4.D, L - Sistema per la denominazione degli stereoisomeri.

In molti casi, preferiscono utilizzare non il sistema R, S per designare la configurazione assoluta, ma un altro sistema D, L. La scelta del design dell'isomero D o L si basa sulla posizione specifica gruppo reger nella proiezione di Fischer . D La nomenclatura L è ampiamente utilizzata nei nomi di -ammino, -idrossiacidi e carboidrati.

Secondo questo sistema, la configurazione L è assegnata ad uno stereosomero, in cui nella proiezione Fischer il gruppo di riferimento si trova a sinistra della linea verticale (dal latino “laevus” - sinistra). Di conseguenza, se il gruppo di riferimento situato nella proiezione Fischer a destra, lo stereoisomero ha una configurazione D (dal latino “dexter” - destra):

Naturalmente bisogna ricordare che nella proiezione Fischer l'atomo di carbonio più ossidato si trova in alto (cioè il gruppo COOH in amminoacidi e idrossiacidi e il gruppo CH=O nei carboidrati).

Amino e idrossiacidi

Negli -ammino- e -idrossiacidi i gruppi di riferimento sono rispettivamente i gruppi NH 2 e OH:

Se un ammino o un idrossiacido contiene più gruppi ammino o idrossi, indicare la loro posizione relativa utilizzando i prefissi “erythro”, “threo”, ecc. L'assegnazione di un acido alla serie D o L è determinata dal gruppo NH 2 o OH situato in posizione - rispetto al gruppo COOH situato in alto nella proiezione Fischer:

In questo caso le lettere D e L, che indica la posizione del gruppo di riferimento, sono dotati dell'indice “S”. Questo viene fatto per evitare confusione. L'indice "S" sottolinea che è indicata la configurazione del centro chirale superiore, che si trova nella posizione - rispetto al gruppo carbossilico, come nell'amminoacido serina ("S" - dalla parola "serina").

Per gli idrossiacidi con diversi gruppi OH, nonché per gli amminoidrossiacidi, viene utilizzata una designazione di configurazione alternativa, in cui il gruppo di riferimento è il gruppo HO più basso nella proiezione Fischer. In questo caso, i descrittori di configurazione D e L sono muniti del pedice "g" (da "aldeide glicerica"). In questo caso, gli amminoacidi mostrati nelle Fig. 123 e 124 sono denominati: D g -treonina (L s - treonina) e L g -treonina ( D s - treonina).

Carboidrati.

Nei carboidrati il ​​gruppo di riferimento è più basso nella proiezione Fischer, un gruppo ossidrile legato ad un atomo di carbonio ammetico

È ovvio che nel caso di molecole con un atomo asimmetrico, la nomenclatura D,L, come la nomenclatura R,S, parla inequivocabilmente della configurazione assoluta del centro di chiralità. Lo stesso dicasi per l'applicazione del D,L -nomi di stereoisomeri con più atomi asimmetrici, poiché in questo caso la configurazione dei restanti centri di chiralità è specificata dai prefissi eritro-, treo-, ribo-, lyxo-, ecc. Quindi, se diciamo "tre", lo specificheremo solo parente configurazione degli atomi asimmetrici in una molecola. Allora non sarà chiaro di quale enantiomero stiamo parlando: (26) o (27). Se diciamo "D-treosio", indicheremo chiaramente che intendiamo l'isomero (26), poiché in esso si trova il gruppo di riferimento OH a destra nella proiezione Fischer:

Pertanto, il nome "D-treosio" (come "L-treosio") si riferisce alla configurazione assoluta di entrambi gli atomi asimmetrici nella molecola.
Come la nomenclatura R,S, il sistema D,L per denominare gli stereoisomeri non è correlato al segno della rotazione ottica.
Va notato che in precedenza le lettere minuscole d venivano utilizzate per indicare la direzione di rotazione del piano di polarizzazione della luce (a destra) e l (Sinistra). L'uso di queste lettere non deve essere confuso con l'uso delle lettere maiuscole D e L per indicare la configurazione molecolare. Attualmente, la direzione di rotazione del piano di polarizzazione della luce è solitamente indicata dai simboli (+) e (-).

5. Molecole chirali senza atomi asimmetrici

Nelle sezioni precedenti sono state considerate le molecole la cui chiralità è determinata da una certa disposizione spaziale di quattro diversi atomi o gruppi di atomi rispetto ad un certo centro, chiamato centro di chiralità.

Potrebbero esserci casi in cui non ci sono tali centri nella molecola, ma nonostante ciò la molecola è chirale, poiché manca di elementi di simmetria del gruppo Sn. In questi casi, gli enantiomeri differiscono nella disposizione degli atomi rispetto ad un asse o piano, che è chiamato asse chirale o piano chirale. L'asse di chiralità si trova, ad esempio, nelle molecole di cumulene.
La struttura della molecola del cumulene più semplice - l'allene - è tale che i suoi due frammenti CH 2 si trovano su due piani reciprocamente perlendicolari:

La molecola dell'Allene è achirale: ha due piani di simmetria (mostrati in figura). Anche le molecole di butadiene-1,2 e 3-metil-butadiene-1,2 sono achirali

Se osserviamo la molecola pentadiene-2,3, vedremo che non ha piani di simmetria (così come non esistono altri elementi di simmetria del gruppo Sn). Questo diene esiste come una coppia di enantiomeri:

La chiralità delle molecole (28) e (29) è dovuta ad una certa disposizione spaziale dei sostituenti rispetto all'asse (mostrato in figura) che passa attraverso gli atomi di carbonio collegati da doppi legami. Questo asse è chiamato asse di chiralità. Si dice che molecole come (28) e (29) abbiano chiralità assiale.

Gli assi di chiralità sono presenti anche nelle molecole di alcuni altri composti, ad esempio i composti spiro (spirani):

Anche i citati antropoisomeri dei bifenili orto-disostituiti sono molecole con chiralità assiale.Esempi di molecole con piano della chiralità le molecole di paraciclofani possono servire:

Gli enantiomeri qui raffigurati non possono trasformarsi l'uno nell'altro a causa della rotazione attorno ai legami -a causa dei requisiti spaziali dei frammenti inclusi in queste molecole.

La nomenclatura R,S può essere utilizzata per denotare la configurazione di molecole con chiralità assiale e planare. Chi fosse interessato può trovare una descrizione dei principi per assegnare una configurazione a R o S per tali molecole nella pubblicazione VINITI: IUPAC Nomenclature Rules for Chemistry, vol.3, semi-volume 2, M., 1983.

6. Alla regola della sequenza nella nomenclatura R, S.

In molti casi, quando si determina l'ordine di precedenza dei deputati, sorgono complicazioni, consideriamone alcune.

Esempio 1.

È ovvio che in questo caso i sostituenti junior all'atomo di carbonio asimmetrico contrassegnato con un asterisco sono H (d) e CH 3 (c). Consideriamo i due rimanenti sostituenti complessi, disponendo i loro atomi in strati.

Nel primo strato di entrambi i sostituenti, gli atomi sono identici. Nel secondo strato anche l'insieme degli atomi è lo stesso. (H,C,O). Pertanto, dobbiamo rivolgerci al terzo strato di atomi. In questo caso, nei sostituenti sinistro e destro, si dovrebbe prima confrontare atomi del III strato associati ad atomi senior del II strato(ovvero considerare i “rami senior” di entrambe le deleghe). In questo caso parliamo di atomi associati all'atomo di ossigeno dello strato P. Poiché l'atomo di C nel sostituente di destra è legato all'atomo di ossigeno e l'atomo di H è legato all'atomo di ossigeno nel sostituente di sinistra, il sostituente di destra riceve la priorità:

Alla connessione dovrebbe essere assegnata una configurazione R:

Se gli atomi del "ramo senior" nel terzo strato risultassero uguali, ad esempio entrambi C, allora sarebbe necessario confrontare gli atomi dello stesso III strato, ma nel ramo junior. Allora il deputato di sinistra ne avrebbe tratto vantaggio. Ma nei nostri confronti non arriviamo a questo punto, poiché possiamo fare una scelta in base alle differenze degli atomi strato del ramo più vecchio.

In modo del tutto simile, la scelta dell'ordine di precedenza viene effettuata, ad esempio, tra i seguenti sostituenti:

Esempio 2.
Potrebbe verificarsi una situazione in cui, per selezionare un deputato senior, è necessario “passare attraverso” una connessione multipla. In questo caso, ricorrere all'aiuto del cosiddetto atomi fantasma, avente numero atomico nullo (cioè a priori il più basso) e valenza pari a 1.

In questo esempio, nadr sceglie tra sostituenti contenenti carbonio sinistrorsi e destrorsi. Consideriamoli, avendo precedentemente “aperto” il doppio legame C=C del primo sostituente. In questo caso appariranno atomi duplicati (evidenziati in cerchi). Aggiungeremo atomi fantasma agli atomi duplicati (li indicheremo con la lettera f) in modo da portare la valenza di ciascuno a 4:

Ora possiamo confrontare i sostituenti sinistro e destro:

La differenza nel terzo strato di atomi ci permette di dare priorità al sostituente di destra:

Pertanto, la connessione ha una configurazione R.

Esempio 3. In alcuni casi, due sostituenti su un atomo asimmetrico sono strutturalmente identici, ma differiscono solo nella configurazione assoluta dei centri chirali. Allora lo accettano... La configurazione R è più vecchia della configurazione S. Di conseguenza, all’atomo di carbonio centrale nell’esempio seguente dovrebbe essere assegnata la configurazione S:

Esempio 4. I principi sopra delineati sono applicabili anche per descrivere la configurazione assoluta di atomi asimmetrici con tre sostituenti (atomi di azoto, fosforo, zolfo). In questo caso, come quarto sostituente viene utilizzato un atomo fantasma, che è sempre il più giovane (una coppia solitaria di elettroni può essere considerata un atomo fantasma):

Esempio 5. A volte, per selezionare l’anzianità dei sostituenti, è necessario “aprire” il ciclo, così come si “apre” un legame multiplo.

In questo caso, è facile determinare i sostituenti più anziani (O) e quelli più giovani (H) nell'atomo di carbonio contrassegnato da un asterisco. Per fare una scelta tra gli atomi di carbonio 1 Cu 2 C, è necessario “aprire” l'anello lungo il legame 2 C-O secondo il seguente schema (gli atomi duplicati sono evidenziati in cerchi):

In questo caso, a differenza dell’“apertura” di legami multipli, gli atomi duplicati non rappresentano più rami “senza uscita”, ma continuano nella ripetizione dell’atomo contrassegnato da un asterisco. Cioè, la procedura di “apertura” del ciclo termina quando alle estremità di entrambi i rami appare lo stesso atomo (o meglio, il suo duplicato). Ora possiamo confrontare gli atomi 1 Cu 2 C osservando gli strati di atomi corrispondenti:

La differenza nel terzo livello consente un vantaggio in termini di anzianità - atomo di carbonio 2 C. Di conseguenza, il centro chirale in questione ha una configurazione S:

1.E.Iliel, Fondamenti di stereochimica. M.: Mir, 1971, 107 pp.
2.V.M.Potapov, Stereochimica. M.: Chimica, 1988, 463 p.
3.V.I.Sokolov, Introduzione alla stereochimica teorica, M., Nauka, 1979, 243 p.

CAPITOLO 7. BASI STEREOCHIMICHE DELLA STRUTTURA DELLE MOLECOLE DEI COMPOSTI ORGANICI

CAPITOLO 7. BASI STEREOCHIMICHE DELLA STRUTTURA DELLE MOLECOLE DEI COMPOSTI ORGANICI

Stereochimica (dal greco. stereo- spaziale) è “la chimica in tre dimensioni”. La maggior parte delle molecole sono tridimensionali (tridimensionali, abbreviato in 3D). Le formule strutturali riflettono la struttura bidimensionale (2D) di una molecola, compreso il numero, il tipo e la sequenza di legame degli atomi. Ricordiamo che i composti che hanno la stessa composizione ma diverse strutture chimiche sono chiamati isomeri strutturali (vedi 1.1). Il concetto più ampio di struttura di una molecola (a volte chiamato in senso figurato architettura molecolare), insieme al concetto di struttura chimica, include componenti stereochimici - configurazione e conformazione, che riflettono la struttura spaziale, cioè la tridimensionalità della molecola. Le molecole che hanno la stessa struttura chimica possono differire nella struttura spaziale, cioè esistono sotto forma di isomeri spaziali - stereoisomeri.

La struttura spaziale delle molecole è la disposizione relativa degli atomi e dei gruppi atomici nello spazio tridimensionale.

Gli stereoisomeri sono composti in cui le molecole hanno la stessa sequenza di legami chimici degli atomi, ma diverse posizioni di questi atomi l'uno rispetto all'altro nello spazio.

A loro volta, gli stereoisomeri possono esserlo configurazione E isomeri conformazionali, cioè variare di conseguenza configurazione E conformazione.

7.1. Configurazione

La configurazione è l'ordine in cui gli atomi sono disposti nello spazio, senza tener conto delle differenze risultanti dalla rotazione attorno ai singoli legami.

Gli isomeri di configurazione possono trasformarsi l'uno nell'altro rompendone alcuni e formando altri legami chimici e possono esistere separatamente sotto forma di singoli composti. Sono classificati in due tipologie principali: enantiomeri E diastereoisomeri.

7.1.1. Enantiomerismo

Gli enantiomeri sono stereoisomeri correlati tra loro, come un oggetto e un'immagine speculare incompatibile.

Possono esistere solo come enantiomeri chirale molecole.

La chiralità è la proprietà di un oggetto di essere incompatibile con la sua immagine speculare. Chirale (dal greco. cheir- mano) o asimmetrici, gli oggetti sono la mano sinistra e destra, così come guanti, stivali, ecc. Questi oggetti accoppiati rappresentano un oggetto e la sua immagine speculare (Fig. 7.1, a). Tali articoli non possono essere completamente combinati tra loro.

Allo stesso tempo, ci sono molti oggetti intorno a noi che sono compatibili con la loro immagine speculare, cioè lo sono achirale(simmetrici), come piatti, cucchiai, bicchieri, ecc. Gli oggetti achirali ne hanno almeno uno piano di simmetria, che divide l'oggetto in due parti specularmente identiche (vedi Fig. 7.1, B).

Relazioni simili si osservano anche nel mondo delle molecole, cioè le molecole si dividono in chirali e achirali. Le molecole achirali hanno piani di simmetria; le molecole chirali no.

Le molecole chirali hanno uno o più centri di chiralità. Nei composti organici, molto spesso agisce il centro della chiralità atomo di carbonio asimmetrico.

Riso. 7.1.Riflessione in uno specchio di un oggetto chirale (a) e un piano di simmetria che taglia un oggetto achirale (b)

Un atomo di carbonio asimmetrico è quello legato a quattro atomi o gruppi diversi.

Quando si descrive la formula stereochimica di una molecola, il simbolo "C" per l'atomo di carbonio asimmetrico viene solitamente omesso.

Per determinare se una molecola è chirale o achirale non è necessario rappresentarla con una formula stereochimica; è sufficiente considerare attentamente tutti gli atomi di carbonio in essa contenuti. Se c'è almeno un atomo di carbonio con quattro sostituenti diversi, allora questo atomo di carbonio è asimmetrico e la molecola, con rare eccezioni (vedi 7.1.3), è chirale. Pertanto, dei due alcoli - propanolo-2 e butanolo-2 - il primo è achirale (due gruppi CH 3 sull'atomo C-2), e il secondo è chirale, poiché nella sua molecola sull'atomo C-2 tutti e quattro i sostituenti sono diversi (N, OH, CH 3 e C2 H5). L'atomo di carbonio asimmetrico è talvolta contrassegnato da un asterisco (C*).

Di conseguenza, la molecola del 2-butanolo è in grado di esistere come una coppia di enantiomeri non compatibili nello spazio (figura 7.2).

Riso. 7.2.Gli enantiomeri delle molecole chirali di butanolo-2 non sono compatibili

Proprietà degli enantiomeri. Gli enantiomeri hanno le stesse proprietà chimico-fisiche (punti di fusione e di ebollizione, densità, solubilità, ecc.), ma presentano differenze attività ottica, cioè la capacità di deviare il piano della luce polarizzata*.

Quando tale luce passa attraverso una soluzione di uno degli enantiomeri, il piano di polarizzazione devia a sinistra e l'altro a destra dello stesso angolo α. Il valore dell'angolo α, ridotto alle condizioni standard, è una costante della sostanza otticamente attiva e si chiama rotazione specifica[α]. La rotazione verso sinistra è indicata con un segno meno (-), la rotazione verso destra con un segno più (+) e gli enantiomeri sono chiamati rispettivamente sinistrorso e destrorso.

Altri nomi per enantiomeri sono associati alla manifestazione dell'attività ottica: isomeri ottici o antipodi ottici.

Ogni composto chirale può anche avere una terza forma otticamente inattiva - racemo Per le sostanze cristalline, di solito non si tratta solo di una miscela meccanica di cristalli di due enantiomeri, ma di una nuova struttura molecolare formata dagli enantiomeri. I racemati sono otticamente inattivi perché la rotazione sinistrorsa di un enantiomero è compensata dalla rotazione destrorsa di una pari quantità dell'altro. In questo caso, a volte viene posto un segno più o meno (?) prima del nome del composto.

7.1.2. Configurazioni relative e assolute

Formule di proiezione di Fischer. Per rappresentare gli isomeri configurazionali su un piano, è possibile utilizzare formule stereochimiche. Tuttavia, è più conveniente usare più semplice da scrivere Formule di proiezione di Fischer(più semplice - proiezioni di Fischer). Consideriamo la loro costruzione usando l'esempio dell'acido lattico (2-idrossipropanoico).

Il modello tetraedrico di uno degli enantiomeri (Fig. 7.3) è posizionato nello spazio in modo tale che la catena di atomi di carbonio sia in posizione verticale e il gruppo carbossilico sia in cima. I legami con sostituenti non carboniosi (H e OH) nel centro chirale dovrebbero

* Vedi il tutorial per i dettagli Remizov A.N., Maksina A.G., Potapenko A.Ya. Fisica medica e biologica. 4a ed., riveduta. e aggiuntivi - M.: Bustard, 2003.- P. 365-375.

Riso. 7.3.Costruzione della formula di proiezione Fischer dell'acido (+)-lattico

Dovremmo essere indirizzati all'osservatore. Successivamente, il modello viene proiettato su un piano. Si omette il simbolo dell'atomo asimmetrico, inteso come punto di intersezione delle linee verticale e orizzontale.

Il modello tetraedrico di una molecola chirale prima della proiezione può essere posizionato nello spazio in diversi modi, non solo come mostrato in Fig. 7.3. È solo necessario che le connessioni che formano una linea orizzontale sulla proiezione siano dirette verso l'osservatore e le connessioni verticali - oltre il piano del disegno.

Le proiezioni così ottenute possono, con l'aiuto di semplici trasformazioni, essere portate a una forma standard, in cui la catena di carbonio si trova verticalmente e il gruppo senior (nell'acido lattico è COOH) è in cima. Le trasformazioni consentono due operazioni:

Nella formula di proiezione è consentito scambiare di posto due sostituenti qualsiasi nello stesso centro chirale un numero pari di volte (sono sufficienti due permutazioni);

La formula di proiezione può essere ruotata di 180 nel piano di disegno? (che equivale a due permutazioni), ma non di 90?.

Sistema di designazione D.L-Configuration. All'inizio del XX secolo. è stato proposto un sistema per classificare gli enantiomeri per molecole relativamente semplici (dal punto di vista della stereoisomeria), come α-amminoacidi, α-idrossiacidi e simili. Dietro norma di configurazioneè stata assunta la gliceraldeide. Il suo enantiomero levogiro era arbitrariamente attribuito alla formula (I). Questa configurazione dell'atomo di carbonio veniva designata con la lettera l (dal lat. laevus- Sinistra). All'enantiomero destrogiro venne quindi assegnata la formula (II), e la configurazione fu designata con la lettera d (dal latino. più destro- Giusto).

Si noti che nella formula di proiezione standard l -gliceraldeide ha un gruppo OH a sinistra e D -gliceraldeide - a destra.

Classificazione come d- o l - un certo numero di altri composti otticamente attivi correlati nella struttura vengono prodotti confrontando la configurazione del loro atomo asimmetrico con la configurazione d- o l -gliceraldeide. Ad esempio, in uno degli enantiomeri dell'acido lattico (I) nella formula di proiezione il gruppo OH è a sinistra, come in l -gliceraldeide, quindi l'enantiomero (I) è classificato come l -riga. Per gli stessi motivi, l'enantiomero (II) è classificato come D -riga. Pertanto, dal confronto delle proiezioni di Fisher, determiniamo parente configurazione

Si dovrebbe notare che l -la gliceraldeide ha lasciato la rotazione, e l -acido lattico - giusto (e questo non è un caso isolato). Inoltre, la stessa sostanza può essere levogira o levogira, a seconda delle condizioni di determinazione (diversi solventi, temperatura).

Il segno di rotazione del piano della luce polarizzata non è associato all'appartenenza d- o l -serie stereochimiche.

La determinazione pratica della configurazione relativa dei composti otticamente attivi viene effettuata mediante reazioni chimiche: o la sostanza in esame viene convertita in gliceraldeide (o un'altra sostanza con una configurazione relativa nota), o, al contrario, da d- o l -la gliceraldeide produce la sostanza in esame. Naturalmente, durante tutte queste reazioni la configurazione dell'atomo di carbonio asimmetrico non dovrebbe cambiare.

L'assegnazione arbitraria della gliceraldeide destrorsa e sinistrorsa alle configurazioni convenzionali è stato un passo forzato. A quel tempo, non era nota la configurazione assoluta di nessun composto chirale. La determinazione della configurazione assoluta è diventata possibile solo grazie allo sviluppo di metodi fisico-chimici, in particolare l'analisi della diffrazione dei raggi X, con l'aiuto della quale nel 1951 fu determinata per la prima volta la configurazione assoluta di una molecola chirale: era un sale di (+) -acido tartarico. Successivamente è diventato chiaro che la configurazione assoluta delle d- e l-gliceraldeidi è effettivamente quella loro originariamente assegnata.

Il sistema d,l è attualmente utilizzato per α-amminoacidi, idrossiacidi e (con alcune aggiunte) per carboidrati

(vedi 11.1.1).

Sistema di designazione della configurazione R,S. Il sistema d,L ha un utilizzo molto limitato, poiché spesso è impossibile correlare la configurazione di qualsiasi composto con la gliceraldeide. Il sistema universale per designare la configurazione dei centri chirali è il sistema R,S (dal lat. retto- Dritto, sinistro- Sinistra). È basato su regola della sequenza, in base all'anzianità dei sostituenti associati al centro della chiralità.

L'anzianità dei sostituenti è determinata dal numero atomico dell'elemento direttamente associato al centro della chiralità: più è grande, più vecchio è il sostituente.

Pertanto, il gruppo OH è più vecchio di NH 2, che, a sua volta, è più vecchio di qualsiasi gruppo alchilico e persino di COOH, poiché in quest'ultimo un atomo di carbonio è legato a un centro asimmetrico. Se i numeri atomici sono gli stessi, il gruppo il cui atomo accanto al carbonio ha un numero atomico più alto è considerato senior, e se questo atomo (solitamente ossigeno) è collegato da un doppio legame, viene contato due volte. Di conseguenza, i seguenti gruppi sono organizzati in ordine di precedenza decrescente: -COOH > -CH=O > -CH 2 OH.

Per determinare la configurazione, il modello tetraedrico di un composto viene posizionato nello spazio in modo che il sostituente più basso (nella maggior parte dei casi si tratta di un atomo di idrogeno) sia il più lontano dall'osservatore. Se l'anzianità dei tre sostituenti rimanenti diminuisce in senso orario, al centro della chiralità viene assegnata la configurazione R (Fig. 7.4, a), se in senso antiorario -S-configurazione (vedi Fig. 7.4, b), vista dal conducente al volante (vedi Fig. 7.4, V).

Riso. 7.4.Determinazione della configurazione degli enantiomeri dell'acido lattico mediante R,S- sistema (spiegazione nel testo)

Per indicare la configurazione secondo il sistema RS si possono utilizzare le proiezioni Fisher. Per fare ciò, la proiezione viene trasformata in modo tale che il vice junior si trovi su uno dei collegamenti verticali, che corrisponde alla sua posizione dietro il piano di disegno. Se, dopo la trasformazione della proiezione, l'anzianità dei restanti tre sostituenti diminuisce in senso orario, allora l'atomo asimmetrico ha una configurazione R e viceversa. L'applicazione di questo metodo è mostrata utilizzando l'esempio dell'acido l-lattico (i numeri indicano l'anzianità dei gruppi).

Esiste un modo più semplice per determinare la configurazione R o S utilizzando la proiezione di Fischer, in cui il sostituente minore (solitamente l'atomo di H) è situato su uno dei orizzontale connessioni. In questo caso non si effettuano i suddetti riordinamenti, ma si determina immediatamente l'anzianità dei deputati. Tuttavia, poiché l’atomo H è “fuori posto” (il che equivale alla configurazione opposta), la perdita di precedenza ora significherà non la configurazione R, ma quella S. Questo metodo è illustrato utilizzando l'acido l-malico come esempio.

Questo metodo è particolarmente conveniente per le molecole contenenti diversi centri chirali, dove sarebbero necessari riarrangiamenti per determinare la configurazione di ciascuno di essi.

Non esiste alcuna correlazione tra i sistemi d,l e RS: si tratta di due approcci diversi per designare la configurazione dei centri chirali. Se nel sistema d,L i composti con configurazioni simili formano serie stereochimiche, allora nel sistema RS i centri chirali nei composti, ad esempio, della serie l, possono avere sia la configurazione R che quella S.

7.1.3. Diastereomerismo

I diastereomeri sono stereoisomeri che non sono correlati tra loro, come un oggetto e un'immagine speculare incompatibile, cioè non sono enantiomeri.

I gruppi più importanti di diastereomeri sono i σ-diastereomeri e i π-diastereoisomeri.

σ -Diastereoisomeri. Molte sostanze biologicamente importanti contengono più di un centro chirale in una molecola. In questo caso aumenta il numero di isomeri di configurazione, che è definito come 2n, dove N- numero di centri di chiralità. Ad esempio, se ci sono due atomi asimmetrici, il composto può esistere come quattro stereoisomeri (2 2 = 4), formando due coppie di enantiomeri.

L'acido 2-ammino-3-idrossibutanoico ha due centri di chiralità (atomi C-2 e C-3) e quindi deve esistere come quattro isomeri configurazionali, uno dei quali è un amminoacido naturale.

Le strutture (I) e (II), corrispondenti a l- e d-treonina, nonché (III) e (IV), corrispondenti a l- e d-allotreonina (dal greco. alios- altro), si relazionano tra loro come un oggetto e un'immagine speculare incompatibile con esso, cioè sono coppie di enantiomeri. Confrontando le strutture (I) e (III), (I) e (IV), (II) e (III), (II) e (IV), è chiaro che in queste coppie di composti un centro asimmetrico ha lo stesso configurazione, e l'altro è l'opposto. Tali coppie di stereoisomeri lo sono diastereoisomeri. Tali isomeri sono chiamati σ-diastereomeri, poiché i sostituenti in essi contenuti sono collegati al centro di chiralità tramite legami σ.

Gli amminoacidi e gli idrossiacidi con due centri di chiralità sono classificati come d- o l -riga secondo la configurazione dell'atomo asimmetrico con il numero più basso.

I diastereomeri, a differenza degli enantiomeri, differiscono nelle proprietà fisiche e chimiche. Ad esempio, la l-treonina, che fa parte delle proteine, e la l-allotreonina hanno valori di rotazione specifici diversi (come mostrato sopra).

Mesoconnessioni. A volte una molecola contiene due o più centri asimmetrici, ma la molecola nel suo insieme rimane simmetrica. Un esempio di tali composti è uno degli stereoisomeri dell'acido tartarico (2,3-diidrossibutandioico).

Teoricamente questo acido, che ha due centri di chiralità, potrebbe esistere sotto forma di quattro stereoisomeri (I)-(IV).

Le strutture (I) e (II) corrispondono agli enantiomeri delle serie d ed l (l'assegnazione si basa sul centro di chiralità "superiore"). Sembrerebbe che anche le strutture (III) e (IV) corrispondano ad una coppia di enantiomeri. In realtà, queste sono formule dello stesso composto: otticamente inattive acido mesotartarico.È facile verificare l'identità delle formule (III) e (IV) ruotando la formula (IV) di 180°, senza portarla fuori dal piano. Nonostante due centri di chiralità, la molecola di acido mesotartarico nel suo insieme è achirale, poiché ha un piano di simmetria che passa per la metà del legame C-2-C-3. Rispetto agli acidi d- ed l-tartarico, l'acido mesotartarico è un diastereomero.

Pertanto, ci sono tre (non quattro) stereoisomeri dell'acido tartarico, senza contare la forma racemica.

Quando si utilizza il sistema R,S non ci sono difficoltà nel descrivere la stereochimica di composti con diversi centri chirali. Per fare ciò, determinare la configurazione di ciascun centro secondo il sistema R, S e indicarlo (tra parentesi con le locazioni appropriate) prima del nome completo. Pertanto, l'acido d-tartarico riceverà il nome sistematico (2R,3R)-2,3-acido diidrossibutandioico e l'acido mesotartarico avrà i simboli stereochimici (2R,3S)-.

Come l'acido mesotartarico, esiste una forma meso dell'α-amminoacido cistina. Con due centri di chiralità, il numero di stereoisomeri della cistina è tre perché la molecola è internamente simmetrica.

π -Diastereoisomeri. Questi includono isomeri configurazionali contenenti un legame π. Questo tipo di isomerismo è caratteristico, in particolare, degli alcheni. Rispetto al piano del legame π, i sostituenti identici su due atomi di carbonio possono essere localizzati uno alla volta (cis) o in direzioni diverse (trance) lati. A questo proposito, ci sono stereoisomeri noti come cis- E trance-isomeri, come illustrato da cis- e trans-buteni (vedere 3.2.2). I π-diastereomeri sono gli acidi dicarbossilici insaturi più semplici: maleico e fumarico.

L'acido maleico è termodinamicamente meno stabile cis-isomero rispetto a trance-isomero - acido fumarico. Sotto l'influenza di determinate sostanze o raggi ultravioletti, si stabilisce un equilibrio tra i due acidi; quando riscaldato (~150°C) si sposta verso una temperatura più stabile trance-isomero.

7.2. Conformazioni

Intorno ad un semplice legame C-C è possibile la rotazione libera, per cui la molecola può assumere forme diverse nello spazio. Questo può essere visto nelle formule stereochimiche dell'etano (I) e (II), dove i gruppi CH codificati a colori 3 localizzati diversamente rispetto ad un altro gruppo di SN 3.

Rotazione di un gruppo CH 3 rispetto all'altro avviene senza disturbare la configurazione - cambia solo la disposizione relativa nello spazio degli atomi di idrogeno.

Le forme geometriche di una molecola che si trasformano l'una nell'altra ruotando attorno ai legami σ sono chiamate conformazioni.

Secondo questo conformazionale gli isomeri sono stereoisomeri, la differenza tra i quali è causata dalla rotazione delle singole parti della molecola attorno ai legami σ.

Gli isomeri conformazionali di solito non possono essere isolati nel loro stato individuale. La transizione di diverse conformazioni della molecola l'una nell'altra avviene senza rottura dei legami.

7.2.1. Conformazioni dei composti aciclici

Il composto più semplice con un legame C-C è l'etano; Consideriamo due delle sue molteplici conformazioni. In uno di essi (Fig. 7.5, a) la distanza tra gli atomi di idrogeno di due gruppi CH 3 il più piccolo, quindi i legami C-H opposti l'uno all'altro si respingono. Ciò porta ad un aumento dell'energia della molecola e, di conseguenza, ad una minore stabilità di questa conformazione. Osservando il legame C-C, è chiaro che i tre legami C-H su ciascun atomo di carbonio si “eclissano” a vicenda a coppie. Questa conformazione si chiama oscurato.

Riso. 7.5.Occluso (a, B) e inibito (in, G) conformazione dell'etano

In un'altra conformazione dell'etano, derivante dalla rotazione di uno dei gruppi CH 3 a 60 anni? (vedi Fig. 7.5, c), gli atomi di idrogeno dei due gruppi metilici sono il più distanti possibile. In questo caso, la repulsione degli elettroni dai legami C-H sarà minima e anche l'energia di tale conformazione sarà minima. Questa conformazione più stabile viene chiamata inibito. La differenza di energia di entrambe le conformazioni è piccola e ammonta a ~12 kJ/mol; definisce il cosiddetto barriera energetica di rotazione.

Formule di proiezione di Newman. Queste formule (più semplici - proiezioni di Newman) vengono utilizzate per rappresentare le conformazioni su un piano. Per costruire una proiezione, la molecola viene vista dal lato di uno degli atomi di carbonio lungo il suo legame con l'atomo di carbonio vicino, attorno al quale avviene la rotazione. Nella proiezione, tre legami dall'atomo di carbonio più vicino all'osservatore agli atomi di idrogeno (o in generale ad altri sostituenti) sono disposti sotto forma di una stella a tre raggi con angoli di 120°. Un atomo di carbonio lontano dall'osservatore (invisibile) è rappresentato come un cerchio, dal quale forma anche un angolo di 120°? partono tre collegamenti. Le proiezioni di Newman forniscono anche una rappresentazione visiva delle conformazioni eclissate (vedi Fig. 7.5, b) e inibite (vedi Fig. 7.5, d).

In condizioni normali, le conformazioni dell'etano si trasformano facilmente l'una nell'altra e possiamo parlare di un insieme statistico di diverse conformazioni che differiscono leggermente in energia. È impossibile isolare anche una conformazione più stabile in forma individuale.

Nelle molecole più complesse, la sostituzione degli atomi di idrogeno negli atomi di carbonio vicini con altri atomi o gruppi porta alla loro reciproca repulsione, che influisce sull'aumento dell'energia potenziale. Pertanto, in una molecola di butano, la conformazione meno favorevole sarà la conformazione eclissata, e la più favorevole sarà la conformazione inibita con i gruppi CH 3 più distanti. La differenza tra le energie di queste conformazioni è ~25 kJ/mol.

Man mano che la catena di carbonio negli alcani si allunga, il numero di conformazioni aumenta rapidamente come risultato delle maggiori possibilità di rotazione attorno a ciascun legame C-C, quindi le lunghe catene di carbonio degli alcani possono assumere molte forme diverse, come a zigzag (I), irregolare (II ) e a forma di artiglio (III). ).

È preferita una conformazione a zigzag, in cui tutti i legami C-C nella proiezione di Newman formano un angolo di 180°, come nella conformazione ingombrata del butano. Ad esempio, frammenti di acidi palmitico C 15 H 31 COOH a catena lunga e C 17 H 35 COOH stearico in una conformazione a zigzag (Fig. 7.6) fanno parte dei lipidi delle membrane cellulari.

Riso. 7.6.Formula scheletrica (a) e modello molecolare (b) dell'acido stearico

Nella conformazione ad artiglio (III), gli atomi di carbonio che in altre conformazioni sono distanti tra loro si uniscono. Se ad una distanza sufficientemente ravvicinata, ad esempio X e Y, ci sono gruppi funzionali in grado di reagire tra loro, come risultato di una reazione intramolecolare ciò porterà alla formazione di un prodotto ciclico. Tali reazioni sono abbastanza diffuse, il che è associato al vantaggio della formazione di anelli a cinque e sei membri termodinamicamente stabili.

7.2.2. Conformazioni degli anelli a sei membri

La molecola di cicloesano non è un esagono piatto, poiché con una struttura piatta gli angoli di legame tra gli atomi di carbonio sarebbero di 120°, cioè devierebbero significativamente dal normale angolo di legame di 109,5°, e tutti gli atomi di idrogeno si troverebbero in una posizione posizione occlusa sfavorevole. Ciò porterebbe all’instabilità del ciclo. In effetti, il ciclo a sei membri è il più stabile di tutti i cicli.

Le diverse conformazioni del cicloesano risultano dalla rotazione parziale attorno ai legami σ tra gli atomi di carbonio. Delle numerose conformazioni non planari, quella energeticamente più favorevole è poltrone(Fig. 7.7), poiché in esso tutti gli angoli di legame tra i legami CC sono uguali a ~ 110 μ, e gli atomi di idrogeno negli atomi di carbonio vicini non si oscurano a vicenda.

In una molecola non planare si può parlare solo condizionatamente della disposizione degli atomi di idrogeno “sopra e sotto il piano”. Vengono invece utilizzati altri termini: legami diretti lungo l'asse verticale di simmetria del ciclo (in Fig. 7.7, UN mostrati a colori) vengono chiamati assiale(a), e le connessioni orientate lontano dal ciclo (come lungo l'equatore, per analogia con il globo) sono chiamate equatoriale(F).

Se nell'anello è presente un sostituente, è più favorevole una conformazione con posizione equatoriale del sostituente, come la conformazione (I) del metilcicloesano (Fig. 7.8).

La ragione della minore stabilità della conformazione (II) con la disposizione assiale del gruppo metilico è Repulsione 1,3-diassiale Gruppi CH 3 e atomi di H nelle posizioni 3 e 5. In questo

Riso. 7.7.Cicloesano in conformazione a sedia:

UN- formula scheletrica; B- modello a sfera e asta

Riso. 7.8.Inversione dell'anello di una molecola di metilcicloesano (non tutti gli atomi di idrogeno mostrati)

In questo caso il ciclo subisce il cosiddetto inversioni, assumendo una conformazione più stabile. La repulsione è particolarmente forte nei derivati ​​del cicloesano aventi gruppi sfusi a 1 e 3 posizioni.

In natura si trovano molti derivati ​​della serie del cicloesano, tra i quali un ruolo importante giocano gli alcoli esaidrici - inositoli. A causa della presenza di centri asimmetrici nelle loro molecole, gli inositoli esistono sotto forma di diversi stereoisomeri, di cui il più comune è mioinositolo. La molecola di mioinositolo ha una conformazione a sedia stabile in cui cinque dei sei gruppi OH sono in posizione equatoriale.

6801 0

Gli elementi s sono elementi dei gruppi I e II (+ He, situato nel gruppo 0 (VIII) della tavola periodica). Tutti loro, tranne H e He, sono metalli. I metalli del gruppo I sono detti alcalini perché reagiscono con l'acqua per formare alcali. Vengono chiamati i metalli del gruppo II, eccetto Be terra alcalina. Il termine "terre alcaline" si riferisce agli ossidi di questi metalli. Questi ossidi reagiscono con l'acqua per formare alcali.

Gli elementi S sono caratterizzati dalla configurazione degli elettroni di valenza ns 1 (gruppo 1) o ns 2 (gruppo 2). La proprietà chimica più importante dei metalli del gruppo 1 è la capacità di formare cationi positivi a carica singola. Valori elevati dei potenziali redox dei metalli dei gruppi I e II indicano la loro significativa reattività, pertanto in condizioni normali si trovano solo sotto forma di ioni. Questi ioni, a seconda del pH, possono essere trovati in forma libera o sotto forma di complessi, molto spesso con acqua, anidride carbonica e ioni alogeno.

I metalli alcalini reagiscono con l'acqua, rilasciando una grande quantità di calore ( esotermico reazione). All'aumentare del numero atomico, la reattività aumenta a tal punto che, a partire dal K, l'H2 formatosi nella reazione si accende, spesso in modo esplosivo. La significativa capacità riducente dei metalli alcalini è spiegata dalla loro facilità di donazione di elettroni.

Tabella 1. Metalli con configurazioni elettroniche s

	1(principale)	2 (principale)
	N
	Li	Essere
	N / a	Mg
	A	Circa
	Rb	sr
	Cs	Ba
	Fr	RA

Il guscio esterno degli atomi di tutti i metalli s ne contiene uno (per gli elementi del gruppo I - Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) o due (per gli elementi del gruppo II - Sii, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) elettrone, che si separa molto facilmente per formare ioni, che sono simili nella configurazione ai gusci elettronici dei gas nobili. Gli isotopi di tutti i metalli alcalini contengono spin nucleare non compensato, cioè sono paramagnetici. Nel sangue intero, questi isotopi sono distribuiti secondo la seguente regola: maggiore è il raggio dello ione, maggiore è il suo contenuto nelle cellule del sangue(Tabella 6).

Tavolo 2. La relazione tra il coefficiente di distribuzione K p e il raggio degli ioni di metalli alcalini

	Numero atomico

Poiché gli ioni metallici del gruppo I sono grandi ma non contengono elettroni d, formano debolmente composti complessi e la loro capacità di formare complessi diminuisce con l'aumentare del numero atomico. Se si formano complessi chelati, i loro ligandi molto spesso risultano contenenti ossigeno.

I metalli del gruppo II formano più facilmente composti complessi. Di norma, i ligandi in questo caso sono forti agenti complessanti con atomi di supporto elettronico di ossigeno e azoto. Ad esempio, il ligando chelato EDTA (Fig. 1) viene spesso utilizzato per la determinazione titrimetrica della concentrazione di ioni Sa 2+ e Mg 2+ durante l'analisi della durezza dell'acqua.

Riso. 1. Complesso di acido etilendiamminotetraacetico (EDTA, "trilon B") con Ca 2+

Concludendo la descrizione degli s-metalli, notiamo le caratteristiche delle proprietà Li E Essere, spiegato dalla posizione di questi elementi nella parte superiore rispettivamente dei gruppi I e II della tavola periodica:

1) elevato rispetto ad altri membri dei gruppi di energia di ionizzazione. Ciò spiega la natura covalente, piuttosto che ionica, dei composti formati da questi elementi;

2) raggi ionici più piccoli rispetto agli altri membri del gruppo, causando:

a) elevata densità di carica, quindi, maggiore capacità polarizzante, che si manifesta nella maggiore covalenza dei loro composti;

b) aumento delle energie reticolari dei composti di questi elementi, spiegando la loro ridotta solubilità;

3) minore elettropositività rispetto agli altri membri dei gruppi. Tuttavia Li ha un elevato potenziale redox dovuto alla maggiore energia di idratazione.

Per la biochimica e la medicina è essenziale che le proprietà Li e i suoi composti sono per molti versi simili alle proprietà Mg e le sue connessioni. È risaputo che Mg 2+ svolge un ruolo molto importante nel metabolismo di un organismo vivente, attivando l'ATP e molti enzimi importanti.

Simile diagonale per la coppia si nota anche la relazione tra gli elementi della tavola periodica Essere E Al con le loro connessioni però Essere(II gruppo) secondo la configurazione elettronica appartiene agli elementi s, e Al(III gruppo) - agli elementi p. Inoltre, per la coppia viene descritta la relazione diagonale B – Sì e per gli ioni N / a + — Sa 2+ — Y 3+ .

Il ruolo biologico degli elementi S è molto grande. Ioni N / a + , A + , Sa 2+ , Mg 2+ , Cl- E NS O 3 - presente in tutti i fluidi biologici. In particolare, N / a+ e Cl- Contenuto in grandi quantità nel plasma sanguigno e fornisce la sua pressione osmotica. Nelle cellule nervose, cambiamenti improvvisi nella concentrazione di ioni N / a+ e A+ provocano impulsi elettrici che trasmettono segnali nel sistema nervoso.

Una pompa di sodio opera nel plasmalemma delle cellule nervose, fornendo un'alta concentrazione di ioni A+ all'interno delle cellule nervose e degli ioni N / a+ - nel fluido intercellulare. Quando gli ioni A+ diffuso all'esterno della cellula, sul suo plasmalemma si forma una differenza di potenziale, causata da un eccesso di ioni all'interno della cellula Cl- avere una carica negativa. Dopo la stimolazione della cellula, gli ioni iniziano a passare attraverso il plasmalemma N / a+ , a seguito della quale il segno della differenza potenziale cambia al contrario. Successivamente, l'impulso elettrico inizia a diffondersi.

Una delle manifestazioni dell'omeostasi è anche considerata il fatto che il cloruro di sodio fa parte del fluido del sudore, il cui rilascio aiuta a raffreddare il corpo.

Bioinorganici medici. G.K. Barashkov

Concetto chiralità– uno dei più importanti nella stereochimica moderna.Un modello è chirale se non ha alcun elemento di simmetria (piano, centro, assi di rotazione dello specchio), tranne semplici assi di rotazione. Chiamiamo chirale una molecola descritta da tale modello (che significa "a forma di mano", dal greco . hiro- mano) per la ragione che, come le mani, le molecole sono incompatibili con le loro immagini speculari. In Fig. La Figura 1 mostra una serie di semplici molecole chirali. Due fatti sono assolutamente evidenti: in primo luogo, le coppie di determinate molecole rappresentano l'una l'immagine speculare dell'altra e, in secondo luogo, queste riflessioni speculari non possono essere combinate tra loro. Si noterà che in ciascun caso la molecola contiene un atomo di carbonio con quattro diversi sostituenti. Tali atomi sono chiamati asimmetrici. Un atomo di carbonio asimmetrico è un centro chirale o stereogenico. Questo è il tipo più comune di chiralità. Se una molecola è chirale, allora può esistere in due forme isomeriche, correlate come un oggetto e la sua immagine speculare e incompatibili nello spazio. Tali isomeri (para) sono chiamati enantiomeri.

Il termine “chirale” non consente libera interpretazione. Quando una molecola è chirale, quindi, per analogia con una mano, deve essere mancini o destrorsi. Quando chiamiamo chirale una sostanza o qualche suo campione, ciò significa semplicemente che è costituita da molecole chirali; Inoltre, non è affatto necessario che tutte le molecole siano identiche in termini di chiralità (sinistra o destra, R O S, vedere la sezione 1.3). Si possono distinguere due casi limite. Nella prima, il campione è costituito da molecole identiche in termini di chiralità (solo omochirali). R o semplicemente S); viene chiamato un tale modello enantiomericamente puro. Nel secondo caso (opposto), il campione è costituito da altrettante molecole diverse in termini di chiralità (eterochirale, rapporto molare R: S=1:1); anche un tale campione è chirale, ma racemico. Esiste anche un caso intermedio: una miscela non equimolare di enantiomeri. Questa miscela si chiama scalemico o non racemico. Pertanto, l'affermazione che un campione macroscopico (al contrario di una singola molecola) è chirale è da considerarsi non del tutto chiara e quindi in alcuni casi insufficiente. Potrebbero essere necessarie ulteriori indicazioni se il campione è racemico o non racemico. La mancanza di precisione nella comprensione di ciò porta a un certo malinteso, ad esempio, nei titoli degli articoli, quando viene proclamata la sintesi di qualche composto chirale, ma non è chiaro se l'autore voglia semplicemente attirare l'attenzione sul fatto stesso di chiralità della struttura discussa nell'articolo, o se il prodotto è stato effettivamente ottenuto sotto forma di un singolo enantiomero (cioè un insieme di molecole omochirali; questo insieme, tuttavia, non dovrebbe essere chiamato campione omochirale). Quindi, nel caso di un campione chirale non racemico, è più corretto dire "arricchito enantiomericamente" O " enantiomericamente puro".

Metodi per rappresentare gli isomeri ottici

Il metodo dell'immagine è scelto dall'autore esclusivamente per motivi di comodità nella trasmissione delle informazioni. Nella Figura 1, le immagini degli enantiomeri vengono fornite utilizzando immagini prospettiche. In questo caso è consuetudine tracciare i collegamenti che giacciono sul piano dell'immagine con una linea continua; sono punteggiati i collegamenti che vanno oltre il piano; e i collegamenti diretti verso l'osservatore sono contrassegnati con una linea spessa. Questo metodo di rappresentazione è abbastanza informativo per le strutture con un centro chirale. Queste stesse molecole possono essere rappresentate come una proiezione di Fischer. Questo metodo è stato proposto da E. Fisher per strutture più complesse (in particolare carboidrati) aventi due o più centri chirali.

Piano speculare

Riso. 1

Per costruire le formule di proiezione di Fischer, il tetraedro viene ruotato in modo che due legami che giacciono sul piano orizzontale siano diretti verso l'osservatore e due legami che giacciono sul piano verticale siano diretti lontano dall'osservatore. Solo l'atomo asimmetrico cade sul piano dell'immagine. In questo caso, l'atomo asimmetrico stesso viene solitamente omesso, conservando solo le linee che si intersecano e i simboli sostituenti. Per ricordare la disposizione spaziale dei sostituenti, nelle formule di proiezione viene spesso mantenuta una linea verticale spezzata (i sostituenti superiore e inferiore vengono rimossi oltre il piano del disegno), ma spesso ciò non viene fatto. Di seguito sono riportati esempi di diversi modi per rappresentare la stessa struttura con una configurazione specifica (Fig. 2)

Proiezione di Fischer

Riso. 2

Diamo diversi esempi di formule di proiezione di Fischer (Fig. 3)

(+)-(l)-alanina(-)-2-butanolo (+)-( D)-gliceraldeide

Riso. 3

Poiché il tetraedro può essere visto da diversi lati, ogni stereoisomero può essere rappresentato con dodici (!) diverse formule di proiezione. Per standardizzare le formule di proiezione sono state introdotte alcune regole per la loro scrittura. Pertanto, la funzione principale (nomenclaturale), se si trova alla fine della catena, è solitamente posizionata in alto, la catena principale è raffigurata verticalmente.

Per confrontare formule di proiezione scritte “non standard”, è necessario conoscere le seguenti regole per la trasformazione delle formule di proiezione.

1. La formula non può essere rimossa dal piano di disegno e non può essere ruotata di 90 o, sebbene possa essere ruotata di 180 o nel piano di disegno senza modificarne il significato stereochimico (Fig. 4)

Riso. 4

2. Due (o qualsiasi numero pari) riarrangiamenti di sostituenti su un atomo asimmetrico non cambiano il significato stereochimico della formula (Fig. 5)

Riso. 5

3. Uno (o qualsiasi numero dispari) riarrangiamento dei sostituenti nel centro asimmetrico porta alla formula per l'antipodo ottico (Fig. 6)

Riso. 6

4. Una rotazione nel piano di disegno di 90 0 trasforma la formula in una formula antipodale, a meno che allo stesso tempo non venga modificata la condizione per la posizione dei sostituenti rispetto al piano di disegno, ad es. supponiamo che ora i sostituenti laterali siano dietro il piano di disegno e quelli superiore e inferiore siano davanti ad esso. Se utilizzi una formula con una linea tratteggiata, l'orientamento modificato della linea tratteggiata te lo ricorderà direttamente (Fig. 7)

Riso. 7

5. Invece delle permutazioni, le formule di proiezione possono essere trasformate ruotando tre sostituenti qualsiasi in senso orario o antiorario (Fig. 8); il quarto sostituente non cambia posizione (questa operazione equivale a due permutazioni):

Riso. 8

Le proiezioni di Fischer non possono essere applicate a molecole la cui chiralità non è correlata al centro chirale, ma ad altri elementi (asse, piano). In questi casi sono necessarie immagini 3D.

D , l - Nomenclatura di Fisher

Abbiamo discusso di un problema: come rappresentare una struttura tridimensionale su un piano. La scelta del metodo è dettata esclusivamente dalla comodità di presentare e percepire le informazioni stereo. Il problema successivo riguarda la composizione di un nome per ogni singolo stereoisomero. Il nome dovrebbe riflettere le informazioni sulla configurazione del centro stereogenico. Storicamente, la prima nomenclatura per gli isomeri ottici è stata D, l- nomenclatura proposta da Fisher. Fino agli anni '60 era più comune denotare la configurazione dei centri chirali sulla base di proiezioni planari (Fisher) piuttosto che sulla base di formule 3D tridimensionali, utilizzando descrittori DEl. Attualmente D, l– il sistema viene utilizzato in modo limitato, principalmente per composti naturali come aminoacidi, idrossiacidi e carboidrati. Esempi che illustrano la sua applicazione sono mostrati in Fig. 10.

Riso. 10

Per gli α – aminoacidi la configurazione è indicata dal simbolo l, se nella formula di proiezione di Fischer il gruppo amminico – (o ammonio) si trova a sinistra; simbolo D utilizzato per l'enantiomero opposto. Per gli zuccheri, la designazione della configurazione si basa sull'orientamento del gruppo OH con il numero più alto (il più lontano dall'estremità carbonilica). Se il gruppo OH è diretto a destra, allora questa è una configurazione D; se LUI è a sinistra – configurazione l.

Un tempo, il sistema di Fischer ha permesso di creare una tassonomia stereochimica logica e coerente di un gran numero di composti naturali originati da amminoacidi e zuccheri. Tuttavia, i limiti del sistema Fischer, nonché il fatto che nel 1951 il metodo della diffrazione dei raggi X sembrò determinare la reale disposizione dei gruppi attorno al centro chirale, portarono alla creazione nel 1966 di un nuovo metodo, più rigoroso e coerente. sistema per descrivere gli stereoisomeri, noto come R, S - Nomenclatura Kahn-Ingold-Prelog (KIP). Nel sistema di strumentazione, al consueto nome chimico vengono aggiunti descrittori speciali R O S(in corsivo nel testo), definendo in modo rigoroso ed inequivocabile la configurazione assoluta.

NomenclaturaCana-Ingolda-Preloga

Per definire un handle R O S per un dato centro chirale, il cosiddetto regola della chiralità. Consideriamo quattro sostituenti collegati al centro chirale. Dovrebbero essere disposti in una sequenza uniforme di precedenza stereochimica; per comodità, denotiamo questi sostituenti con i simboli A, B, D ed E e accettiamo di assumere che nella sequenza generale di precedenza (in altre parole, per priorità) A è più vecchio di B, B è più vecchio di D, D è più vecchio di E(A>B>D>E) . La regola di chiralità CIP richiede che il modello sia considerato dal lato opposto a quello occupato dal sostituente E con la priorità più bassa o dal sostituente stereochimicamente junior (Fig. 11). Quindi i restanti tre sostituenti formano qualcosa come un treppiede, le cui gambe sono dirette verso lo spettatore.

Riso. undici

Se l'anzianità dei sostituenti nella riga A>B>D cade in senso orario (come in Fig. 11), al centro viene assegnato un descrittore di configurazione R ( da Parola latina retto - Giusto). In un'altra disposizione, quando la priorità stereochimica dei sostituenti diminuisce in senso antiorario, al centro viene assegnato un descrittore di configurazione S (dal latino sinistro - Sinistra).

Quando si descrivono le connessioni utilizzando le proiezioni di Fisher, la configurazione può essere facilmente determinata senza costruire modelli spaziali. La formula deve essere scritta in modo che il sostituente junior sia in basso o in alto, poiché secondo le regole per rappresentare le proiezioni di Fischer, le connessioni verticali sono dirette lontano dall'osservatore (Fig. 12). Se i rimanenti sostituenti sono disposti in senso orario in ordine di precedenza decrescente, il composto è classificato come ( R)-row e, se in senso antiorario, quindi a ( S)-riga, ad esempio:

Riso. 12

Se il gruppo junior non è su collegamenti verticali, allora va scambiato con il gruppo inferiore, ricordando però che in questo modo si inverte la configurazione. È possibile effettuare due permutazioni qualsiasi senza modificare la configurazione.

Quindi il fattore determinante è precedenza stereochimica . Discutiamo ora regole di precedenza, cioè. regole in base alle quali i gruppi A, B, D ed E sono classificati in ordine di priorità.

La preferenza in termini di anzianità è data agli atomi con maggiore numero atomico. Se i numeri sono gli stessi (nel caso degli isotopi), allora l'atomo con la massa atomica più alta diventa più vecchio (ad esempio D>H). Il “sostituente” più giovane è una coppia di elettroni solitari (ad esempio nell’azoto). Pertanto, la precedenza nella serie aumenta: coppia solitaria

Consideriamo un semplice esempio: nel bromoclorofluorometano CHBrCIF (Fig. 13) esiste un centro stereogenico e i due enantiomeri possono essere distinti come segue. Innanzitutto, i sostituenti sono classificati in base alla loro anzianità stereochimica: maggiore è il numero atomico, più vecchio è il sostituente. Pertanto, in questo esempio, Br > C1 > F > H, dove “>” significa “più preferito” (o “più vecchio”). Il passo successivo è osservare la molecola dal lato opposto al sostituente più giovane, in questo caso l'idrogeno. Si può vedere che i tre sostituenti rimanenti si trovano agli angoli del triangolo e sono diretti verso l'osservatore. Se l'anzianità di questo trio di sostituenti diminuisce in senso orario, allora questo enantiomero viene designato come R. In un'altra disposizione, quando l'anzianità dei sostituenti diminuisce in senso antiorario, l'enantiomero è designato come S. Designazioni R E S scrivere in corsivo e posti tra parentesi prima del nome della struttura. Pertanto, i due enantiomeri considerati hanno i nomi ( S)-bromoclorofluorometano e ( R)-bromoclorofluorometano.

Riso. 13

2. Se due, tre o tutti e quattro gli atomi identici sono direttamente associati ad un atomo asimmetrico, l'anzianità è stabilita dagli atomi della seconda fascia, che non sono più associati al centro chirale, ma a quegli atomi che avevano la stessa anzianità.

Riso. 14

Ad esempio, nella molecola del 2-bromo-3-metil-1-butanolo (Fig. 14), i sostituenti più alti e più giovani sono facilmente determinati dalla prima cintura: questi sono rispettivamente bromo e idrogeno. Ma non è possibile stabilire l'anzianità in base al primo atomo dei gruppi CH 2 OH e CH(CH 3) 2, poiché in entrambi i casi si tratta di un atomo di carbonio. Per determinare quale gruppo è più vecchio, viene nuovamente applicata la regola della sequenza, ma ora vengono considerati gli atomi della cintura successiva. Confronta due insiemi di atomi (due triplette), scritti in ordine di precedenza decrescente. L'anzianità è ora determinata dal primo punto in cui si riscontra una differenza. Gruppo CON H 2 OH - ossigeno, idrogeno, idrogeno CON(DI NN) o nei numeri 6( 8 undici). Gruppo CON H(CH 3) 2 – carbonio, carbonio, idrogeno CON(CON CH) o 6( 6 61). Viene sottolineato il primo punto di differenza: l'ossigeno è più vecchio del carbonio (in numero atomico), quindi il gruppo CH 2 OH è più vecchio di CH(CH 3) 2. La configurazione dell'enantiomero mostrata nella Figura 14 può ora essere indicata come ( R).

Se tale procedimento non porta alla costruzione di una gerarchia univoca, esso viene proseguito a distanze sempre maggiori dall'atomo centrale finché, alla fine, si incontrano differenze e tutti e quattro i sostituenti ricevono la loro anzianità. In tal caso, l'eventuale preferenza acquisita dall'uno o dall'altro deputato in una delle fasi del coordinamento di anzianità è considerata definitiva e non è soggetta a rivalutazione nelle fasi successive.

3. Se nella molecola sono presenti punti di diramazione, la procedura per stabilire l'anzianità degli atomi dovrebbe essere continuata lungo la catena molecolare dell'anzianità più elevata. Supponiamo di dover determinare la sequenza di precedenza dei due sostituenti mostrata in Fig. 15. È ovvio che la soluzione non si raggiungerà né nel primo (C), né nel secondo (C, C, H) né nel terzo (C, H, F, C, H, Br). In questo caso bisognerà passare al quarto strato, ma questo dovrà essere fatto lungo il percorso, il cui vantaggio è stabilito nel terzo strato (Br > F). Pertanto, la decisione sulla priorità del deputato IN sopra il vice UN viene fatto sulla base che nel quarto strato Br >CI per quel ramo, il cui passaggio è dettato dall'anzianità nel terzo strato, e non sulla base che l'atomo I ha il numero atomico più alto nel quarto strato ( che è su quello meno preferito e quindi non è il ramo oggetto di studio).

Riso. 15

4. Le connessioni multiple sono rappresentate come la somma delle connessioni semplici corrispondenti. Secondo questa regola, a ciascun atomo collegato da un legame multiplo viene assegnato uno o più atomi “fantasma” aggiuntivi dello stesso tipo situati all’altra estremità del legame multiplo. Gli atomi complementari (aggiuntivi o fantasma) sono racchiusi tra parentesi e si considera che non portino sostituenti nello strato successivo. Ad esempio, si considerino le rappresentazioni dei seguenti gruppi (Fig. 16).

Presentazione del gruppo

Riso. 16

5. Un aumento artificiale del numero di sostituenti è richiesto anche quando il sostituente (ligando) è bidentato (o tri- o tetradentato), e anche quando il sostituente contiene un frammento ciclico o biciclico. In questi casi, ciascun ramo della struttura ciclica viene tagliato dopo il punto di ramificazione [dove si biforca in se stesso], e l'atomo del punto di ramificazione viene posto (tra parentesi) all'estremità della catena risultante dal taglio. In Fig. 17, utilizzando l'esempio di un derivato del tetraidrofurano (THF), viene considerato il caso di un sostituente bidentato (ciclico). I due bracci dell'anello a cinque membri (singolarmente) vengono tagliati in corrispondenza dei legami con un atomo chirale, che viene poi aggiunto all'estremità di ciascuna delle due catene appena formate. Lo si può vedere come risultato della dissezione UN si ottiene un ipotetico sostituente -CH 2 OCH 2 CH 2 -(C), che risulta essere più vecchio del reale sostituente aciclico -CH 2 OCH 2 CH 3 a causa del vantaggio del fantasma (C) all'estremità del primo sostituente. Al contrario, formato a seguito della dissezione IN l’ipotetico ligando –CH 2 CH 2 OCH 2 – (C) risulta essere di anzianità inferiore rispetto al sostituente reale –CH 2 CH 2 OCH 2 CH 3, poiché quest’ultimo ha tre atomi di idrogeno attaccati al carbonio terminale, mentre il il primo non ne ha nessuno in questo livello. Di conseguenza, tenendo conto dell’ordine di precedenza stabilito dei sostituenti, il simbolo di configurazione per un dato enantiomero risulta essere S.

Determinare l'anzianità

Vice A

IN>A

Vice A

Fig.17

Riso. 18

Un caso simile di taglio di un sostituente ciclico è illustrato dall'esempio del composto in Fig. 18 dove struttura IN illustra l'interpretazione dell'anello cicloesile (nella struttura UN). In questo caso, la sequenza di precedenza corretta è di- N-esilmetile > cicloesile > di- N-pentilmetile > N.

Ora siamo sufficientemente preparati per considerare un sostituente come il fenile (struttura Fig. 19 UN). Abbiamo discusso lo schema per l'apertura di ciascuna connessione multipla sopra. Poiché (in qualsiasi struttura Kekule) ciascuno dei sei atomi di carbonio è doppio legato ad un altro atomo di carbonio, allora (nel sistema KIP) ciascun atomo di carbonio dell'anello porta un ulteriore carbonio come “sostituente”. L'anello così integrato (Fig. 19, struttura IN) viene poi ampliato secondo le regole dei sistemi ciclici. Di conseguenza, la dissezione è descritta dal diagramma mostrato in Fig. 19, la struttura CON.

Riso. 19

6. Considereremo ora i composti chirali in cui le differenze tra i sostituenti non sono di natura materiale o costituzionale, ma si riducono a differenze di configurazione. I composti contenenti più di un centro chirale verranno discussi di seguito (vedi sezione 1.4). Qui parleremo dei sostituenti che differiscono cis-trans– isomerismo (tipo olefine). Secondo Prelog e Helmchen, il ligando olefinico in cui si trova il sostituente senior sullo stesso lato dal doppio legame dell'olefina, che è il centro chirale, ha un vantaggio rispetto al ligando in cui si trova il sostituente senior trance–posizione verso il centro chirale. Questa posizione non ha nulla a che fare con quella classica cis-trans-, né a E–Nomenclatura Z per la configurazione del doppio legame. Gli esempi sono mostrati nella Fig. 20.

Riso. 20

Composti con più centri chirali

Se una molecola ha due centri chirali, allora ciascun centro può averli (R)- O ( S)-configurazione, è possibile l'esistenza di quattro isomeri - R.R., SS, RS E S.R.:

Riso. 21

Poiché la molecola ha una sola immagine speculare, l'enantiomero del composto lo è (R.R.) può essere solo un isomero (SS). Allo stesso modo, un'altra coppia di enantiomeri forma isomeri (RS) E (S.R.). Se cambia la configurazione di un solo centro asimmetrico, vengono chiamati tali isomeri diastereoisomeri. I diastereomeri sono stereoisomeri che non sono enantiomeri. Quindi coppie diastereomeriche (R.R.)/(RS), (R.R.)/(S.R.), (SS)/(RS) E (SS)/(S.R.). Sebbene in generale la combinazione di due centri chirali produca quattro isomeri, la combinazione di centri della stessa struttura chimica produce solo tre isomeri: (R.R.) E (SS), essendo enantiomeri, e (RS), diastereomerico ad entrambi gli enantiomeri (R.R.) E (SS). Un tipico esempio è l'acido tartarico (Fig. 22), che ha solo tre isomeri: una coppia di enantiomeri e forma meso.

Riso. 22

meso-Vino l'acido è (R, S) isomero, che è otticamente inattivo, poiché la combinazione di due frammenti specularmente simmetrici porta alla comparsa di un piano di simmetria (a). meso-Vino L'acido è un esempio di composto achirale di configurazione meso, che è costituito da un numero uguale di elementi chirali identici nella struttura ma diversi nella configurazione assoluta.

Se la molecola ha P centri chirali, il numero massimo di stereoisomeri può essere calcolato utilizzando la formula 2 N; tuttavia, a volte il numero di isomeri sarà inferiore a causa della presenza di forme meso.

Per i nomi di stereoisomeri di molecole contenenti due atomi di carbonio asimmetrici, due sostituenti su ciascuno dei quali sono uguali e il terzo è diverso, vengono spesso usati i prefissi eritro- E trio- dai nomi degli zuccheri eritrosio e treosio. Questi prefissi caratterizzano il sistema nel suo insieme e non ciascun centro chirale separatamente. Quando si descrivono tali connessioni utilizzando le proiezioni di Fischer in coppia eritro- isomeri, gli stessi gruppi si trovano su un lato, e se i diversi gruppi (C1 e Br nell'esempio sotto) fossero uguali, si otterrebbe la forma meso. Accoppiato con tre- isomeri, gli stessi gruppi si trovano su lati diversi e, se i diversi gruppi fossero gli stessi, la nuova coppia rimarrebbe una coppia enantiomerica.

Riso. 23

Tutti gli esempi di composti discussi sopra hanno un centro di chiralità. Un tale centro è un atomo di carbonio asimmetrico. Tuttavia, anche altri atomi (silicio, fosforo, zolfo) possono essere il centro della chiralità, come ad esempio nel metilnaftilfenilsilano, nell'o-anisilmetilfenilfosfina, nel metil p-tolil solfossido (Fig. 24).

Riso. 24

Chiralità di molecole prive di centri chirali

Una condizione necessaria e sufficiente per la chiralità di una molecola è la sua incompatibilità con la sua immagine speculare. La presenza di un singolo centro chirale (configurazionalmente stabile) in una molecola è una condizione sufficiente, ma non necessaria per l'esistenza della chiralità. Consideriamo le molecole chirali prive di centri chirali. Alcuni esempi sono mostrati nelle Figure 25 e 26.

Riso. 25

Riso. 26

Questi sono composti con assi di chiralità ( chiralità di tipo assiale): alleni; alchilidencicloalcani; spirane; i cosiddetti atropoisomeri (bifenili e composti simili, la cui chiralità è dovuta alla rotazione impedita attorno a un singolo legame). Un altro elemento della chiralità è il piano di chiralità ( chiralità planare). Esempi di tali composti sono i composti ansa (in cui l'anello aliciclico è troppo piccolo perché l'anello aromatico possa ruotare); paraciclofani; metalloceni. Infine, la chiralità di una molecola può essere messa in relazione all'organizzazione elicoidale della struttura molecolare. La molecola può avvolgersi in un'elica destrorsa o sinistrorsa. In questo caso si parla di elicità (chiralità di tipo spirale).

Per determinare la configurazione di una molecola avente asse di chiralità,è necessario introdurre un ulteriore punto nella regola di sequenza: i gruppi più vicini all'osservatore sono considerati più antichi dei gruppi lontani dall'osservatore. Questa aggiunta deve essere fatta, poiché per molecole con chiralità assiale è accettabile la presenza di sostituenti identici alle estremità opposte dell'asse. Applicazione di questa regola alle molecole mostrate in Fig. 25, mostrato in Fig. 27.

Riso. 27

In tutti i casi, le molecole sono viste lungo l'asse chirale a sinistra. Dovrebbe essere chiaro che se le molecole vengono considerate a destra, il descrittore della configurazione rimarrà lo stesso. La disposizione spaziale dei quattro gruppi di supporto corrisponde quindi ai vertici del tetraedro virtuale e può essere rappresentata mediante le corrispondenti proiezioni (Fig. 27). Per determinare il descrittore appropriato utilizziamo regole standard R, S- nomenclatura. Nel caso dei bifenili, è importante notare che i sostituenti nell'anello sono considerati dal centro (attraverso il quale passa l'asse chirale) alla periferia, in violazione delle regole di sequenza standard. Quindi, per il bifenile in Fig. 25 sequenza corretta dei sostituenti nell'anello destro C-OSH 3 >C-H; l'atomo di cloro è troppo distante per essere preso in considerazione. Gli atomi di supporto (quelli da cui viene determinato il simbolo di configurazione) risultano essere gli stessi se la molecola viene vista da destra. A volte vengono utilizzati descrittori per distinguere la chiralità assiale da altri tipi aR E COME (O R UN E S UN), tuttavia l'uso del prefisso " UN» non è obbligatorio.

In alternativa, le molecole con assi di chiralità possono essere pensate come elicoidali e la loro configurazione può essere denotata dai simboli R E M. In questo caso, per determinare la configurazione, vengono considerati solo i sostituenti con la priorità più alta sia nella parte anteriore che in quella posteriore (lontana dall'osservatore) della struttura (sostituenti 1 e 3 in Fig. 27). Se la transizione dal vice 1 anteriore con priorità più alta al vice 3 posteriore con priorità più alta è in senso orario, allora questa è la configurazione R; se in senso antiorario, questa è la configurazione M.

Nella fig. 26 mostra le molecole con piani di chiralità. La definizione del piano chirale non è così semplice e inequivocabile come la definizione del centro e dell'asse della chiralità. Questo è un piano che contiene il maggior numero possibile di atomi della molecola, ma non tutti. In effetti, la chiralità si verifica perché (e solo perché) almeno un sostituente (solitamente più di uno) non si trova nel piano della chiralità. Quindi, il piano chirale del composto ansa UNè il piano dell'anello benzenico. Nel paraciclofano IN l'anello più sostituito (inferiore) è considerato il piano chirale. Per determinare un descrittore per le molecole chirali planari, un piano viene visto dal lato dell'atomo più vicino al piano ma non nel piano (se ci sono due o più candidati, viene selezionato quello più vicino all'atomo con la priorità più alta secondo le regole della sequenza). Questo atomo, a volte chiamato atomo test o atomo pilota, è indicato da una freccia in Fig. 26. Quindi, se tre atomi consecutivi (a, b, c) con la massima priorità formano una linea spezzata nel piano chirale, piegandosi in senso orario, allora la configurazione del composto PR (O R P), e se la polilinea si piega in senso antiorario, allora il descrittore di configurazione p.s(O S P). La chiralità planare, come la chiralità assiale, può in alternativa essere considerata un tipo di chiralità. Per determinare la direzione (configurazione) dell'elica, bisogna considerare l'atomo pilota insieme agli atomi a, b e c, come sopra definiti. Da questo è chiaro che PR- le connessioni corrispondono R-, UN p.s- connessioni – M– elicità.

Si pone il seguente problema; Come possiamo designare una determinata configurazione in un modo più semplice e conveniente, in modo da non disegnarne ogni volta la struttura? A questo scopo il più utilizzato

simboli Questa notazione è stata proposta da Kahn (Chemical Society, Londra), K. Ingold (University College, Londra) e V. Prelog (ETH, Zurigo).

Secondo questo sistema, la precedenza, o sequenza, dei sostituenti, cioè dei quattro atomi o gruppi associati ad un atomo di carbonio asimmetrico, viene determinata innanzitutto in base alla regola della precedenza (Sezione 3.16).

Ad esempio, nel caso di un atomo di carbonio asimmetrico, sono legati quattro atomi diversi e la loro anzianità dipende solo dal numero atomico, e quanto più alto è il numero atomico, tanto più vecchio è il sostituente. Pertanto, in ordine di precedenza decrescente, gli atomi sono disposti nel seguente ordine:

La molecola viene quindi posizionata in modo che il gruppo più basso sia diretto lontano dall'osservatore e viene considerata la posizione dei gruppi rimanenti. Se l'anzianità di questi gruppi diminuisce in senso orario, allora la configurazione è denotata dal simbolo R (dal latino rectus - destra); se l'anzianità di questi gruppi diminuisce in senso antiorario, la configurazione è designata da un simbolo (dal latino sinistro - sinistra).

Quindi le configurazioni I e II appaiono così:

e sono contrassegnati di conseguenza dai simboli

Il nome completo di un composto otticamente attivo riflette sia la configurazione che la direzione di rotazione, come ad esempio La modificazione racemica può essere designata con il simbolo ad esempio -sec-butil cloruro.

(La designazione dei composti con più atomi di carbonio asimmetrici è discussa nella Sezione 3.17.)

Naturalmente non dobbiamo confondere la direzione della rotazione ottica di un composto (la stessa proprietà fisica di una sostanza reale come il punto di ebollizione o di fusione) con la direzione del nostro sguardo quando disponiamo mentalmente la molecola in un certo modo convenzionale. Fino a quando non viene stabilita sperimentalmente la connessione tra la configurazione e il segno di rotazione per un particolare composto, non si può dire se il segno o corrisponda alla configurazione o -.