Причиной возникновения геометрической изомерии является от­сутствие свободного вращения вокруг σ-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 σ-связей, образующих цикл.

Например, бутен-2 СН 3 -СН=СН-СН 3 может существовать в виде двух изомеров, которые различаются расположениями метильных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи.

или 1,2-диметилциклопропан 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 расположены по одну сторону от плоскости двойной связи или цикла - конфи­гурацию обозначают цис-. если по разные стороны - транс-.

КОНФОРМАЦИОННАЯ ИЗОМЕРИЯ

Конформационная (поворотная) изомерия обусловлена враще­нием атомов или атомных групп вокруг одной или нескольких про­стых σ-связей. В результате вращения вокруг С-С-связей молеку­лы могут иметь различные пространственные формы, которые назы­вают конформациями.

Например, молекула этана вследствие вращения вокруг углерод- углеродной связи может принимать бесконечное множество конфор­маций. каждая из которых характеризуется определенным значением потенциальной энергии. Две крайние конформации называют засло­ненной и заторможенной.

В заслоненной конформации этана атомы водорода метильных групп, если смотреть вдоль связи углерод-углерод, расположены друг за другом. В заторможенной - атомы водорода одной метальной груп­пы максимально удалены от атомов водорода другой. Между засло­ненной и заторможенной конформацией молекула в процессе враще­ния принимает множество скошенных конформаций.

Каждая из конформаций молекулы этана характеризуется различ­ной потенциальной энергией. Заслоненная конформация имеет мак­симальную энергию, а заторможенная - минимальную.

Заторможенная конформация, в которой метильные группы (объем­ные заместители) максимально удалены друг от друга, получила название анти-конформации. Другая заторможенная конформация называется гош-конформацией.

Заторможенная гош-конформация обладает несколько большей потенциальной энергией (за счет метил-метильного взаимодействия), чем анти-конформация (в ней взаимодействие между метилами вооб­ще отсутствует).

Конформации с наименьшим запасом энергии называют конфор- мерами или конформационными (поворотными) изомерами.

Так, н-бутан при 25 °С существует примерно на 70 % в форме анти- конформера и на 30 % гош-конформера.

В отличие от конфигурационных изомеров, конформеры превраща­ются друг в друга без разрыва химических связей и не поддаются разделе­нию. Они обнаруживаются только физико-химическими методами.

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.

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

Изомеры, изомерия

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства

Явление существования изомеров называется изомерией

Например, вещество состава С 4 Н 10 имеет два изомерных соединения.

Физические свойства бутана и изобутана отличаются: изобутан имеет более низкие температуры плавления и кипения, чем н.бутан.

Шаростержневая модель молекулы бутанаШаростержневая модель молекулы изобутана

Химические свойства данных изомеров различаются незначительно, т.к. они имеют одинаковые качественный состав и характер связи между атомами в молекуле.

По- другому определение изомеров можно дать так:

Изомеры – вещества, имеющие одинаковую молекулярную, но разную структурную формулу.

Виды изомерии

В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.

Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением .

Структурная изомерия

Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле

Оптические изомеры еще называют зеркальными или хиральными (как левая и правая рука)

В ходе урока вы получите общее представление о видах изомерии, узнаете, что такое изомер. Узнаете о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрите подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), узнаете о разновидностях пространственной изомерии: геометрической и оптической.

Тема: Введение в органическую химию

Урок: Изомерия. Виды изомерии. Структурная изомерия, геометрическая, оптическая

Рассмотренные нами ранее виды формул, описывающих органические вещества, показывают, что одной молекулярной может соответствовать несколько разных структурных формул.

Например, молекулярной формуле C 2 H 6 O соответствуют два вещества с разными структурными формулами - этиловый спирт и диметиловый эфир. Рис. 1.

Этиловый спирт - жидкость, которая реагирует с металлическим натрием с выделением водорода, кипит при +78,5 0 С. При тех же условиях диметиловый эфир - газ, не реагирующий с натрием, кипит при -23 0 С.

Эти вещества отличаются своим строением - разным веществам соответствует одинаковая молекулярная формула.

Рис. 1. Межклассовая изомерия

Явление существования веществ, имеющих одинаковый состав, но разное строение и поэтому разные свойства называют изомерией (от греческих слов «изос» - «равный» и «мерос» - «часть», «доля»).

Типы изомерии

Существуют разные типы изомерии.

Структурная изомерия связана с разным порядком соединения атомов в молекуле.

Этанол и диметиловый эфир - структурные изомеры. Поскольку они относятся к разным классам органических соединений, такой вид структурной изомерии называется еще и межклассовой . Рис. 1.

Структурные изомеры могут быть и внутри одного класса соединений, например формуле C 5 H 12 соответствуют три разных углеводорода. Это изомерия углеродного скелета . Рис. 2.

Рис. 2 Примеры веществ - структурных изомеров

Существуют структурные изомеры с одинаковым углеродным скелетом, которые отличаются положением кратных связей (двойных и тройных) или атомов, замещающих водород. Этот вид структурной изомерии называется изомерией положения .

Рис. 3. Структурная изомерия положения

В молекулах, содержащих только одинарные связи, при комнатной температуре возможно почти свободное вращение фрагментов молекулы вокруг связей, и, например, все изображения формул 1,2-дихлорэтана равноценны. Рис. 4

Рис. 4. Положение атомов хлора вокруг одинарной связи

Если же вращение затруднено, например, в циклической молекуле или при двойной связи, то возникает геометрическая или цис-транс изомерия. В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону плоскости цикла или двойной связи, в транс-изомерах - по разные стороны.

Цис-транс изомеры существуют в том случае, когда с атомом углерода связаны два разных заместителя. Рис. 5.

Рис. 5. Цис- и транс- изомеры

Еще один тип изомерии возникает в связи с тем, что атом углерода с четырьмя одинарными связями образует со своими заместителями пространственную структуру - тетраэдр. Если в молекуле есть хотя бы один углеродный атом, связанный с четырьмя разными заместителями, возникает оптическая изомерия . Такие молекулы не совпадают со своим зеркальным изображением. Это свойство называется хиральностью - от греческого с hier - «рука». Рис. 6. Оптическая изомерия характерна для многих молекул, входящих в состав живых организмов.

Рис. 6. Примеры оптических изомеров

Оптическая изомерия называется также энантиомерией (от греческого enantios - «противоположный» и meros - «часть»), а оптические изомеры - энантиомерами . Энантиомеры оптически активны, они вращают плоскость поляризации света на один и тот же угол, но в противоположные стороны: d- , или (+)-изомер, - вправо, l- , или (-)-изомер, - влево. Смесь равных количеств энантиомеров, называемая рацематом , оптически недеятельна и обозначается символом d,l- или (±).

Подведение итога урока

В ходе урока вы получили общее представление о видах изомерии, что такое изомер. Узнали о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрели подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), познакомились с разновидностями пространственной изомерии: геометрической и оптической.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.

Домашнее задание

1. №№ 1,2 (с.39) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Почему число изомеров у углеводородов ряда этилена больше, чем предельных углеводородов?

3. Какие углеводороды имеют пространственные изомеры?