Конформационная изомерия

Модуль IV

Тема занятия №2: “ Стереоизомерия биологически активных поли-, гетерофункциональных и высокомолекулярных органических соединений”

Цель занятия: Научиться определять вид изомерии; отличать конформационный и конфигурационный стереоизомер; уметь объяснять оптическую активность органического соединения; определять число оптических изомеров; давать названия рацематам.

 

Студент должен знать:

- сущность явления изомерии;

- виды изомерии;

- сущность явления оптической изомерии;

- особенности и различия изомеров, таутомеров, конформеров и энантиомеров.

Студент должен уметь:

- определять вид изомерии;

- асимметрический атом в соединении;

- отличить конформационный и конфигурационный стереоизомер;

- давать определение рацемату;

- объяснить отсутствие оптической активности у данного соединения.

 

 

Изомерия – это существование веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение.

 

 

 

 

Структурная изомерия

 

Она делится:

1) Изомерия цепи

С4Н10	СН3 – СН2 – СН2 – СН3
	Бутан	2-Метилпропан

2) Изомерия положения кратной связи и функциональных групп

С4Н8	СН2 = СН – СН2 – СН3	СН3 – СН = СН – СН3
	Бутен-1	Бутен-2
С3Н7ОН	СН3 – СН2 – СН2 – ОН
	Пропанол-1	Пропанол-2

3) Изомерия функциональных групп (межклассовая изомерия)

С3Н6О
	Пропаналь	Пропанон-2

Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Пространственное строение молекул связано со стереоспецифичностью биохимических процессов. Стереоспецифичность процессов, протекаюших в организме, состоит в том, что в реакцию вовлекаются определенные стереоизомеры и результатом реакции являются также стереохимически определенные продукты. Многие лекарственные вещества проявляют фармакологический эффект при взаимодействии с рецепторами клетки только в определенной форме, т. к. для этого необходимо, чтобы молекула лекарственного вещества имела такую конфигурацию, которая позволяла бы наиболее полно связываться с рецептором. Изменение конфигурации на противоположную, как правило, снижает степень связывания и ослабляет биологическое действие.

Итак, биологическое действие биорегуляторов (гормоны, витамины, антибиотики и др.) лекарственных веществ принципиально связано с пространственным строением их молекул.

Конформационная изомерия

К динамическому ряду пространственных изомеров относятся конформационные изомеры, или конформации.

Конформационныминазываются изомеры, молекулы которых переходят друг в друга за счет свободного вращения атомов и групп атомов вокруг одной или нескольких s-связей.

Появление коформаций связано с тем, что хотя вокруг одинарной связи должно быть свободное вращение, однако вследствие взаимного отталкивания атомов и групп атомов существует некоторый энергетический барьер, который необходимо преодолеть для осуществления такого свободного вращения.

Для изображения конформаций используют проекции Ньюмена.

Конформации, обладающие минимумом энергии и наиболее стабильные по этой причине, называются конформерами.

Различают для соединений с открытой цепью (например, для этана) заторможенную, заслоненную и скошенную конформации. Для циклических соединений (например, для циклогексана) - конформации "кресла" и "ванны". Энергетически выгодными являются заторможенная конформация и конформация "кресла".

 

С₂Н₆

 

 

 

 

Заслонённая конформация Заторможенная конформация

более энергетически выгодная

 

 

Формулы Ньюмена

 

С₆Н₁₂

Циклогексан

«Кресло»	«Ванна»

 

Форма «кресла» более энергетически выгодна, чем «ванна».

 

Конфигурационная изомерия.

Конфигурационными изомерами называются стереоизомеры, молекулы которых имеют различное расположение атомов в пространстве без учета конформаций.

По типу симметрии все стереоизомеры делятся на энантиомерыидиастереомеры.

В 1915 году французский физик Ж.-Б. Био открыл явление оптической активности - способности жидкостей вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света. Оптическую активность измеряют приборами, которые называются поляриметрами. Монохроматический свет, пройдя через поляризатор (призма Николя из исландского шпата), становится поляризованным. Если в прибор поместить раствор с оптически активным веществом, то поляризованный свет приобретает плоскость поляризации, смещенную на угол a.(измеряется в градусах).

В 1948 году Л. Пастер, отделив пинцетом друг от друга кристаллы двух зеркальных форм оптически неактивной натрий-аммониевой соли виноградной кислоты, получил из неактивной смеси оптически активные вещества. Оба изомера смещали плоскость поляризации поляризованного света на один и тот же угол, но в разные стороны: один - по часовой стрелке (правовращающий, "+"), другой - против часовой стрелки (левовращающий, "-"). Так впервые были получены право- и левовращающие винные кислоты из неактивной виноградной кислоты. Эти изомеры были названы оптическими антиподами, или оптическими изомерами.

Равная смесь право- и левовращающих изомеров одного соединения называется рацематом, она оптически неактивна.

Энантиомеры (оптические изомеры, зеркальные изомеры, антиподы)- это стереоизомеры, молекулы которых относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение. Это явление называется энантиомерией.

Энантиомерами являются только те соединения, в которых содержится один или несколько асимметрических (хиральных) атомов углерода.

Асимметрическим (хиральным) является атом, у которого выполняются следующие условия: 1) sp³ гибридное состояние, 2) все четыре заместителя разные.

Все физические и химические свойства энантиомеров одинаковы, кроме вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света и биологической активности.

Поляриметр позволяет определить только знак вращения, но не указывает, какой конкретно энантиомер имеет такое вращение. Для этого необходимо установить абсолютную конфигурацию, то есть истинное расположение заместителей в пространстве относительно хирального центра. Определяют абсолютную конфигурацию сложными физико-химическими методами. После выяснения абсолютных конфигураций нескольких соединений появилась возможность характеризовать все остальные путем сравнения их конфигураций с конфигурациями эталонных соединений, то есть определить относительные конфигурации.

В качестве стандарта М.А. Розанов в 1906 г. предложил "+"-глицериновый альдегид, которому условно приписали D-конфигурацию, а его антиподу левовращающему изомеру L-конфигурацию, то есть следующее расположение заместителей:

 

 

L-ряд D-ряд

Для изображения конфигурационных изомеров пользуются формулами Фишера. Хиральный центр рисуют с четырьмя связями, расположенными под прямым углом друг к другу. Вертикальные линии изображают заместителей, находящихся за плоскостью листа бумаги, горизонтальные - над плоскостью, центральный атом находится в плоскости листа. Асимметрический (хиральный) атом часто помечают звездочкой *.

К D-стереохимическому ряду относят родственные D-глицериновому альдегиду соединения с аналогичной конфигурацией центра хиральности, к L-ряду аналогично конфигурации L-глицеринового альдегида.

Важно отметить, что знак вращения не имеет прямой связи с конфигурацией.

Количество изомеров определяют по формуле:

N=2ⁿ, где N-число изомеров,

n-число хиральных атомов углерода

Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладаюшие оптической активностью, называются они мезоизомерами.

 

 

Например: Винная к-та
D – (+) – ряд L – (–) – ряд		Мезовинная к-та

Рацемат – виноградная к-та

 

s-Диастереомерия.

Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов углерода, обладающие различными физическими и химическими свойствами, называются s-диастереомерами.

Например, 2-гидрокси-3-хлорбутановая кислота имеет 4 изомера:

I и II, III и IV – энантиомеры:

I и III, I и IV, II и III, II и IV – диастереомеры.

 

Таким образом, в зависимости от расположения атомов в пространстве могут быть различные пространственные изомеры, обладающие биологической активностью.

P-Диастереомерия.

p-Диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле p-связь. Они встречаются у алкенов, непредельных высших карбоновых к-т, непредельных дикарбоновых к-т

 

Биологическая активность органических вещ-в связана с их строением.

Например:

 

Цис-бутендиовая к-та, Транс-бутендиовая к-та,

малеиновая к-та – фумаровая к-та – не ядовита,

очень ядовита содержится в организме

 

Все природные непредельные высшие карбоновые к-ты являются цис-изомерами.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое изомерия (понятие)? Виды изомерии.

2. Структурная изомерия.

3. Конформационная изомерия.

4. Конфигурациооная изомерия: энантиомерия, диастереомерия.

5. Причины проявления органическими молекулами оптической изомерии? Хиральные молекулы, ассиметрический атом углерода. Абсолютная и относительная конфигурации. D- и L-стереоизомерические ряды. Рацематы.

6. p-Диастереомеры (цис- и транс-изомеры).

7. Единство структуры, конфигурации и конформации органических

соединений. Связь между пространственным строением и биологической активностью (фумаровая и малеиновая кислоты).

8. Напишите структурные формулы изомерных оксикислот состава С₅Н₁₀О₃. Укажите изомеры углеродного скелета и положения.

9. Напишите структурные формулы изомерных аминокислот состава С₅Н₁₁NО₂. Укажите изомеры, содержащие третичный атом углерода.

10. Приведите проекционную формулу Фишера для D-2-гидроксибутандиовой кислоты. Как определяется знак вращения для соединения.

11. Изобразите при помощи формулы Фишера структуру L-изомера для 3-гидроксибутановой кислоты.

12. Для каких соединений характерно существование цис- и транс-изомеров. Изобразите их:

а) , б) , в) .