Чи оптичні ізомери мають такі сполуки. Просторова ізомерія. Оптично активні речовини

Просторові ізомери (стереоізомери) мають однаковий якісний та кількісний склад та однаковий порядок зв'язування атомів (хімічна будова), але різне просторове розташування атомів у молекулі.

Виділяють два види просторової ізомерії: оптичнаі геометрична.

Оптична ізомерія

У оптичної ізомерії різні фрагменти молекул розташовуються по-різному щодо деякого атома, тобто. мають різну конфігурацію.Наприклад:

Такі молекули не є ідентичними, вони ставляться одна до одної як предмет та його дзеркальне відображення та називаються енантіомерами.

Енантіомери мають властивості хіральності. Найпростіший випадок хіральності обумовлений наявністю в молекулі центру хіральності(Хірального центру), яким може служити атом, що містить чотири різних заступники. Такого атома відсутні елементи симетрії. У зв'язку з цим його також називають асиметричним.

Щоб встановити, чи молекула хіральна, необхідно побудувати її модель, модель її дзеркального зображення (рис. 3.1 , а)і з'ясувати, чи поєднуються вони у просторі. Якщо не поєднуються – молекула хіральна (рис. 3.1, б), якщо поєднуються – ахіральна.

Рис. 3.1.

Усі хімічні властивості енантіомерів ідентичні. Одноманітні та його фізичні властивості крім оптичної активності: одна форма обертає площину поляризації світла вліво , інша - той самий за величиною кут вправо .

Суміш рівних кількостей оптичних антиподів веде себе як індивідуальна хімічна сполука, позбавлена оптичної активності і сильно відрізняється за фізичними властивостями кожного з антиподів. Така речовина називається рацемічною сумішшю, або рацематом.

За всіх хімічних перетвореннях, у яких утворюються нові асиметричні атоми вуглецю, завжди виходять рацемати. Існують спеціальні прийоми поділу рацематів на оптично активні антиподи.

У разі наявності в молекулі кількох асиметричних атомів можлива ситуація, коли просторові ізомери не будуть оптичними антиподами. Наприклад:

Просторові ізомери, які не є енантіомерами по відношенню один до одного, називаються діастереомірами.

Окремий випадок діастереомерів - геометричні (цистраїст-)ізомери.

Геометрична ізомерія

Геометрична (цис-транс-) ізомеріявластива сполукам, що містять подвійні зв'язки (С=С, C=N та ін.), а також неароматичним циклічним сполукам та обумовлена неможливістю вільного обертання атомів навколо подвійного зв'язку або в циклі. Заступники в геометричних ізомерах можуть бути розташовані з одного боку площини подвійного зв'язку або циклу - ^wc-положення, або з різних боків - тирш/с-положення (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Дис-ізомер (а) татранс-ізомер(б)

Геометричні ізомери зазвичай істотно різняться за фізичними властивостями (температур кипіння і плавлення, розчинності, дипольних моментів, термодинамічної стійкості та ін.)

Термін "хіральність" означає, що два предмети знаходяться в такому відношенні один до одного, як ліва і права руки (від грец. chair - рука), тобто. є дзеркальними зображеннями, які збігаються при спробі поєднати в просторі.

Зміст статті

ОПТИЧНА ІЗОМЕРІЯ.«Коли молекула виглядає в дзеркало» Така незвичайна назва була у статті, опублікованій у червневому номері за 1996 рік американського журналу, присвяченого хімічній освіті (Journal of Chemical Education). А на першій сторінці обкладинки цього номера теж був незвичайний малюнок. На боці пса, що добродушно виляє хвостом, була зображена структурна формула пеніциламіну. Пес дивився в дзеркало, а звідти на нього дивився страшний звір із вишкіреною ікластою пащею і вовною, що стала дибки. На боці звіра була зображена та сама структурна формула у вигляді дзеркального відображенням першої. Чому ж фактично одна й та сама речовина має настільки різні обличчя? Пояснюється це особливою властивістю деяких хімічних сполук, яка тісно пов'язана з їхньою оптичною активністю.

Поляризація світла та оптична активність.

На початку 19 ст. англійський фізик, астроном та лікар Томас Юнг показав, що світло можна розглядати як хвилю. Французький фізик Огюстен Френель встановив, що світлові хвилі поперечні: коливання в них відбуваються перпендикулярно напрямку руху (як у хвиль на поверхні води: хвиля біжить вперед, а поплавок на воді коливається вгору вниз). Вже у 20 ст. було встановлено, що світло - це електромагнітна хвиля, на зразок радіохвилі, тільки довжина хвилі у світла набагато менша. Термін «електромагнітна» означає, що світло має електричні та магнітні поля, які здійснюють періодичні коливання, як хвилі на поверхні моря. Нас зараз цікавлять коливання лише електричного поля. Виявляється, ці коливання відбуваються не абияк, а тільки перпендикулярно напрямку світлового променя. У звичайному світлі (його випромінюють, наприклад, сонце, лампи розжарювання) коливання відбуваються випадково, у всіх напрямках. Але, пройшовши через деякі кристали, наприклад, турмаліну або ісландського шпату (прозорий різновид кальциту СаСО 3), світло набуває особливих властивостей: кристал як би «зрізає» всі коливання електричного поля, крім одного, розташованого в певній площині. Образно кажучи, промінь такого світла подібний до вовняної нитки, яку просмикнули через вузьку щілину між двома гострими лезами бритви.

Французький фізик Етьєн Луї Малюс вважав, що світло складається з частинок з двома полюсами «північним» і «південним», і у світлі, що пройшло через ісландський шпат, всі полюси повернуті в один бік. Тому він назвав таке світло поляризованим. Було виявлено, що світло частково поляризується, відбиваючись під деякими кутами від блискучих поверхонь діелектриків, наприклад від скла, або заломлюючись в них. Теорія Малюса не підтвердилася, проте назва лишилася. Око людини не може відрізнити звичайне світло від поляризованої, проте це легко зробити за допомогою найпростіших оптичних приладів поляриметрів; ними користуються, наприклад, фотографи: поляризаційні фільтри допомагають позбутися відблисків на фотографії, що виникають при відбитку світла від поверхні води.

З'ясувалося, що при проходженні поляризованого світла через деякі речовини відбувається цікаве явище: площина, в якій розташовані «стрілки» електричного поля, що коливається, поступово повертається навколо осі, вздовж якої йде промінь. Вперше це явище виявив у 1811 році французький фізик Франсуа Домінік Араго у кристалів кварцу. Природні кристали кварцу мають неправильну асиметричну будову, причому вони бувають двох типів, які відрізняються за своєю формою, як предмет від свого дзеркального зображення. Ці кристали обертають площину поляризації світла у протилежних напрямках; їх назвали право- і лівообертаючі.

У 1815 інший французький фізик Жан Батист Біо і німецький фізик Томас Зеєбек встановили, що деякі органічні речовини (наприклад, цукор або скипидар) також мають цю властивість, причому не тільки в кристалічному, але і в рідкому, розчиненому і навіть газоподібному стані. Так було доведено, що оптична активність може бути пов'язана не лише з асиметрією кристалів, а й з якоюсь невідомою властивістю самих молекул. Виявилося, що, як і у випадку кристалів, деякі хімічні сполуки можуть існувати у вигляді як право-, так і лівообертаючих різновидів, причому найретельніший хімічний аналіз не виявляє між ними ніяких відмінностей! Фактично, це був новий тип ізомерії, яку назвали оптичною ізомерією. Виявилося, що крім право- і лівообертаючих, є і третій тип ізомерів оптично неактивні. Це виявив у 1830 знаменитий німецький хімік Йонс Якоб Берцеліус на прикладі виноградної (дигідроксіянтарної) кислоти НООССН(ОН)СН(ОН)СООН: ця кислота оптично неактивна, а винна кислота точно такого ж складу має в розчині правим обертанням. Пізніше була відкрита і не зустрічається в природі «ліва» винна кислота антипод правообертальної.

Розрізнити оптичні ізомери можна за допомогою поляриметра приладу, що вимірює кут повороту площини поляризації. Для розчинів цей кут лінійно залежить від товщини шару та концентрації оптично активної речовини (закон Біо). Для різних речовин оптична активність може змінюватись у дуже широких межах. Так, у разі водних розчинів різних амінокислот при 25° С питома активність (вона позначається як D і вимірюється для світла з довжиною хвилі 589 нм при концентрації 1 г/мл і товщині шару 10 см) дорівнює 232° для цистину, 86, 2° для проліну, 11,0° для лейцину, +1,8° для аланіну, +13,5° для лізину і +33,2° для аспарагіну. Сучасні поляриметри дозволяють виміряти оптичне обертання з дуже високою точністю (до 0,001°). Подібні вимірювання дозволяють швидко і точно визначити концентрацію оптично активних речовин, наприклад, вміст цукру в розчинах на всіх стадіях його виробництва, починаючи від сирих продуктів і закінчуючи концентрованим розчином і патокою.

Відкриття Пастера.

Оптичну активність кристалів фізики пов'язували з їхньою асиметричністю; повністю симетричні кристали, наприклад, кубічні кристали кухонної солі оптично неактивні. Причина оптичної активності молекул довгий час залишалася абсолютно загадковою. Перше відкриття, що проливало світло на це явище, зробив у 1848 році нікому тоді не відомий Луї Пастер. Ще у студентські роки Пастер цікавився хімією та кристалографією, працюючи під керівництвом фізика Ж.Б.Біо та видного французького хіміка Жана Батіста Дюма. Після закінчення Вищої нормальної школи у Парижі молодий (йому було лише 26 років) Пастер працював лаборантом у Антуана Балара. Балар був уже відомим хіміком, який за 22 роки до цього прославився відкриттям нового елемента брому. Свого асистента він дав тему з кристалографії, не припускаючи, що це призведе до видатного відкриття.

У ході дослідження Пастер отримав кислу натрієву сіль виноградної кислоти C 4 H 5 O 6 Na, наситив розчин аміаком і повільним випарюванням води отримав гарні призматичні кристали натрієво-амонієвої солі C 4 H 3 O 6 NaNH 4 . Кристали ці виявилися асиметричними, одні з них були ніби дзеркальним відображенням інших: у половини кристалів одна характерна грань знаходилася праворуч, а в інших зліва. Озброївшись збільшувальним склом та пінцетом, Пастер розділив кристали на дві купки. Їхні розчини, як і слід було очікувати, мали протилежне оптичне обертання. Пастер не зупинився. З кожного розчину він виділив вихідну кислоту (яка була неактивною). Яке ж було його здивування, коли виявилося, що один розчин - це відома правообертальна винна кислота, а інший - така ж кислота, але обертає вліво!

Спогади очевидців свідчать про неймовірне нервове збудження молодого вченого, яке охопило його цієї хвилини; зрозумівши, що йому вдалося зробити, Пастер вибіг з лабораторії і, зустрівши лаборанта фізичного кабінету, кинувся до нього і, обійнявши, вигукнув: "Я щойно зробив велике відкриття!" А полягало воно в тому, що давно відома неактивна виноградна кислота - це просто суміш рівних кількостей також відомої "правої" винної кислоти і раніше не відомої "лівої". Саме тому суміш не має оптичної активності. Для такої суміші стали застосовувати назву рацемат (від латинського racemus виноград). А два отриманих Пастером антипода винної кислоти отримали назву енантіомерів (від грец. enantios протилежний). Пастер ввів для них позначення L-і D-ізомерів (від латинських слів laevus ? лівий і dexter ? правий). Пізніше німецький хімік Еміль Фішер пов'язав ці позначення з будовою двох енантіомерів однієї з найпростіших оптично активних речовин гліцеринового альдегіду ОНСН 2 СН(ОН) СНО. У 1956 на пропозицію англійських хіміків Роберта Кана і Крістофера Інгольда і швейцарського хіміка Володимира Прелога для оптичних ізомерів були введені позначення S (від лат. sinister ? лівий) і R (лат. rectus ? правий); рацемат позначають RS символом. Однак, за традицією, широко використовуються і старі позначення (наприклад, для вуглеводів, амінокислот). Слід зазначити, що ці літери вказують лише на будову молекули («праве» чи «ліве» розташування певних хімічних груп) і пов'язані з напрямом оптичного обертання; останнє позначають знаками плюс і мінус, наприклад, D(?)-фруктоза, D(+)-глюкоза.

Крім «ручного способу», Пастер відкрив ще два методи поділу рацемату на два антиподи. Біохімічний метод заснований на вибірковій здатності деяких мікроорганізмів засвоювати лише один із ізомерів. Наприклад, грибкова цвіль Penicillum glaucum, що росте на розведених розчинах виноградної кислоти або її солей, «поїдає» тільки правий ізомер, залишаючи без змін лівий.

Третій спосіб поділу рацематів був суто хімічний. Але для нього потрібно було заздалегідь мати оптично активну речовину, яка при взаємодії з рацемічною сумішшю «вибирала» з неї тільки один енантіомер. Наприклад, оптично активна органічна основа давала з виноградною кислотою оптично активну сіль, з якої можна було виділити відповідний енантіомер винної кислоти.

Теорія оптичної ізомерії.

Робота Пастера, що доводить можливість «розщеплення» оптично неактивної сполуки на антиподи ¦ енантіомер, спочатку викликала у багатьох хіміків недовіру. Навіть сам Біо не повірив своєму асистенту, поки власноруч не повторив його досвід і не переконався у правоті Пастера. Ця та подальші роботи Пастера прикували до себе пильну увагу хіміків. Незабаром Жозеф Ле Бель за допомогою третього пастерівського методу розщепив кілька спиртів на оптично активні антиподи. Йоганн Вісліценус встановив, що існують дві молочні кислоти: оптично неактивна, що утворюється в кислому молоці (молочна кислота бродіння), і правообертаюча, яка з'являється в працюючому м'язі (м'ясомолочна кислота). Подібних прикладів ставало все більше, і була потрібна теорія, яка пояснювала, чим відрізняються один від одного молекули антиподів. Таку теорію створив молодий голандський учений Вант-Гофф. Відповідно до цієї теорії, молекули, як і кристали, можуть бути «правими» та «лівими», будучи дзеркальним відображенням один одного. Найпростіший приклад був такий. Атом вуглецю в органічних сполуках чотиривалентний, чотири хімічні зв'язки спрямовані від нього під рівними кутами до вершин тетраедра. Якщо всі атоми або групи атомів, що знаходяться у вершинах тетраедра та пов'язані з центральним атомом вуглецю, будуть різними, то можливі дві різні структури, які не поєднуються один з одним обертанням у просторі. Якщо ж хоча б два заступники з чотирьох будуть однаковими, молекули стануть повністю ідентичними (це легко перевірити за допомогою моделі із сірників та кольорового пластиліну). Подібні структури, які відрізняються одна від одної як права рука від лівої, отримали назву хіральних (від грец. heir ? рука). Таким чином, оптична активність - наслідок просторової ізомерії (стереоізомерії) молекул.

Атом вуглецю, пов'язаний із чотирма різними заступниками, називається асиметричним. Асиметричними можуть бути і атоми інших елементів кремнію, азоту, фосфору, сірки. Однак оптично активними можуть бути сполуки без асиметричних атомів вуглецю, якщо вони можуть існувати у вигляді двох дзеркальних ізомерів. Молекула буде асиметричною, якщо в ній немає жодного елемента симетрії, ні центру, ні осей, ні площини симетрії. Прикладом може служити молекула аллена H 2 C=C=CH 2 , в якій є два різні заступники: R 1 R 2 C=C=CR 1 R 2 . Справа в тому, що ці заступники знаходяться не в одній площині (як, наприклад, у алкенів), а двох взаємно перпендикулярних площинах. Тому можливе існування двох дзеркальних ізомерів, які ніякими переміщеннями та поворотами неможливо поєднати один з одним.

Більш складні відносини зустрічаються у разі молекул із кількома асиметричними атомами вуглецю. Наприклад, у винній кислоті дві гідроксильні групи у двох сусідніх атомів вуглецю можуть бути розташовані так, що молекула виявиться симетричною та дзеркальних ізомерів у неї не буде. Це призводить до утворення ще одного, оптично неактивного, ізомеру, якого називають мезовинною (або антивинною) кислотою. Таким чином, дигідроксіянтарна кислота може перебувати у вигляді чотирьох ізомерів: правообертального (D-винна кислота, яку в медицині називають виннокам'яною), лівообертаючого (L-винна кислота), оптично неактивного (мезовинна кислота), а також у вигляді суміші L- і R -ізомерів, тобто рацемату (i-винна, або виноградна кислота). Оптично активні винні кислоти при тривалому нагріванні водних розчинів рацемізуються, перетворюючись на суміш антиподів.

Ще складніше, коли асиметричних центрів у молекули безліч. Наприклад, у молекулі глюкози їх чотири. Тому для неї теоретично можливе існування 16 стереоізомерів, які утворюють 8 пар дзеркальних антиподів. Вони давно відомі хімікам; це сама глюкоза, а також алоза, альтроза, манноза, гулоза, ідоза, галактоза та талоза. Багато хто з них зустрічається в природі, наприклад, D-глюкоза (але не L-глюкоза, яка була отримана синтетично).

Якщо в речовині порівну «правих» та «лівих» молекул, вона буде оптично неактивною. Саме такі речовини виходять у колбі в результаті звичайного хімічного синтезу. І тільки в живих організмах за участю асиметричних агентів (наприклад, ферментів) утворюються оптично активні сполуки. Звичайно, тут же постало питання про те, як з'явилися на Землі такі сполуки, наприклад, та ж природна правообертальна винна кислота, або «асиметричні» мікроорганізми, які харчуються тільки одним з енантіомерів. Адже за відсутності людини не було кому здійснювати спрямований синтез оптично активних речовин, не було кому розділяти кристали на праві та ліві! Однак подібні питання виявилися настільки складними, що відповіді на них немає й досі. Наприклад, ніхто не знає, чому майже всі природні амінокислоти, з яких побудовані білки, відносяться до L-ряду (S-конфігурація), а їх антиподи лише зрідка зустрічаються у деяких антибіотиків.

Теорія Вант-Гоффа далеко ще не відразу завоювала визнання. Так, видатний німецький хімік-експериментатор Адольф Кольбе (його ім'ям названо кілька органічних реакцій), опублікував у травні 1877 року уїдливу статтю, в якій різко негативно відгукнувся про нову теорію. На щастя, Кольбе опинився в явній меншості, і теорія Вант-Гоффа, яка заклала основи сучасної стереохімії, здобула загальне визнання, а її творець у 1901 р. став першим лауреатом Нобелівської премії з хімії.

Ця теорія дозволила пояснити багато хімічних явищ. Наприклад, у реакціях заміщення атомів галогенів на гідроксильні групи: в оптично активних алкілгалогенідах R X + OH R R + OH + X (X атом галогену) в деяких випадках оптична активність зникає, в інших зберігається, але змінює знак. Виявилося, що ця реакція може йти різними шляхами. Перший механізм включає дисоціацію галогеніду з утворенням проміжних іонів R+, які швидко з'єднуються з аніонами ВІН, даючи продукт реакції спирт. Якщо вихідний галогенід RX мав оптичну активність, вона в результаті цієї реакції втрачається, оскільки гідроксил може підійти до проміжного плоского катіону з будь-якого боку, так що утворюється суміш енантіомерів. Якщо ж реакція йде по другому механізму, аніон OH, підходить до атома вуглецю з боку, протилежного зв'язку C X, і «витісняє» атом галогену у вигляді аніону. Якщо вихідний галогенід R 1 R 2 R 3 CX мав оптичну активність, вона в результаті цієї реакції зберігається, але знак оптичного обертання змінюється на протилежний. Відбувається це тому, що три заступники у асиметричного атома вуглецю R 1 , R 2 і R 3 , що знаходяться, як і атом галогену, у вершинах тетраедра, при підході атакуючого агента гідроксилу змінюють свою конфігурацію щодо четвертого заступника; така зміна конфігурації аналогічна вивертанню парасольки на сильному вітрі.

Оптична ізомерія та життя.

Хіміки часто ставляться до енантіомерів як до однієї сполуки, оскільки їх хімічні властивості ідентичні. Однак їхня біологічна активність може бути зовсім різною. Це стало очевидним після трагічної історії з талідомідом, лікарським засобом, який у 60-ті роки 20 ст. лікарі у багатьох країнах прописували вагітними жінками як ефективне снодійне та заспокійливе. Однак згодом виявилася його жахлива побічна дія: речовина виявилася тератогенною (що пошкоджує зародок, від грецького teratos, потвора, потвора), і на світ з'явилася маса немовлят з уродженими каліцтвами. Лише наприкінці 80-х років з'ясувалося, що причиною нещасть був лише один з енантіомерів талідоміду – його правообертальна форма. На жаль, така відмінність у дії лікарських форм раніше не була відома, і талідомід був рацемічною сумішшю обох антиподів.

В даний час багато лікарських засобів випускаються у вигляді оптично чистих сполук. Так, з 25 найбільш поширених зі США ліків лише шість є нехіральними сполуками, три – це рацемати, інші – чисті енантіомери. Останні отримують трьома методами: поділом рацемічних сумішей, модифікацією природних оптично активних сполук (до них відносяться вуглеводи, амінокислоти, терпени, молочна та винна кислоти та ін.) та прямим синтезом. Наприклад, відома хімічна фірма Merck розробила спосіб виробництва гіпотензивного препарату метилдофа, що включає мимовільну кристалізацію тільки потрібного енантіомер шляхом введення в розчин невеликого затравки цього ізомеру. Прямий синтез також вимагає хіральних джерел, оскільки будь-які інші традиційні методи синтезу дають обидва енантіомери в рівних пропорціях рацемат. Це, до речі, одна з причин дуже високої вартості деяких ліків, оскільки спрямований синтез лише одного з них є дуже складним завданням. Тому не дивно, що з понад 500 синтетичних хіральних препаратів, що випускаються в усьому світі, приблизно десята частина є оптично чистими. У той же час із 517 препаратів, отриманих із природної сировини, лише вісім – це рацемати.

Необхідність в оптично чистих енантіомерах пояснюється тим, що часто тільки один з них має необхідний терапевтичний ефект, тоді як другий антипод може викликати небажані побічні ефекти або навіть бути токсичним. Буває і так, що кожен енантіомер має свою специфічну дію. Так, S(¦)-тироксин («лівотроїд») — це природний гормон щитовидної залози. А правообертальний R(+)-тироксин («декстроід») знижує вміст холестерину в крові. Деякі виробники вигадують для подібних випадків торгові назви-паліндроми, наприклад, Darvon та Novrad.

Чим пояснюється різна дія енантіомерів? Людина – істота хіральна. Асиметрично та її тіло, і молекули біологічно активних речовин, у тому числі воно складається. Молекули хіральних ліків, взаємодіючи з певними хіральними центрами організму, наприклад ферментами, можуть діяти по-різному залежно від того, яким саме енантіомером є ліки. «Правильне» ліки підходить до свого рецептора, як ключ до замку і запускає бажану біохімічну реакцію. Дія ж «неправильного» антипода можна уподібнити спробі потиснути правою рукою праву руку свого гостя.

Якщо ліки – рацемат, то один з енантіомерів може в кращому випадку виявитися індиферентним, у гіршому – викликати абсолютно небажаний ефект. Ось кілька прикладів. Так, антиаритмічний засіб S(¦)-анаприлін діє у 100 разів сильніше, ніж R(+)-форма! У випадку верапамілу обидва енантіомери мають подібний ефект, однак його R(+)-форма має значно менш сильний побічний кардіодепресивний ефект. Застосовуваний для наркозу кетамін може у 50% пацієнтів викликати побічні ефекти у вигляді збудження, абсурду тощо, причому це властиво в основному тільки R()-ізомеру, а також рацемату. У антигельмінтного препарату левамізолу активний в основному в S( ¦)-ізомер, тоді як його R(+)-антипод викликає нудоту, тому свого часу рацемічний левамізол був замінений одним з енантіомерів. Але, виявляється, економічно не завжди є сенс синтезувати чисті ізомери. Наприклад, для широко застосовуваного анальгетика ібупрофену під дією ферментів можлива ізомеризація терапевтично неактивної R( )-форми в активний S(+)-ізомер, тому в даному випадку можна використовувати значно дешевший рацемат.

Різна біологічна дія «правих» та «лівих» ізомерів проявляється не тільки серед лікарських засобів, а в усіх випадках, коли хіральна сполука взаємодіє з живими організмами. Яскравий приклад – амінокислота ізолейцин: її правообертальний ізомер солодкий, а лівообертальний – гіркий. Інший приклад. Карвон - речовина з дуже сильним ароматом (людський ніс здатний відчути його при утриманні в повітрі всього 17 мільйонних часток міліграма в літрі). Карвон виділяють з кмину, в олії якого міститься близько 60%. Однак така сама сполука з тією ж будовою знаходиться в олії кучерявої м'яти, там його вміст досягає 70%. Кожен погодиться з тим, що запах м'яти та кмину зовсім не однакові. Виявилося, що насправді карвонів два «правий» та «лівий». Відмінність у запаху цих сполук показує, що клітини-рецептори в носі, відповідальні за сприйняття запаху, також мають бути хіральними.

Повернемося тепер до формули, зображеної на собаці та вовку. Пеніциламін (3,3-диметилцистеїн) досить просте похідне амінокислоти цистеїну. Цю речовину застосовують при гострих та хронічних отруєннях міддю, ртуттю, свинцем, іншими важкими металами, оскільки вона має здатність давати міцні комплекси з іонами цих металів; комплекси, що утворюються, видаляються нирками. Застосовують пеніциламін також при різних формах ревматоїдного артриту, при системній склеродермії, у ряді інших випадків. При цьому застосовують тільки S-форму препарату, оскільки R-ізомер токсичний і може призвести до сліпоти.

Ілля Леєнсон

Під оптичною активністю речовини розуміють її здатність відхиляти площину поляризованого променя світла вправо чи вліво на певний кут.

Явище оптичної активності було відкрито 1815 року фізиком Ж.Б. Біо (Франція)

В 1848 Луї Пастер, вивчаючи кристали винної кислоти, зауважив, що оптично неактивний Na-амоній тартрат існував у вигляді двох типів кристалів, які були дзеркальними відображеннями один одного. Пастер розділив правоорієнтовані та лівоорієнтовані кристали. Їхні водні розчини виявилися оптично активними. Питоме обертання двох розчинів було однаковим за величиною, але різним за знаком. Оскільки різне оптичне обертання спостерігалося для розчинів, Пастер дійшов висновку, що це властивість характеризує молекули, а чи не кристали, і припустив, що молекули цих речовин є дзеркальними відображеннями одне одного. Це припущення лягло в основу стереохімії, що вивчає просторову будову молекул та її вплив на хімічні та фізичні властивості речовин.

Перша стереохімічна теорія, яка пояснює причини оптичної активності речовин, було створено 1874 року одночасно двома вченими – голландським хіміком Я.Х. Вант-Гофф і французом Ж. Ле Бель. Основою цієї теорії стало уявлення про тетраедрическую модель атома вуглецю, тобто. всі чотири валентності вуглецевого атома лежать над одній площині, а спрямовані до кутів тетраедра.

Як було встановлено, найчастіше оптична активність обумовлена наявністю в молекулі асиметричного вуглецевого атома, тобто. С-атома, всі валентності якого, спрямовані до кутів тетраедра, заповнені різними атомами чи групами атомів (радикалами чи заступниками). Асиметричні С-атоми у хімії позначають *. Наприклад:

гліцериновий альдегід яблучна кислота

Явище оптичної активності пов'язані з наявністю оптичних ізомерів – речовин, мають однаковий порядок зв'язків атомів у молекулі, але різне їх просторове розташування. Оптичні ізомери за просторовим будовою є як дзеркальні відображення одне одного, тобто. дзеркальні антиподи чи енантіомери. Енантіомери відносяться один до одного як права та ліва рука. Усі константи енантіомерів, крім питомого обертання (α), однакові.

Дві форми речовини, що мають дзеркально-протилежні конформації, обертають поляризований промінь світла в протилежні сторони: (+) – вправо, (-) – вліво на той самий кут, називають оптичними антиподами або енантіомерами.

Загальноприйнятий у час умовний спосіб позначення був уперше запропонований Еге. Фішером (1891г.), потім дещо видозмінений М.А. Розановим (1906р.) та докладно обговорений Хадсоном (1949р.). Як стандарт використовується гліцериновий альдегід:

D(+) - гліцериновий L(-) - гліцериновий

альдегід альдегід

Однак виявилося, що приналежність до D(d)-або L(l)-типу конфігурації не завжди означає, що напрямок обертання йде (+) вправо або (-) вліво. Можливі ситуації, що Д – конформація, а обертає площину поляризованого променя вліво (-), або L – конформація, а обертає вправо (+). Тому літерні позначення D(d) або L(l) визначають просторову орієнтацію атомів або атомних груп навколо асиметричного С-атома, а знаки (+) – праве обертання, (-) – ліве обертання.

Суміш (+) і (-) форм (а здебільшого це суміш Д- і L – форм) у співвідношенні 1:1 називають рацемат або рацемічна суміш. Вона оптично неактивна (±). Якщо в органічній сполукі кілька асиметричних С-атомів, кількість оптичних ізомерів визначають за такою формулою:

де N – кількість оптичних ізомерів;

n – кількість асиметричних С-атомів.

Ізомерія молочної кислоти

D(-) – молочна кислота L(+) –молочна кислота

(Утворюється в м'язах при інтенсивній роботі) (Утворюється при скисанні молока)

Ізомерія винної кислоти

Мезовинна кислота L(-) - винна D(+) – винна кислота

У мезоформ одна половина молекули має (+) конфігурацію, інша (-) конфігурацію (наприклад, у мезовинної кислоти). Через війну «внутрішньої компенсації» знака обертання мезо-форми оптично неактивні й на відміну рацематів їх можна розділити на энантиомеры.

Значення оптичної ізомерії

Кожне оптично активне речовина щодо в певних умовах обертає площину поляризації на певний кут, величина якого є постійною і характерною для даної речовини, тобто. такою самою константою, як температура плавлення, температура кипіння речовини, щільність і т.д. Константа, що характеризує оптичну активність речовини, називається питомим обертанням. Таким чином, визначаючи питоме обертання, можна визначити справжність речовини.

Оптична ізомерія має велике біологічне значення. Ферменти, що каталізують біохімічні реакції живих організмах, мають оптичної специфічністю, тобто. вони діють лише на певні оптичні ізомери (наприклад, на Д-моносахариди, на L-амінокислоти тощо). На оптичні антиподи цих речовин ферменти діють, тобто. не залучають їх у метаболізм. Нагромаджуючись у тканинах, такі ізомери можуть викликати патологічні процеси.

Виявляється в тих випадках, коли ізомери однієї і тієї ж сполуки, у зв'язку з різним розташуванням заступників у певногоцентру, не сумісні у просторі. Для похідних аліфатичного ряду ізомерію пов'язана зі стереохімічними особливостями sp 3 гібридного атома вуглецю.

Ще Ле-Бель наприкінці 18 століття припустив тетраедричну структуру атома вуглецю. Якщо атом вуглецю з'єднаний з чотирма різнимизаступниками, утворюється можливість існування 2-х ізомерів, є дзеркальним відображенням одне одного.

Атом вуглецю, що має всі різні заступники називають асиметричнимабо хіральнимцентром («хірос» – рука).

Розглянемо з прикладу перспективних формул:

Стереоізомери I та II не сумісні у просторі, є антиподами або оптичними ізомерами ( енантіомерами, стереомірами).

Проекційні формули Фішера

Розглянемо перспективні формули на іншій площині.

Розташуємо асиметричний центр (атом вуглецю) у площині листа; заступники aі bза площиною листа ( відспостерігача); заступники fі dнад площиною листа ( ближче доспостерігачеві) – відповідно до стрілок, що вказують напрям погляду спостерігача. Отримаємо взаємно перпендикулярний напрямок зв'язків з хіральним центром. Таку побудову ізомерів називають проекційними формулами Фішера.

Таким чином, у проекційних формулах Фішера заступники, розташовані по горизонталі, направлені до спостерігача, по вертикалі – за площину листа.

При побудові проекційних формул найбільш об'ємні заступники мають у своєму розпорядженні по вертикалі. Якщо заступниками є атоми чи малі групи, які мають відношення до головного ланцюга, їх розташовують по горизонталі. Для 2-бромбутану

існують два антипода:

Енантіомери, антиподи, стереоміри практично невиразні за властивостями (t кипіння, t плавлення і т.д.), а також мають подібні термодинамічні константи. У той самий час вони мають відмінності:

4) – тверді антиподи кристалізуються з утворенням дзеркально схожих один на одного кристалів, але не сумісних у просторі.

5) - антиподи обертають площину поляризованого світла на однаковий кут, але у різні боки. Якщо кут обертання світла позитивний (за годинниковою стрілкою), то антипод називають правообертальним, якщо негативний (проти годинникової стрілки), то - лівообертальним.

Кут оптичного обертання плоскополяризованого світла позначають [ α D]. Якщо [ α D]= -31.2°, то досліджувався лівообертальний антипод.

Влаштування поляриметра

Речовини, здатні обертати площину поляризованого світла, називаються оптично активними чи оптично діяльними.

Суміш двох енантіомерів у співвідношенні 1:1 не обертає площину поляризованого світла і називається рацемічною сумішшю рацематом.

Якщо один антипод переважає суміші над іншим, то говорять про його оптичну чистоту (ee). Вона обчислюється за різницею вмісту енантіомерів у суміші.

II - 30%, ee = 70 - 30 = 40 (%)

Вторинні та третинні амінитакож можуть мати оптичну активність. Четвертим заступником є неподілена пара електронів на атомі азоту.

5.4.1 Діастереоміри

Діастереометрія - явище більш суттєво впливає на властивості речовин і спостерігається в тих випадках, коли в поєднанні є два або більше асиметричних центрів. Наприклад:

4-хлорпентанол-2

Зобразимо всі можливі сполуки антиподи (I-IV):

Оптичні ізомери (стереоізомери) однієї і тієї ж сполуки, що не є антиподами, називаються діастереомерами. Тобто пари ізомерів I та III, I та IV, II та III, II та IV є діастереомерними парами. Кількість ізомерів розраховують за формулою: q = 2 n де

q - загальна кількість стереоізомерів,

n – кількість асиметричних центрів (C*).

Наприклад, глюкоза має 4 хіральні центри, тоді q = 2 4 = 16 (D-глюкоза – 8 ізомерів, L-глюкоза – 8 ізомерів).

D-глюкоза

У природі трапляються випадки, коли асиметричні атоми у поєднанні мають однакове оточення. Це призводить до того, що половина антиподів не є оптичною діяльністю.

винна кислота

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

мезоформа

Мезоформа є оптично неактивною формою, що виникає внаслідок внутрішньої симетрії в оптично діяльній речовині.

На відміну від антиподів, діастереомери розрізняються за температурою кипіння, щільністю (d 4 20), показником заломлення (n 4 20) і т.д.

У ввів термін ІЗОМЕРІЯі висловив припущення, що відмінності виникають через «різного розподілу простих атомів у складному атомі» (тобто молекула). Справжнє пояснення ізомерія отримала лише у другій половині ХІХ ст. на основі теорії хімічної будови А. М. Бутлерова (структурна ізомерія) та стереохімічного вчення Я. Г. Вант-Гоффа (просторова ізомерія).

Структурна ізомерія

Структурна ізомерія – результат відмінностей у хімічній будові. До цього типу відносять:

Ізомерія вуглеводневого ланцюга (вуглецевого скелета)

Ізомерія вуглецевого скелета, обумовлена різним порядком зв'язку атомів вуглецю. Найпростіший приклад - бутан СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 та ізобутан (СН 3) 3 СН. Др. приклади: антрацен та фенантрен (формули I та II відповідно), циклобутан та метилциклопропан (III та IV).

Валентна ізомерія

Валентна ізомерія (особливий вид структурної ізомерії), за якої ізомери можна перевести один в одного лише за рахунок перерозподілу зв'язків. Наприклад, валентними ізомерами бензолу (V) є біциклогекс-2,5-дієн (VI, «бензол Дьюара»), призман (VII, «бензол Ладенбурга»), бенвален (VIII).

Ізомерія функціональної групи

Відрізняється характером функціональної групи. Приклад: Етанол (CH 3 -CH 2 -OH) та Диметиловий ефір (CH 3 -O-CH 3)

Ізомерія положення

Тип структурної ізомерії, що характеризується відмінністю положення однакових функціональних груп або подвійних зв'язків при однаковому скелеті вуглецю. Приклад: 2-хлорбутанова кислота та 4-хлорбутанова кислота.

Просторова ізомерія (стереоізомерія)

Енантіомерія (оптична ізомерія)

Просторова ізомерія (стереоізомерія) виникає в результаті відмінностей у просторовій конфігурації молекул, що мають однакову хімічну будову. Цей тип ізомерів поділяють на енантіомерію(оптичну ізомерію) та діастереомерію.

Енантіомерами (оптичними ізомерами, дзеркальними ізомерами) є пари оптичних антиподів речовин, що характеризуються протилежними за знаком і однаковими за величиною обертаннями площини поляризації світла при ідентичності всіх інших фізичних і хімічних властивостей (за винятком реакцій з ін. оптично активними речовинами і фізичних властивостей ). Необхідна та достатня причина виникнення оптичних антиподів - віднесення молекули та однієї з наступних точкових груп симетрії C n, D n, T, O, I (Хіральність). Найчастіше йдеться про асиметричний атом вуглецю, тобто про атом, пов'язаний із чотирма різними заступниками, наприклад:

Асиметричними можуть бути і ін. атоми, наприклад атоми кремнію, азоту, фосфору, сірки. Наявність асиметричного атома є не єдиною причиною енантіомерії. Так, мають оптичні антиподи похідні адамантану (IX), ферроцену (X), 1,3-дифенілаллен (XI), 6,6"-динітро-2,2"-дифенова кислота (XII). Причина оптичної активності останньої сполуки - атропоізомерія, тобто просторова ізомерія, спричинена відсутністю обертання навколо зв'язку. Енантіомерія також проявляється в спіральних конформаціях білків, нуклеїнових кислот, гексагеліцен (XIII).

(R)-, (S)- номенклатура оптичних ізомерів (правило найменування)

Чотирьом групам, приєднаним до асиметричного атома вуглецю C abcd приписується різне старшинство, що відповідає послідовності: a>b>c>d. У найпростішому випадку старшинство встановлюється за порядковим номером атома, приєднаного до асиметричного атома вуглецю: Br(35), Cl(17), S(16), O(8), N(7), C(6), H(1) .

Наприклад, у бромхлороцтовій кислоті:

Старшинство заступників при асиметричному атомі вуглецю таке: Br(a), Cl(b), групи COOH (c), H(d).

У бутанолу-2 кисень є старшим заступником (а), водень - молодшим (d):

Потрібно вирішити питання заступників CH 3 і CH 2 CH 3 . І тут старшинство визначається порядковим номером чи номерами інших атомів групи. Першість залишається за етильною групою, тому що в ній перший атом пов'язаний з іншим атомом С(6) і з іншими атомами Н(1), тоді як в метильній групі вуглець з'єднаний з трьома атомами Н з порядковим номером 1. У більш складних випадках продовжують порівнювати всі атоми, доки доходять до атомів з різними порядковими номерами. Якщо є подвійна або потрійна зв'язку, то атоми, що знаходяться при них, вважаються відповідно за два і за три атоми. Так, групу -COH розглядають як (O, O, H), а групу -COOH - як З(О, Про, ВІН); карбоксильна група старша за альдегідну, оскільки містить три атоми з порядковим номером 8.

У D-гліцериновому альдегіді старшою є група ОН(а), потім слідує CHO(b), CH 2 OH(c) і Н(d):

Наступний етап полягає у визначенні, чи є розташування груп правим, R (лат. rectus), або лівим, S (лат. sinister). Переходячи до відповідної моделі, її орієнтують так, щоб молодша група (d) у перспективній формулі опинилася внизу, і потім розглядають зверху вздовж осі, що проходить через заштриховану грань тетраедра та групу (d). У D-гліцириновому альдегіді групи

розташовані у напрямі правого обертання, і отже, він має R-конфігурацію:

(R)-гліцериновий альдегід

На відміну від D,L номенклатури позначення (R)-і (S)-ізомерів укладають у дужки.

Діастереомерія

σ-діастереомерія

Діастереомірними вважають будь-які комбінації просторових ізомерів, які не становлять пару оптичних антиподів. Розрізняють σ та π-діастереомери. σ-діастеріомери відрізняються один від одного конфігурацією частини наявних у них елементів хіральності. Так, діастеріомери є (+)-винна кислота і мезо-винна кислота, D-глюкоза та D-маннозу, наприклад:

Для деяких типів діастереомерія введені спеціальні позначення, наприклад трео- та еритроізомери - це діастереомерія з двома асиметричними атомами вуглецю і просторів, розташуванням замісників у цих атомів, що нагадує відповідну треозу (родинні заступники знаходяться по різні сторони в проекційних формулах) заступники - з одного боку):

Еритроізомери, яких асиметричні атоми пов'язані з однаковими заступниками, називаються мезоформами. Вони, на відміну від інших σ-діастереомерів, оптично неактивні через внутрішньомолекулярну компенсацію вкладів у обертання площини поляризації світла двох однакових асиметричних центрів протилежної конфігурації. Пари діастереомерів, що відрізняються конфігурацією одного з декількох асиметричних атомів, називаються епімерами, наприклад:

Термін "аномери" означає пару діастереомерних моносахаридів, що відрізняються конфігурацією глікозидного атома в циклічній формі, наприклад аномерні -D- і -D-глюкози.

π-діастереомерія (геометрична ізомерія)

π-діастеріомерами, звані також геометричними ізомерами, відрізняються один від одного різним просторовим розташуванням замісників щодо площини подвійного зв'язку (найчастіше С=З і С=N) або циклу. До них відносяться, наприклад, малеїнова та фумарова кислоти (формули XIV та XV відповідно), (Е)- та (Z)-бензальдоксими (XVI та XVII), цис- та транс-1,2-диметилциклопентани (XVIII та XIX).

Конформери. Таутоміри

Явище нерозривно пов'язані з температурними умовами його спостереження. Так, наприклад, хлорциклогексан при кімнатній температурі існує у вигляді рівноважної суміші двох конформерів - з екваторіальною та аксіальною орієнтацією атома хлору:

Однак за мінус 150 °С можна виділити індивідуальну а-форму, яка поводиться в цих умовах як стійкий ізомер.

З іншого боку, з'єднання, в звичайних умовах є ізомерами, при підвищенні температури можуть бути таутомерами, що знаходяться в рівновазі. Наприклад, 1-бромпропан та 2-бромпропан - структурні ізомери, проте при підвищенні температури до 250 °С між ними встановлюється рівновага, характерна для таутомерів.

Ізоміри, що перетворюються один на одного при температурі нижче за кімнатну, можна розглядати як нежорсткі молекули.

Існування конформерів іноді позначають терміном "поворотна ізомерія". Серед дієнів розрізняють s-цис- та s-транс - ізомери, які, по суті, є конформерами, що виникають в результаті обертання навколо простого (s-single) зв'язку:

Ізомерія також характерна для координаційних з'єднань. Так, ізомерні сполуки, що відрізняються за способом координації лігандів (іонізаційна ізомерія), наприклад, ізомерні:

SO 4 - і + Br -

Тут, сутнісно, є аналогія зі структурної ізомерії органічних сполук.

Хімічні перетворення, у яких структурні ізомери перетворюються друг на друга, називається изомеризацией. Такі процеси мають важливе значення у промисловості. Так, наприклад, проводять ізомеризацію нормальних алканів в ізоалкани підвищення октанового числа моторних палив; ізомеризують пентан в ізопентан для подальшого дегідрування в ізопрен. Ізомеризацією є і внутрішньомолекулярне перегрупування, з яких велике значення має, наприклад, перетворення оксиму циклогексанону в капролактам - сировину для виробництва капрону.

Процес взаємоперетворення енантіомерів називається рацемізацією: вона призводить до зникнення оптичної активності в результаті утворення еквімолярної суміші (-)-і (+)-форм, тобто рацемату. Взаємоперетворення діастереомерів призводить до утворення суміші, в якій переважає більш стійка термодинамічно форма. У разі π-діастереомерів – зазвичай транс-форма. Взаємоперетворення конформаційних ізомерів називається конформаційною рівновагою.

Явище ізомерії значною мірою сприяє зростанню числа відомих (і ще більшою мірою числа потенційно можливих) сполук. Так, можливе число структурно-ізомерних децилових спиртів понад 500 (відомо їх близько 70), просторів, ізомерів тут понад 1500.

При теоретичному розгляді проблем ізомерії все більшого поширення набувають топологічні методи; для підрахунку числа ізомерів виведено математичні формули. Для позначення просторів, ізомерів різних типів розроблена стереохімічна номенклатура, зібрана в розділі Е Номенклатурних правил ІЮПАК з хімії.

Література

Фізер Л., Фізер М. Органічна хімія. Поглиблений курс. т.1. пер з англ., за ред. д.х.н. Н.С. Вульфсон. Вид. "Хімія". М., 1969.
Пальм Ст А., Введення в теоретичну органічну хімію, М., 1974;
Соколов У І., Введення в теоретичну стереохімію, М., 1979;
Сланіна 3., Теоретичні аспекти явища ізомерії в хімії, пров. з чеш., М., 1984;
Потапов У М., Стереохімія М., 1988.