Геометрические изомеры различаются. Пространственная изомерия. II.8. Стереохимия циклических соединений

Стереохимия алкенов. Методы синтеза.

Лекция 8

Вследствие жёсткости двойной связи (отсутствие вращения) замещённые алкены могут существовать в виде геометрических изомеров. Геометрические изомеры имеют одинаковое химическое строение (одинаковый порядок химических связей), но разное пространственное строение, т.е. они различаются конфигурацией. Это является причиной различия в физических и химических свойствах геометрических изомеров. В отличие от конформеров, геометрические изомеры при обычных условиях представляют собой устойчивые вещества, для их взаимного превращения необходима значительная энергия (125−170 кДж/моль). Наиболее простой пример – это 1,2-дизамещённые цис-,транс-изомеры этиленового ряда.

Слова цис- и транс- обозначают на латинском языке “по эту сторону” и “по ту сторону”. Как известно, ещё римские Цезари различали цисальпийскую и трансальпийскую Галлию. При чём, трансальпийская находилась за Альпами, на противоположной стороне от Римской империи. В приведённых примерах, очевидно, транс-изомерами называют те у которых одинаковые заместители находятся по разные стороны от плоскости двойной связи.

Ситуация с номенклатурой усложняется если в алкене присутствуют более двух заместителей при двойной связи. В этих случаях цис- ,транс-номенклатура неприменима и приходится пользоваться более общей (Z,E)-номенклатурой. В Z,E-системе старшинство определяется атомным номером заместителя непосредственно присоединённого к двойной связи. Если старшие заместители расположены по одну сторону от плоскости кратной связи, то изомер относят к Z-ряду (от нем. zusammen – вместе), если по разные то к E-ряду (от нем. entgegen – напротив). Если атомы, связанные непосредственно с ненасыщенными атомами углерода, одинаковы, то переходят к рассмотрению атомов “второго слоя”, при необходимости “третьего” и т.д.

При определении старшинства заместителей используются те же принципы, что и в номенклатуре КИП (см. (R,S)-номенклатура).

Несколько более сложных примеров, когда в соединении имеется несколько кратных связей, а также номенклатура сопряжённых диенов, замещённых алленов и сходных с ними классов органических соединений, приведено ниже.

В 1,3-диенах делокализация электронов π-систем повышает порядок центральной связи по сравнению с изолированной простой связью. И хотя центральная связь не становится двойной, она приобретает некоторую степень жёсткости, в результате чего повышается популяция одной из двух возможных конформаций, по сравнению с ожидаемым при свободном вращении вокруг С 2 -С 3 связи. В этом случае используют стереохимические обозначения s-цис- и s-транс. Очевидно, s-транс-конформация должна быть более выгодной по сравнению с s-цис-.

Конформеры сопряжённых диенов

Напомним, что изомеры - это соединения, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное расположение атомов.

Среди различных типов изомеров можно выделить два главных. Структурные изомеры, как мы уже указывали выше, имеют одинаковую молекулярную формулу, но их атомы связаны между собой в разной последовательности. Стереоизомеры тоже имеют одинаковую молекулярную формулу и даже одинаковую последовательность связывания атомов, но отличаются различным пространственным расположением своих атомов. Стереоизомеры в свою очередь подразделяются на две категории: геометрические и оптические изомеры.

Прежде чем перейти к рассмотрению стереоизомерии каждого типа, хотелось бы отметить, что изомеры, как структурные, так и стерео, - это соединения, которые можно отделить друг от друга и которые обладают различными физическими и/или химическими свойствами.

Стереоизомерию обнаруживают не только органические, но и неорганические соединения. Например, соединение обнаруживает геометрическую изомерию, а октаэдрический комплексный ион обнаруживает оптическую изомерию.

Геометрическая изомерия

Геометрические изомеры, как показывает их название, отличаются геометрическим расположением своих атомов. В качестве примера приведем 1,2-дибромоэтен -дибромоэтилен). Он имеет молекулярную формулу и структурную формулу Молекула со структурной формулой может иметь два разных геометрических расположения атомов. Соединения с такими расположениями атомов называются цис- и транс-изомерами. Эти изомеры заметно различаются по физическим свойствам. Например, они имеют явно различные температуры плавления и

Слово «цис» означает «с той же стороны», а «транс» - «с противоположной стороны». Указанный тип изомерии иногда называют цис-транс-изомерией. Двойная связь в молекуле удерживает атомы в одном из этих двух положений. Вращение вокруг двойной связи невозможно. Сопоставим 1,2-дибромоэтилен с 1,2-дибромоэтаном. В последнем соединении возможно свободное вращение вокруг простой углерод-углеродной связи, поэтому изображенные ниже молекулы не являются изомерами:

Эти два расположения эквивалентны шахматной и заслоненной конформациям, которые обсуждались выше. Молекула может в один момент времени находиться в шахматной конформации, а в следующий момент времени уже в заслоненной конформации. Поэтому невозможно выделить молекулы в какой-либо одной конформации. Поскольку пространственное расположение атомов ничем не фиксировано и поскольку невозможно выделить молекулы с одной конформацией, нельзя рассматривать различные конформации как изомеры.

В заключение следует отметить, что соединение с молекулярной формулой может существовать в виде одного из двух структурных изомеров. Один из них имеет структурную формулу которой, как было показано выше, в свою очередь могут соответствовать два геометрических изомера. Другой структурный изомер имеет структурную формулу Эта структура не имеет геометрических изомеров. Формулы представляют собой просто две разные формы записи одной и той же структуры. Они соответствуют одному и тому же соединению.

Хорошим примером, на котором можно проиллюстрировать различие химических свойств у геометрических изомеров, являются геометрические изомеры бутендиовой кислоты (рис. 17.26). Ее -изомер, имеющий тривиальное название «малеиновая кислота», характеризуется температурой плавления 139-140 °С. При нагревании до 160°С или до 100°С при пониженном давлении малеиновая кислота теряет воду и превращается, с низким выходом, в ангидрид малеиновой кислоты (рис. 17.26, а). транс-Изомер бутендиовой кислоты, имеющий тривиальное название «фумаровая кислота», характеризуется температурой плавления 287 °С. При нагревании до 290 °С фумаровая кислота возгоняется. При дальнейшем нагревании до температуры 300 °С происходит ее перегруппировка с образованием -изомера (малеиновой кислоты) и небольшого количества ангидрида малеиновой кислоты (рис. 17.26,б). Механизм этой реакции включает разрыв -связи между двумя атомами углерода. За этим следует вращение вокруг -связи (рис. 17.26, в) до тех пор, пока не образуется новая -связь.

Рис. 17.26. Геометрическая изомерия.

Оптическая изомерия

Если в органическом соединении к какому-либо атому углерода присоединены четыре различных атома или группы, такой атом называется асимметрическим или хиральным. Молекула, содержащая один или несколько асимметрических атомов углерода, обычно, хотя и не всегда, тоже является асимметрической (хиральной). Примером соединения с одним асимметрическим атомом углерода является 2-гидроксипропа-ыовая (молочная) кислота. Ее центральный атом углерода является асимметрическим, потому что с ним связаны четыре различных атома или группы. Такую молекулу никакими вращениями в пространстве невозможно совместить с ее зеркальным отображением (рис. 17.27). Поэтому две молекулы, которые являются зеркальными отображениями Друг друга, представляют собой изомеры. Они называются энантиомерами.

Энантиомеры могут существовать изолированно друг от друга либо в виде смеси. Смесь, содержащая эквимолярное количество (равное число молей) каждого из двух энантиомеров, называется рацемической смесью. Разделение рацемической смеси на два

Рис. 17.27. 2-Гидроксипропановая (молочная) кислота.

чистых энантиомера называется расщеплением. Кристаллы двух энантиомеров представляют собой зеркальные отображения друг друга.

Энантиомеры различаются только по оптической активности, все остальные физические и химические свойства их одинаковы.

Хиральность

Если рассматривать в зеркале свою левую руку, она выглядит в точности так. как правая рука. Таким образом, левая и правая руки человека являются зеркальными отображениями друг друга. Теперь представьте себе мысленно, что вы поменяли местами левую и правую кисти рук. При этом как бы вы ни старались их повернуть - вверх ладонью или вниз - левая рука никогда не будет идентична правой и, наоборот, правая - левой. Таким образом, хотя правая рука является зеркальным отображением левой руки, одну из них никак нельзя совместить с другой. В этом и заключается свойство, называемое хиральностью. Это понятие распространяется на все эквивалентные, но левосторонние и правосторонние объекты, например на ноги. Слово «хиральность» происходит от греческого слова, означающего руку.

Хиральность обусловлена отсутствием симметрии, т.е. асимметрией. Любая пара предметов, которые являются зеркальными отображениями друг друга, но не могут быть совмещены никакими поворотами, является парой асимметрических предметов.

Что такое оптическая активность? Луч обычного света представляет собой поток электромагнитных волн, колебания которых происходят во всех направлениях под прямым углом к направлению распространения луча света. На рис. 17.28,а схематически изображен пучок света, колебания в котором происходят по четырем разным направлениям, т.е. в четырех разных плоскостях. В правой части рисунка показано также поперечное сечение этих плоскостей. Свет, колебания которого происходят только в одной плоскости, называется плоскополяризованным. Такой свет схематически изображен на рис. 17.28, б.

Соединение, способное вращать проходящий сквозь него плоскополяризованный свет таким образом, что после этого колебания света происходят уже в другой плоскости, называется оптически активным. Для того чтобы соединение было оптически активным, оно должно состоять из асимметрических молекул (или ионов). Все

Рис. 17.28. Неполяризованный (а) и плоскополяризованный (б) свет.

соединения, содержащие один асимметрический атом углерода, обнаруживают оптическую активность.

Таким свойством обладают все энантиомеры. Поэтому иногда их еще называют оптическими изомерами. Если один энантиомер вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, то другой энантиомер вращает его обязательно против часовой стрелки. Вещества, вращающие плоскость поляризации света по часовой стрелке, называются правовращающими (рис. 17.29). Правовращающий энантиомер обозначается символом Вещества, вращающие плоскополяризованный свет против часовой стрелки, называются левовращающими. Левовращающий энантиомер обозначается символом

Оптическая изомерия имеет огромное значение в биохимии. Например, все аминокислоты, из которых осуществляется синтез белков, обладают оптической активностью, за исключением простейшей аминокислоты первого члена ряда аминокислот, которая не содержит асимметрического атома углерода. На рис. 17.30 показаны аминокислоты, систематическое название (по номенклатуре ИЮПАК) которой - 2-аминопропановая кислота, а тривиальное название - аланин. В природе встречается только этой аминокислоты (на рисунке он изображен слева). Если заменить группу в аланине произвольной группой R, то нетрудно видеть, что все остальные встречающиеся в природе аминокислоты имеют такую же конфигурацию, как у Однако знак вращения может быть либо в зависимости от конкретного характера группы R. Оптической активностью обладают также многие углеводы. В качестве примера приведем глюкозу.

Рис. 17.29. Оптическое вращение.

Рис. 17.30. 2-Аминопропановая кислота (аланин).

Мы уже отмечали, что пара энантиомеров всегда обладает одинаковыми химическими и физическими свойствами, за исключением оптической активности. Однако химическая активность каждого соединения из пары энантиомеров может оказаться совершенно различной в реакциях с другими оптически активными соединениями. Такой стереоспецифичностью характеризуются многие биохимические реакции. Это особенно относится к ферментам.

Поляриметр

Угол вращения плоскости поляризации света каким-либо энантиомером определяется его природой и, таким образом, является одной из его характеристик. Для измерения этого угла вращения используется специальный прибор - поляриметр (его схема показана на рис. 17.31). В этом приборе обычно используется монохроматический источник света, например натриевая лампа. Монохроматический свет характеризуется одной длиной волны, тогда как обычный белый свет представляет собой смесь со всеми длинами волн в пределах видимого диапазона. Монохроматический свет не поляризован. Поэтому его предварительно пропускают через поляризатор, который превращает его в плоскополяризованный свет. Затем плоскополяризованный свет пропускают через кювету с раствором того вещества, для которого производится измерение угла оптического вращения. Свет, выходящий из кюветы с образцом, имеет плоскость поляризации, повернутую по часовой стрелке или против часовой стрелки на некоторый угол, который и подлежит измерению. Направление вращения определяется по отношению к наблюдателю, а угол вращения определяется с помощью специального анализатора, который имеется в поляриметре. Анализатор представляет собой такое устройство, которое пропускает только плоскополяризованный свет. Сначала он устанавливается так, чтобы пропускать плоскополяризованный свет, вышедший из поляризатора, но не повернутый образцом. Плоскополяризованный свет, повернутый образцом, не может пройти через анализатор, который находится в исходном положении. Тогда анализатор медленно поворачивают до тех пор, пока он не станет максимально пропускать свет, прошедший сквозь кювету с образцом. В таком положении плоскость пропускания анализатора совпадает с плоскостью поляризации света, прошедшего сквозь образец (рис. 17.31, б). Разность углов между исходным и окончательным положениями анализатора определяет угол оптического вращения исследуемого вещества.

Рис. 17.31. Схема устройства поляриметра.

Лабораторный поляриметр.

Соединения, содержащие два или несколько асимметрических атомов углерода

Соединение, содержащее два или несколько асимметрических атомов углерода, может существовать в виде трех или большего количества стереоизомеров. В качестве примера рассмотрим 2,3-дигидроксибутандиовую кислоту (ее тривиальное название - винная кислота). В этом соединении имеются два асимметрических атома углерода, которые помечены звездочками на рис. 17.32. 2,3-Дигидроксибутандиовая кислота имеет три стереоизомера. Их ньюменовские проекции показаны на рис. 17.32. Все три изомера могут существовать в шахматной, заслоненной или промежуточной, скрученной, конформациях. Два из трех изомеров полностью асимметрические. Они не имеют ни плоскости симметрии, ни центра симметрии, как бы ни была ориентирована одна половина по отношению к другой. Эти два изомера представляют собой несовместимые зеркальные отражения один другого. Поэтому они образуют пару энантиомеров. На рис. 17.32 они показаны в шахматной конформации. Два асимметрических атома углерода одного из этих энантиомеров вращают плоскополяризованный свет вправо. Следовательно, этот энантиомер является правовращающим и обозначается символом (+). Асимметрические атомы углерода в другом энантиомере вращают плоскополяризованный свет влево. Следовательно, этот энантиомер является левовращающим и обозначается символом (-).

Третий стереоизомер тоже имеет два асимметрических атома углерода, но в целом его молекула симметрична. Она имеет плоскость симметрии, перпендикулярную линии связи между двумя центральными атомами углерода. Этот стереоизомер показан в заслоненной конформации на рис. 17.32. Поскольку его молекула симметрична, она не является оптически активной. Один из ее асимметрических атомов углерода вращает

Рис. 17.32. 2,3-Дигидроксибутандиовая (винная) кислота.

плоскополяризованный свет вправо, а другой - вращает его на такой же угол влево. Результирующий эффект оказывается равным нулю.

Если какой-либо стереоизомер, содержащий два или несколько асимметрических атомов углерода, является оптически неактивным из-за наличия симметрии у его молекулы, то он считается внутренне скомпенсированным. Стереоизомер, который не обладает оптической активностью (и, следовательно, не является энантиомером), называется диастереоизомером. Таким образом, изображенный на рис. 17.32 изомер в заслоненной конформации представляет собой диастереоизомер.

Рацемическая смесь двух энантиомеров тоже является оптически неактивной, поскольку правовращающее действие одного энантиомера компенсируется левовращающим действием другого энантиомера. Результирующее вращение оказывается равным нулю. Рацемическую смесь обозначают символом (+) и считают внешне скомпенсированной.

Итак, повторим еще раз!

1. Метан имеет тетраэдрическую молекулярную структуру.

2. Этилен имеет плоскую молекулярную структуру.

3. Ацетилен имеет линейную молекулярную структуру.

4. р-Электроны в циклической структуре ароматического соединения делокализованы, образуя -электронное облако.

5. Конформации - это различные пространственные расположения атомов в молекуле.

6. Шахматная и заслоненная конформации - это предельные типы конформаций. Скрученные конформации представляют собой промежуточные случаи между этими двумя предельными конформациями.

7. Циклическая структура циклогексана может иметь конформацию кресла либо конформацию ванны.

8. Стереоизомеры имеют различное пространственное расположение своих атомов.

9. Геометрические изомеры различаются геометрическим расположением своих атомов. Цис-транс-изомерия является примером изомерии такого типа.

10. Оптическими изомерами являются молекулы, которые представляют собой несовместимые зеркальные отражения друг друга. Они называются также энаптиомерами.

11. Рацемическая смесь содержит эквимолярные количества каждого из пары энантиомеров. Такая смесь является оптически неактивной.

12. Соединение, которое вращает плоскополяризованный свет, называется оптически активным.

13. Молекулы оптически активного соединения являются асимметрическими.

14. Для измерения угла вращения плоскополяризованного света каким-либо энантиомером используется поляриметр.

Геометрические изомеры возникают, если свободное враще­ние атомов в молекуле ограничено вследствие наличия двойной связи. Примером такой пары изомеров могут служить малеино­вая (12.23) и фумаровая (12.24) кислоты (цис- и транс- соот­ветственно).

По химическому строению геометрические изоме­ры очень похожи, но они не являются зеркальными отображе­ниями друг друга и не вращают плоскость поляризации света. Как правило, цис- и транс-изомеры значительно отличаются по физическим свойствам. Например, малеиновая кислота (12.23) плавится при 130 °С, величина ее рКа 1,9, она очень хорошо растворима в холодной воде (79 г на 100 мл); константы ее гео­метрического изомера - фумаровой кислоты (12.24) соответ­ственно 287 °С, 3,0 и 0,7 г на 100 мл. Неудивительно, что гео­метрические изомеры обладают разными биологическими свой­ствами и поэтому очень важно при изучении хи­мической формулы нового соединения учитывать все возможно­сти существования изомерии такого типа.

Цис- и транс-изомеры можно легко разделить кристаллиза­цией или хроматографически. Общего метода для превращения одного изомера в другой не существует, однако при нагревании, как правило, образуется наиболее стабильный изомер, а под действием света - менее стабильный. Зрение человека зависит от превращения 11-цис-изомера ретиналя в 11-транс-форму под действием света. Как только возбуждающий луч света исчезает,

этот каротиноидный пигмент снова переходит в цис-форму, пре­рывая тем сй^ым идущий к мозгу импульс .

Цис- и транс-изомеры существуют и у плоского циклопента­нового кольца, представляющего собой как бы большую двой­ную связь. Хотя циклогексановое кольцо вообще не плоское, оно тем не менее достаточно плоское для образования цис- и транс­изомеров. Так, существуют и доступны как цис- (12.25), так и транс- (12.26) формы диаминоциклогексана. Одна и та же моле­кула может образовывать и геометрические, и оптические изо­меры. Например, транс-изомер (12.26) может быть разделен на (S,S) (12.27) и (R,R) (12.28) хиральные изомеры. Однако цис-изомер на хиральные формы разделен быть не может, так как в нем существует плоскость симметрии. У бензольного кольца нет геометрических изомеров, так как у каждого атома углерода кольца только один заместитель.

Стереоизомеры 1,2-диаминоцинлогенсана

Иногда бывает трудно выбрать два из четырех заместителей при двойной связи для определения цис- или транс-конфигура­ции. Правило последовательности предписывает выбирать заме­стителей с наиболее тяжелыми атомами, при этом цис-форма обозначается буквой Z (от немецкого слова zusammen), а транс­форма- буквой Е (entgegen). Иногда в названиях соединений, в которых геометрическая изомерия может проявиться много­кратно, заместитель, имеющий самый маленький номер (по правилу нумерации), обозначают буквой г, а обозначения с-(цис) и t-(транс) перед другими заместителями показывают их положение по отношению к г-заместителю.

Аналогично индол-3-илуксусной кислоте (4.82), стимулирую­щей рост растительных клеток, могут действовать и другие кар­боновые кислоты, карбоксильная группа которых находится под углом к плоскости ароматического кольца. Геометрическая изо­мерия ограничивает возможность такого расположения двух за­местителей, поэтому из коричных кислот активен только цис­изомер . У 2-фенилциклопропан-1- карбоновой и 1,2,3,4-тетрагидронафталиден-1-уксусной кислот также активны только цис-изомеры . На молекулярных моделях видно, что кольцо и кар­боксильная группа в транс-изомере (неактивном) этих веществ лежат в одной плоскости, в то время как в цис-форме (актив­ной) они некопланарны. Впервые указал на эту связь между

некопланарностью и стимулирующей рост активностью Veidstra. Некопланарность может возникнуть и вследствие стерических препятствий. Так, бензойная кислота имеет плоскую форму и не активна, а 2,6-дихлорбензойная и 8-метил-1-нафтойная кислоты непланарны и биологически активны .

В аналогах ауксинов карбоксильная группа может быть за­менена и на другие электроноакцепторные группы (-CN, -NO 2 , -SO3H), при этом биологическая активность лишь не­значительно уменьшается. О связи между структурой и действи­ем в этой серии см. Koepfli, Thimann, Went (1938) и Veidstra (1963).

Геометрическая изомерия стероидов заслуживает специаль­ного рассмотрения. На формуле (12.29) приведена общая струк­тура этой группы природных насыщенных соединений (показана нумерация атомов углерода и буквенные обозначения четырех циклов). В природных стероидах кольца В и С находятся в транс-сочленении, причем оба они закреплены в конформации кресла. В сердечных гликозидах сочленение циклов С и D име­ет цис-конфигурацию, но в гормонах животных, стеринах и желч­ных кислотах - транс-сочленение. У большинства биологически активных стероидов кольца А и В находятся в транс-сочлене­нии («5а»-ряд, называвшийся ранее «алло»). Каждое из колец в молекуле стероидов образует складки, что хорошо видно на боковой проекции формулы (12.30).

Обозначение «5а» говорит о том, что атом водорода в поло­жении 5 находится ниже общей плоскости колец. Все замести­тели, расположенные ниже этой плоскости, обозначаются симво­лом «а», а выше - символом «р». а-Заместители обозначают пунктирными линиями, а ^-заместители - сплошными. Символы а- и ^-используют и для других полициклических соединений, например, тритерпенов и алкалоидов. Сложность строения этих соединений затрудняет использование R- и S-номенклатуры.

Как правило, у млекопитающих высокая биологическая ак­тивность стероидных соединений связана с отсутствием а-заме- стителей в положениях 1, 9, 11-13, 17 и отсутствием р-замести- телей в положениях 4-8, 14, 15. Боковая проекция молекулы гидрокортизона иллюстрирует это правило . Первой стадией в биологическом действии сте­роидных гормонов является их влияние на специфический транс­порт белков (разд. 2.4). Предполагают, что с белками стероиды взаимодействуют плоской нижней стороной (a-поверхность) мо­лекулы.

Различные стероиды отличаются друг от друга в основном заместителями R 1 , R 2 и R 3 (12.29), но иногда и степенью нена- сыщенности или наличием других заместителей вне колец. Для того чтобы стероид обладал прогестиновой, андрогенной и кор- тикоидной активностью, как правило, необходимо наличие цик­логексеноновой структуры кольца А. Для проявления активно­сти кортизонового типа необходимы атомы кислорода в положе­ниях 3, 11 и 17 и характеристичная группа -СО-СН 2 ОН в по­ложении 17. Андрогенная и кортикоидная активность в большей степени зависит от этих деталей строения молекулы, однако прогестиновая активность сохраняется, если ацетильная группа в положении 17 находится в a-конфигурации, не встречающейся в природных соединениях, а замена метильной группы в поло­жении 18 на этильную приводит даже к усилению этой актив­ности (пероральный контрацептив норгестрел).

Из всех стероидных гормонов наименее жесткие требования к структуре предъявляют соединения, обладающие эстрогенной активностью. При условии ароматизации кольца А и наличии кислой гидроксильной группы в положении 3 строение осталь­ной части молекулы имеет второстепенное значение. В 1938 г. появились простые высокоэффективные бензольные аналоги стероидных эстрогенов. Хотя считалось, что их молекулы по форме похожи на молекулы стероидов, в действительности меж­ду ними не так уж много общего. По данным рентгенострук­турного анализа молекула диэтилстильбэстрола (12.31) имеет транс-конфигурацию, искаженную из-за стерических затрудне­ний, создаваемых метиленовыми фрагментами двух этильных групп. Поэтому два бензольных кольца образуют с этиленовым фрагментом двугранный угол 63°, что делает форму молекулы совершенно не похожей на стероидную. Однако в этих молеку­лах примерно одинаково расстояние между атомами кислорода: 1,21 нм в диэтилстильбэстроле и от 1,07 до 1,11 нм в стероид­ных эстрогенах, но все эти молекулы слишком жесткие и поэто­му не способны взаимодействовать с одним и тем же рецепто­ром, в котором фиксировано расстояние между точками связы­вания. Известно, что для проявления эстрогенной активности необходимо образование двух водородных связей рецептора с атомами кислорода лиганда, следовательно, рецептор должен обладать определенной гибкостью . Oki, Urushibara (1952) впервые отметили, что действие диэтилстильбэстрола связано и с толщиной его молекулы, кото­рая составляет 0,45 нм и равна толщине молекул стероидных эстрогенов .

Диэтилстильбэстрол 3,4-ди (4-гидроксифенил) гекс-3-ен

(12.31), эффективный и недорогой заменитель основного женс­кого гормона эстрадиола (12.32), появился в 1938 г. . Этот синтетический лекарственный препарат, отли­чающийся от природного гормона высокой эффективностью при пероральном применении и большей длительностью действия, стал основным препаратом в эндокринной терапии. Некоторое недоверие к этому препарату возникло на основании двух фак­торов: во-первых, его неограниченно применяли для увеличе­ния веса сельскохозяйственных животных, а во-вторых, были отмечены случаи заболевания раком у женщин, матери кото­рых принимали его во время беременности. Несмотря на это, диэтилстильбэстрол продолжают широко применять и считают безопасным средством; его не назначают только в первые три месяца беременности (что, кстати, в равной степени относится и к природному гормону). О применении его фосфата для лече­ния рака предстательной железы см. разд. 4.2. Сходными эст­рогенными свойствами обладает и дигидропроизводное диэтил- стильбэстрола-синэстрол (12.33, а) (конфигурация 3R, 4S). С эстрогенсвязывающим белком (разд. 2.4) он соединяется сильнее, чем сам диэтилстильбэстрол, а еще сильнее взаимодейству­ет с этим белком его низший гомолог-норгексэстрол (12.33, б) .

Сердечные гликозиды рассматриваются в разд. 14.1. Подроб­ное изложение химии и стереохимии стероидов см. Shoppee (1964), биохимии и фармокологии - Briggs, Christie (1977).

Геометрическая изомерия 4-аминокротоновой кислоты, кото­рая помогла определить активную конформацию нейромедиа­тора гамма-аминомасляной кислоты, рассматривается в разд. 12.7.

Причиной возникновения геометрической изомерии является отсутствие свободного вращения вокруг ст-связи. Этот вид изомерии характерен для соединений, содержащих двойную связь, и для соединений алициклического ряда.

Геометрические изомеры - это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, одинаковую последовательность связывания атомов в молекулах, но отличающиеся друг от друга различным расположением атомов или атомных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи или плоскости цикла.

Причиной возникновения данного вида изомерии является невозможность свободного вращения вокруг двойной связи или ст-связей, образующих цикл.

Например, бутен-2 СН3-СН=СН-СН3 может существовать в виде двух изомеров, которые различаются расположением ме-тильных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи:

или т,2-димтетилцитктопропан существует в виде двух изомеров,

которые различаются расположением метильных групп в пространстве относительно плоскости цикла:

/для обозначения конфигурации геометрических изомеров используют цис-, транс-систему. Если одинаковые заместители

3. Изомерия органических соединений. Пространственное строение молекул

ра^п^лиж^пш по одпу сторопу от ттлоскости двойпой ^dajw или

цикла, копфигурацию обозпачают цис-, если по разпые сторо-пы, - транс-.

Для соедипепий, у которых при атомах углерода с двойпой связью паходятся различпые заместители, примепяют Е^-систе-му обозпачепий.

EZ-Система является более общей. Опа примепима к геометрическим изомерам с любым пабором заместителей. В оспове этой системы лежит старшипство заместителей, которое определяют у каждого атома углерода отдельпо. Если старшие заместители из каждой пары расположепы по одпу сторопу от двойпой связи, коп-фигурация обозпачается буквой Z (от пем. zusammen - вместе), если по разпые сторопы,- буквой Е(от пем. entgegen - папротив).

Так, для 1-бром-1-хлорпропепа возможпо два изомера:

старшим! заместителем у одного атома углерода является ме-

тильная группа (заместители 1Н и 6СН3), а у другого - атом брома (заместители 17С1 и 35Вг). В изомере I старшие заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи, ему приписывают Z-конфигурацию, а изомеру II - Е-конфигурацию (старшие заместители расположены по разные стороны плоскости двойной связи).

Геометрические изомеры имеют разные физические свойства (температуру плавления и кипения, растворимость и так далее), спектральные характеристики и химические свойства. Такое различие в свойствах позволяет довольно легко установить их конфигурацию с помощью физических и химических методов.

Геометрическими изомерами являются цис-транс-изомеризм, или изомеризм EZ. Их действия основываются на ограниченном вращении двойных или одинарных углеродных связей в циклических соединениях.В циклическом соединении, вращение между углеродной одинарной связью ограничено и две различные группы присоединены к каждой углеродной изомерии аналогичным образом. Такие геометрические изомеры часто отличаются по своим физическим свойствам. Это связано с формой изомеров и общим дипольным моментом. Если два атома с наивысшим приоритетом остаются на той же стороне изомера, то они обозначаются как Z, и если они находятся в противоположной стороне - E.

Краткая история изомерии

Концепция конституционной изомерии - это значительный шаг вперед в истории современной химии и, особенно в развитии органической химии. Уже к концу 1700-х годов было выделено несколько чистых веществ путем изучения «животной» и «растительной» химии. Многие были получены Карлом Вильгельмом Шееле (1742-1786 гг.). Из-за большого разнообразия органических соединений каждое новое вещество представляло иной элементный состав, который соответствовал обобщенному наблюдению из «минеральной» химии. Количество изолированных органических соединений увеличилось вначале 1800-х годов, с помощью идентификации различных веществ.

В своей книге по истории химии Томас Томсон в 1830 году писал, что:

Берцелиус применил теорию атома также к растительному царству, проанализировав несколько растительных кислот, и показывая свою атомную конституцию, но здесь возникает трудность, которую в нынешнем состоянии наших знаний, мы не можем преодолеть. Есть две кислоты, которые состоят из точно таких же атомов. Теперь, как мы должны учитывать эту поразительную разницу в свойствах? Несомненно, различными способами, в которых атомы расположенных в каждом из них.

Затем Томсон использовал различные схемы атомных символов, используемых в то время, чтобы объяснить, почему две кислоты с одним и тем же элементарным составом, относящихся к геометрическим изомерам имеют разные физические и химические свойства.

До начала XIX века считалось, что эти химические вещества, обнаруженные в живых организмах, обладают особой жизненной силой, связанной с живыми существами, и что они нужны в живых системах для воспроизводства. В 1828 году Велер синтезировал образец мочевины, (NH2) 2CO (также CH4N2O), которая была неотличимой от мочевины, выделенной из биологической мочи.

Он подготовил это «животное» вещество из явно неорганического (минералогического) исходного вещества цианата аммония, (NH4)NCO (также CH4N2O), что является результатом объединения хлорида аммония и цианата серебра. Таким образом барьер между «живой» и «неживой» изомерией рухнул.

В цис-изомере две подобные группы остаются на одной стороне двойной связи, а в транс-изомере они остаются в противоположной стороне. Например, 2-бутен имеет два изомера цис и транс.

В цис-изомере две метильные группы и две водородные группы остаются в одной и той же стороне двойной связи, тогда как в транс-изомере они остаются в противоположной стороне.

Когда одна, или больше групп, связанных с двойной связью, не являются одинаковыми, изомеры называются E или Z. Для уведомления об этом типе пользователю потребуется указать формулы углеводородов, имеющих геометрические изомеры, и определяют атом с наивысшим приоритетом (самый высокий атомный номер), прикрепленный к каждой двойной связи C. Если два атома с наивысшим приоритетом остаются на той же стороне изомера, который обозначен как Z, и, если они находятся в противоположной стороне, обозначаются как E.

Например, 1 - бром - 1 - фторпропан имеет два изомера. В Z-1 - бром - 1 - фторпропане видно, что бром имеет более высокий приоритет или более высокий атомный номер (35), чем фтор (9), которые присоединены к С-1. Углерод имеет более высокое атомное число (6), чем водород (1), который присоединен к С-2 этого соединения. Поскольку атомы углерода с наивысшим приоритетом (из группы -CH3) и брома, присоединенные к этим двум атомам углерода, находятся на одной стороне, это соединение определяется как Z. С другой стороны, в E-1 - бром - 1 - фторпропан атомы с наивысшим приоритетом C и брома находятся в противоположной стороне, поэтому он называется E-изомером.

Углерод-углеродная двойная связь

Изомеры представляют собой две молекулы, которые имеют один и тот же атомный состав, но не идентичны. Атомы в двух изомерах могут быть связаны в другом порядке (структурная изомерия), или могут быть связаны таким же образом, но имеют другую ориентацию - пространственную стереоизомерию.

Структурный и геометрический изомер в особых случаях - стереоизомер, должен соответствовать двум требованиям:

1. Существует ограниченное вращение в молекуле.
2. Оба атома, участвующие в ограничительной связи, имеют к ним две различные функциональные группы.

Общим примером ограниченного вращения является углерод-углеродная двойная связь. Эти связи включают связь pi, в большинстве условий их разрывать не выгодно.

Геометрические изомеры имеют структуру, которая влияет на физические свойства соединения.

Система Cis/Trans

Именование Cis/Trans является самой простой системой соединений. Сначала идентифицируется самая длинная углеродная цепь в молекуле, а затем идентифицируются функциональные группы, представляющие интерес. В цис- изомере две рассматриваемые группы находятся на одной стороне двойной связи (cis означает "на той же стороне" на латыни). В транс- изомере две рассматриваемые группы находятся на противоположных сторонах двойной связи (транс означает поперек латинского языка). Например, два разных геометрических изомера бутена-2.

Оба атома с двойной связью имеют те же две группы, что и эти две группы, но они на одном из двойных углеродов отличаются друг от друга. Задача усложняется по мере того, как боковые цепи и функциональные группы становятся более сложными.

В официальной системе именования IUPAC используется обозначение E/Z. Специфической связи между цис/транс и E/Z нет, и эти две системы не являются взаимозаменяемыми. Обозначение E/Z использует правила приоритета Cahn-Ingold-Prelog, и считаются более надежными. Название IUPAC для фумаровой кислоты представляет собой транс-изомер с формулой HO2CCH=CHCO2H, а малеиновая кислота представляет собой цис-бутендиовую кислоту.

IUPAC - это Международный союз чистой и прикладной химии, который устанавливает международные правила и стандарты для обозначения химических веществ на всех языках.

В циклическом соединении вращение между углеродной одинарной связью ограничено. Таким образом, для этого типа соединений также возможна изомерия, если к каждому углероду присоединяются две разные группы. Существует два изомера 1,2-диметилциклопропана.

Один из них представляет собой цис-изомер, где две метильные группы находятся на одной стороне, а другая представляет собой транс-изомер, где две метильные группы находятся на другой стороне.

Геометрические изомеры различаются по своим физическим свойствам. Это связано с формой изомеров и общим дипольным моментом. Например, они отличаются точкой кипения. Точка кипения цис- и транс-изомеров 1,2-дихлорэтилена составляет 60,3 °C и 47,5 °C, соответственно.

В цис-изомере присутствие двух дипольных связей (C-Cl) дает общий молекулярный диполь. Это приводит к межмолекулярным диполь-дипольным силам. Для этой силы цис-изомер имеет большую температуру кипения, чем транс-изомер, где две дипольные связи (C-Cl) отменены из-за их положения в противоположном направлении.

Причина, по которой невозможно вращать углерод-углеродную двойную связь, состоит в том, что есть две связи, соединяющие атомы углерода вместе и придется разорвать связь pi. Связи pi образуются при боковом перекрытии между p-орбиталями. Если попытается повернуть углерод-углеродную двойную связь, p-орбитали больше не будут выстраиваться в линию, и поэтому связь pi будет нарушена. На это затрачивается энергии, и это происходит только в том случае, если соединение сильно нагревается.

Очень легко пропустить важные элементы геометрических изомеров во время построения структурных формул при сокращении. Например, очень заманчиво рисовать but-2-ene.Если пользователь напишет это неправильно, то соединение уже не будет изомером. Если есть хоть малейший намек на то, что может быть использован изомер, всегда необходимо использовать соединения, содержащие углерод-углеродные двойные связи, показывающие правильные углы (120°) вокруг атомов углерода на концах связи. Другими словами, необходимо использовать формат, показанный на рисунке.

Соединения, содержащие углерод-углеродную двойную связь, имеют ограниченное вращение. Чтобы получить изомеры, должны быть выполнены обязательные условия:

• ограниченное вращение, обычно, включающее углерод-углеродную двойную связь;
• две разные группы на левом конце связи и две разные группы на правом конце.

Не имеет значения, совпадают ли левые группы с правыми или нет.

Геометрические изомеры алкенов включают ряд соединений, которые состоят из атомов С и Н в цепи углерода. Эта группа включает гомологичную серию с формулой CnH2n. Простейший алкен - этен, имеет два атома С и формулу C2H4.

Структурная формула для этена представлена на рисунке выше. В более длинных алкеновых цепях дополнительные атомы углерода присоединены друг к другу с помощью одних ковалентных связей. Каждый атом углерода также присоединен к достаточным атомам водорода для получения в общей сложности четырех одиночных ковалентных связей.

В цепях с четырьмя и более атомами С, двойная связь может быть расположена в разных положениях, что приводит к образованию структурных изомеров. В дополнение к структурным изомерам алкены также образуют стереоизомеры. Поскольку вращение вокруг множественной связи ограничено, группы, присоединенные к атомам с двойной связью, всегда остаются в одинаковых относительных положениях.

Эти «заблокированные» позиции позволяют химикам идентифицировать различные изомеры из заместителей для того, чтобы определить, какое вещество имеет геометрические изомеры. Например, один структурный изомер C5H10 имеет следующие стереоизомеры.

Изомер слева, в котором два заместителя (метильная и этильная группы) находятся на одной стороне двойной связи, называют цис-изомер, тогда как изомер справа с двумя неводородными заместителями на противоположных сторонах является транс-изомером.

Например, хлор имеет приоритет, потому что он тяжелее. С правой стороны бром превосходит углерод. В-третьих, определяются положения двух атомов более высокого ранга. Если два атома находятся в цис-положении, расположение Z (с немецкого zusammen, что означает «вместе»). Если атомы, или группы, находятся в транс-положении, расположение E (от немецкого entgegen, что означает «противоположность»).

Геометрические изомеры бутен представляет собой алкен с жесткой двойной связью. Это означает, что на самом деле существует четыре изомера, а не три, в позиции двойной связи. Существует пятый и шестой углеводород того же состава, но они не являются алкенами, несмотря на ту же формулу.

Кольцевое образование циклобутана или метилциклопропана занимает пространство двух атомов водорода, как двойная связь, что приводит к тому, что они имеют формулы, идентичные различным бутенам.

Геометрические изомеры примеры:

• 1-butylene (1-butene);
• iso-butylene (2-methyl-propene);
• cis-2-butylene (cis-2-butene);
• trans-2-butylene (trans-2-butene).

И бонусы: циклобутан и метилциклопропан, - оба из которых имеют ту же эмпирическую формулу, что и изомеры бутена, но не являются алкенами. Первое имя - это «общее» или «тривиальное» имя, а имя в круглых скобках - это имя IUPAC.

Бутен имеет множество применений, от топлива в автомобиле до продуктовых сумок, которые носят ежедневно сотни миллионов жителей планеты. Химическая формула для бутена: C4H8, что означает, что она состоит из четырех атомов С и восьми атомов Н, соединение относится к алкену.

Существует несколько различных изомеров или молекулярных структур, которые могут образовывать это соединение (в скобках указаны названия IUPAC):

• alpha-butylene (but-1-ene);
• cis-beta-butylene - ((2Z)-but-2-ene);
• trans-beta-butylene - ((2E)-but-2-ene);
• isobutylene (2-methylprop-1-ene).

Хотя все они имеют одну и ту же формулу, их структуры различаются. Соотношения между каждым из этих геометрических изомеров в основном конституциональны, что означает, что они имеют одну и ту же молекулярную формулу, но разные связи. Исключением является цис-бета-бутилен и транс-бета-бутилен.

Многие знают, что транс-жиры вредны для человека, а ненасыщенные жиры полезные для него. Единственная разница между этими двумя жирами заключается в том, что у одного есть транс-связь, а у другого есть цис-связь, тем не менее эта небольшая дифференциация может существенно повлиять на функцию молекулы.

С цис-бета-бутиленом и транс-бета-бутиленом атомы находятся в одном порядке, но полярности различны. Цис-изомер является полярным, причем обе группы СН3 находятся на одной стороне. Это делает его действительно громоздким и сложным.Транс-изомер является неполярным, объемные группы CH3 чередуются, что дает больше места в молекуле. Это соотношение называется цис-транс-изомерией. Цис-изомеры являются полярными, тогда как транс-изомеры такими не являются.

Несмотря на то что каждый из этих изомеров бутена состоит из одних и тех же материалов, каждый из них имеет разные физические свойства. Например, точка кипения:

1. Цис-бета-бутилен: 3,7 °C.
2. Транс-бета-бутилен: 0,8 °C.
3. Изобутилен: -6,9 °C.
4. Альфа-бутилен: -6,3 °C.

Материал для производства пластмасс

Бутены представляют собой алкены с четырьмя атомами углерода, C4H8. Существует несколько различных структурных или конфигурационных изомеров бутена, в том числе геометрические и оптические изомеры. Все четыре бутена имеют схожие физические свойства, будучи бесцветными газами, тяжелыми в воде, хорошо растворимы в эфире и алканах. Различия в физических свойствах объясняются структурой молекул. Например, cis-But-2-en имеет более высокую температуру кипения, чем trans-But-2-en, потому что он является более сильным диполем.

Две алкильные группы цис-изомера работают со своим + I эффектом в одном направлении и тем самым усиливают, в то время как две алкильные группы транс-изомеров действуют в противоположных направлениях и, таким образом, ослабляют друг друга. Формулы углеводородов имеющих геометрические изомеры, указывают по стандартам IUPAC. But-1-en имеет такую низкую точку плавления, так как CC одинарная связь между вторым и третьим атомом углерода свободное вращения и этильная группа может, вращаться вокруг оси поворота во всех направлениях.

Это затрудняет классификацию молекулы в твердую кристаллическую структуру. Остальные три бутена с двойной связью между 2-м и 3-м атомом C, очень жесткие и могут быть легко классифицированы в кристаллической структуре. Поэтому они имеют относительно высокие температуры плавления. Эти аргументы не всегда действительны, так как на примере показан 2-Methyl-but-2-en (или изобутен). Две метильные группы с их + I-эффектами действуют в том же направлении, что и cis-But-2-en, и на самом деле должны быть улучшены. Тем не менее изобутен имеет очень низкую температуру кипения только -7 °C.

But-1-en и But-2-ene, используются для получения бутадиена и бутан- 2-ol. Кроме того, алкены используются в качестве алкилирующих агентов. Таким образом, из изобутена и изобутана получают важный топливный 2,2,4-Trimethyl-pentan, более известный как изооктан. Наконец, бутены являются исходными материалами для производства некоторых пластмасс, поскольку их легко полимеризовать. Известный пластик на But-1-en основе, является полибутеном-1, из которого производятся трубы.

Пентан, n-пентан, изопентан

Пентан, или n-пентан, является одним из насыщенных углеводородов алканов. Почти без запаха n-пентан является жидким в условиях окружающей среды и представляет собой изомер геракетхита из 3-х изомеров. Разветвленные жидкие изоалканы C5 - C16 все чаще используются в качестве топлива (Otto, Diesel). Кроме того, эти алканы присутствуют в отопительных маслах и смазочных маслах. Они обеспечивают полное горение. Прежде чем знать характеристику таких соединений нужно указать формулы углеводородов имеющих геометрические изомеры:

1. Физическое состояние - жидкость.
2. Цвет - бесцветный.
3. Запах - почти нет.
4. Легко воспламеним.
5. Пары могут образовывать взрывоопасные смеси под воздействием воздуха.
6. Водорастворимость очень низкая (практически нерастворимая).
7. Очень неустойчивое соединение.

Наиболее важными источниками пентана являются нефтяные масла, которые значительно отличаются по своему составу в зависимости от их происхождения. Разделение происходит посредством фракционной перегонки. Здесь получают следующие фракции:

1. Парафиновое масло (точка кипения> 320 °C).
2. Нефть (точка кипения от 180 до 250 °C).
3. Отопление / дизельное топливо (точка кипения от 250 до 320 °C).
4. Сырой бензин (температура кипения до примерно 180 °C).
5. В лигроине присутствуют разветвленные углеводороды (алканы) от C5 до C10.
6. Сгорание пентана с кислородом (стехиометрическое).
7. Конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Формулы геометрических изомеров: C5H12 + 8O2 ⟹ 5CO2 + 6H2O.

Геометрический изомер пентен-2 является универсальным растворителем. Он используется для вспенивания фенольной смолы и полистирола. Он также необходим в качестве эталонного вещества в газовой хроматографии, и в качестве пропеллента в баллонах для распыления.