Энантиомерименуетсяпонаправлениюсвета,вкоторомвращаетплоскостьполяризованногосвета. Есливращениепроисходитпочасовойстрелке (поотношениюкнаблюдателю,ккоторомунаправляетсясвет), товназванииэнантиомераотмечается (+). Егозеркальныйобразименуется (-). (+) - и (-) - изомерытакжеопределяютсякакD - иLсоответственно (отангл. Dextrorotatory - правоповоротныйиLevorotatory - левоповоротный).
Поконфигурации: D - иL-
Оптическийизомерможетбытьназванпопространственнойконфигурацииегоатомов. СистемаD/Lделаетэто,опираясьнамолекулуглицераля. Сампосебеглицеральхирален,идваегоизомераименуютсяDиL. Сглицералемможнопровестиопределённыехимическиеманипуляциибезизмененияконфигурации,иегоисторическоеиспользованиесэтойцелью (всовокупностисудобствомегоиспользованиякакоднойизнаименьшихширокоиспользуемыххиральныхмолекул) вылилосьвегоиспользованиевноменклатуре. Вэтойсистемесоставныечастиназываютсяпоаналогиисглицералем,который,вобщем,производитнедвусмысленныеобозначения,дактомужеилегчевсегоувидетьвмаленькихбиомолекулах,похожихнаглицераль. МаркировкаD/Lнеотноситсяк (+) / (-) никакимобразом; онанеуказывает,какойэнантиомерправоповоротный,какой - левоповоротный. Однакоонасообщает,чтостереохимиясоединенийимеетотношениектому,чтоизправо - илилевоповоротногоэнантиомеровглицераляправоповоротныйбудетD-изомером. ОбщаязакономерностьдляопределенияD/Lизомерииаминокислотназываетсяправилом“CORN”. ГруппыCOOH,R,NH2иH (гдеR - отличнаяотдругихуглероднаяцепь) выстраиваютсявокругатомауглеродахиральногоцентра. Когдасмотретьтак,чтобыатомводородабылнаправленвдальотнаблюдателя,еслиэтигруппырасположеныпочасовойстрелкевокругатомауглерода,тоэтоD-форма. Еслипротивчасовой,тоL-форма.
4. Методыопределенияконфигурации
А. Химическаякорреляция Перваягруппаметодовсвязанаспревращениемсоединенияснеизвестнойконфигурациейвсоединениесизвестнойконфигурациейилиобразованиемнеизвестнойконфигурацииизизвестнойбезнарушенияхиральногоэлемента,например,хиральногоцентра. Посколькувходепревращенияхиральныйцентрнезатрагивается,очевидно,чтопродуктдолжениметьтужеконфигурацию,чтоиисходноесоединение. Приэтомвовсенеобязательно,чтоеслинеизвестноесоединениеотноситсяк (R) - ряду,тоиизвестноебудетиметь (R) - конфигурацию. Например,привосстановлении (R) - 1-бром-2-бутанолав2-бутанол,незатрагивающемхиральныйцентр,продуктомбудет (S) - изомернесмотрянато,чтоегоконфигурациянеизменилась. Этосвязаностем,чтогруппаСH3CH2определениюмладшегруппыBrCH2,ностаршегруппыСН3.
ОднимизмногихпримеровхимическойкорреляцииявляетсяустановлениеотносительнойконфигурацииD-галактозы (XXXI) путемееокисления. Посколькуэтотпроцессприводиткобразованиюоптическинеактивнойдикарбоновойкислоты,относительнаяконфигурацияеечетыреххиральныхцентровможетсоответствоватьилиструктуреXXXII,илиструктуреXXXIII. Нодикарбоноваякислота (XXXIV), полученнаяизгалактозыпутемокислительногоотщепленияальдегидногоатомауглерода,оптическиактивна. Следовательно,D-галактозаимеетотносительнуюконфигурациию,показаннуюформулойXXXI.
Подобнымпутемможновыяснитьлишьотносительнуюконфигурациюисследуемыхмолекул,нонеихабсолютныеконфигурации. Втораягруппаметодовхимическойкорреляцииосновананапревращенииприхиральномцентре,механизмкотороготочноизвестен. Так,реакцияSN2происходитсобращением (инверсией) конфигурацииреакционногоцентра. Спомощьюпоследовательноститакихреакцийконфигурация (+) - молочнойкислотыбыласкоррелированасконфигурацией (S) - (+) - аланина.
Ктретьейгруппеотносятсябиохимическиеметоды. Врядуодногоклассасоединений,например,аминокислот,определенныйферментатакуетмолекулытолькооднойконфигурации. Есликакой-тофермент,скажем,атакуеттолько (S) - аминокислоты,нетрогая (R) - форму,иэтоэкспериментальноустановленонарядепримеров,тоещеоднааминокислота,подвергающаясядействиютогожефермента,должнапринадлежатьк (S) - ряду. Механическоерасщепление
Вслучаерацемическойнатрийаммониевойсоливиннойкислотыэнантиомерыпритемпературениже270 (температураоченьважна) кристаллизуютсяраздельно: водномкристаллесобираются (+) - изомеры,авдругом (-) - изомеры. Такиекристаллыотличаютсядруготдругазеркальностьюформы,иихможноразделитьспомощьюпинцетаимикроскопа. ИменнотакимпутемЛ. Пастерв1848г. впервыедоказал,чторацемическаявиннаякислотавдействительностипредставляетсобойсмесь (+) - и (-) - изомеров. Однакотакогородакристаллизациясвойственналишьнемногимвеществам. Описано,например,расщеплениегептагелицена (смесьспиральносочлененныхбензольныхколец; аналоггексагелицена -). Одинизэнантиомеровэтогосоединения,имеющийнеобычновысокоеоптическоевращение ([a] D20=+62000) спонтанновыкристаллизовываетсяизбензола. Прианалогичномрасщеплении5-метил-3,3-диэтил-2,4-пиперидиндиона (XLIII) быловзято20кграцематаипосле400перекристаллизацийполученовсего3гоптическичистогоправовращающегоизомера. Однимизнемногихсоединений,которыеможноразделитьпинцетомпометодуПастераявляется1,1,-динафтил (XLIV). Принагреваниирацематапри76-1500происходитфазовоеизменениесобразованиемлево - иправовращающихкристаллов.
Ферментативноерасщепление
Довольночастодляполученияоптическиактивныхвеществизрацематовиспользуютферменты,которыеобладаютвысокойстереоспецифичностьюдействия. НаибольшеезначениеметодприобрелдлястереоспецифическогогидролизаN-ациламинокислот. ПоддействиемферментаацилазынарацемическуюN - ацетиламинокислотуL-изомергидролизуетсяв1000разбыстрееD-изомера,ипослеокончанияферментативнойреакциилегкоможноразделитьL-аминокислотуиD-ацетиламинокислоту.
Заключение
Опти́ческаяизомери́я - разновидностьпространственнойизомерии,являющаясяпрямымследствиемхиральностимолекул,проявляетсяспособностьюнекоторыхвеществповорачиватьплоскостьполяризованноголучавпротивоположныестороны. Оптическаяизомериясвойственнамолекуламорганическихвеществ,неимеющимплоскостисимметрии,которыеотносятсядругкдругукакпредметксвоемузеркальномуотражению. Двастереоизомера,относящиесядругкдругукакпредметксвоемузеркальномуотражению,несовместимомусоригиналом,называютсяэнантиомерами,икаждаяизэтихструктурявляетсяхиральной. Существованиедвухэнантиомеров (хиральность) обусловленоатомом,имеющимразличныезаместители. Такойасимметрическийатомназываютстереоцентромилистереогеннымцентром. Применяютсятакженазванияхиральныйилиасимметрическийцентр. Смесьравныхколичествобоихэнантиомеровназываетсярацемическойформой. Некоторыехарактеристикиэнантиомеров,напримеррастворимостьиреакционнаяспособность,одинаковытолькоприахиральномокружении,еслижеэнантиомерокруженхиральнымимолекулами,реакционнаяспособностьдвухэнантиомеровбудетразличаться. Энантиомерыразличаютсятакжеприпрохождениилучаплоскополяризованногосветачерезихрастворы. Длякаждойпарыэнантиомеровлучотклоняетсянаодинитотжеугол,новразныестороны (направоилиналево), чтообозначаетсязнаками "+" и "-" илиdиl. Поэтойпричинестереоизомерытакоготипаиногданазываютоптическимиизомерами. Вобычныххимическихреакциях,приводящихкобразованиюэнантиомеров,получаютсяихравныеколичества (рацемическаяформа). Рацемическаясмесьнеобладаетоптическойактивностью. Еслижехимическаяреакцияпроводитсявхиральнойсредеиливприсутствиихиральногокатализатора,тополучаютпродуктыспреобладанием (иногдаполностью) одногоэнантиомера. Наличиеоптическойизомерииможетбытьобусловленотакженаличиемстереогеннойосиилиплоскости. Еслимолекуласодержитболееодногостереогенногоцентра,точислооптическихизомеровопределяютпоформуле2n,гдеn - числостереогенныхцентров. Стереоизомеры,неявляющиесяэнантиомерами,называютсядиастереомерами. Операцииразделениярацемическихсмесейнасоставляющиеихоптическиактивныекомпонентыназываютсярасщеплением. Отношениеэкспериментальнонаблюдаемогоудельноговращениявещества,полученногопутемрасщепления,кудельному (абсолютномувращениючистогоэнантиомераназываетсяоптическойчистотой (Р). Тождественнымиоптическойчистотеявляютсяпонятияэнантиомернойчистотыилиэнантиомерногоизбытка. Существуетнесколькоспособовразделения: расщеплениечерездиастереомеры,хроматографическоерасщепление,механическоерасщепление,ферментативноерасщеплениеиустановлениеоптическойчистоты. Литература
1. АблесимовН.Е. Синопсисхимии: Справочно-учебноепособиепообщейхимии. - Хабаровск: Изд-воДВГУПС,2005. 2. БакстонШ., РобертсС. введениевстереохимиюорганическихсоединений. - М.: Мир,2005. 3. ВайленС. ДойлМ. ИлиелЭ. Бином. Лабораториязнаний - 2007. 4. ЕльницкийА.П. Номенклатураорганическихсоединений. Мн.: Сэр-Вит,2003 5. ИлиэлЭ. Основыстереохимии. М.: Мир,1971. 6. КимА. МОрганическаяхимия: Учеб. пособие. - 3-еизд., испр. идоп. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во,2002 7. НоградиМ. Стереохимия. - М.: Мир,1984
|
||
Последнее изменение этой страницы: 2021-01-08; просмотров: 103; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.216.208.243 (0.02 с.) |