Конфигурационная стереоизомерия молекул с двумя и более центрами хиральности. s,p–диастереомерия. Свойства энантиомеров и диастереомеров

Стереоизомсры — это соединения о одинаковым строением, т. е. одним п тем же порядком соединения атомов, но отличающиеся расположенное тех же атомов в пространстве. С позиции их относительной устойчивости стереоизомеры разделяют на конфигурационные и конформационные. С позиции представлений симметрии все стереоизомеры разделяют на энантиомеры и диастереомеры.

σ-Диастереомеры. В виде диастереомеров могут существовать соединения, молекулы кото­рых имеют два и более центра хиральности. С увеличением числа асимметри­ческих атомов углерода число стереоизомеров удваивается с появлением каж­дого нового центра хиральности и может быть вычислено по формуле N = 2ⁿ, где N— число стереоизомеров, а п — число центров хиральности. Молекулы с двумя ¹²С* могут существовать в виде 4-x стереоизомеров. Например, для хлорояблочной кислоты.

Пары стереоизомеров (I) и (II), а также (III) и (IV) относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение, т. е. являются парами энантиомеров. Стереоизомеры в любых других парах являются диасте­реомерами. Так, в паре (I) и (III) атомы С-2 имеют одинаковую конфигура­цию, тогда как атомы С-3 — противоположную; подобная же ситуация наблюдается в парах (I) и (IV), (II) и (III), (II) и (IV). В проекционных формулах (I) и (II) одинаковые лиганды (атомы водоро­да) находятся по одну сторону проекции, такие стереоизомеры называют эритро-формами. В формулах (III) и (IV) эти же лиганды находятся по разные стороны вертикальной линии проекции Фишера, соответствующие им соеди­нения называют трео-формами.

В молекулах, имеющих несколько ¹²С*, конфигура­ция каждого центра хиральности по R,S-системе обозначается отдельно по тем же правилам, что и для соединений с одним центром хиральности.

В отличие от энантиомеров, диастереомеры имеют различия в физических и химических свойствах. Они отличаются температурами плавления и кипе­ния, имеют разную плотность, показатели преломления, растворимость, ди­польные моменты. Оптическая активность диастереомеров, представляющих собой хиральные молекулы, отличается по знаку и по величине угла. Диасте­реомеры с разной скоростью реагируют с одинаковыми веществами. Более то­го, из диастереомеров могут образовываться разные по строению вещества.

мезо- Соединения. В тех случаях, когда асимметрические атомы углерода имеют одинаковое окружение, общее число конфигурационных стереоизоме­ров не отвечает формуле 2^п. Так, винная кислота с двумя ¹²С* в молекуле должна бы существо­вать в виде четырех конфигурационных стереоизомеров, однако для нее из­вестны только три индивидуальных стереоизомера: (2R,3R)- и (2S,3S)-винные кислоты, а также оптически недеятельная мезовинная кислота. Известен лишь один рацемат — виноградная кислота. Отсутствие оптической активности у мезовинной кислоты объясняется тем, что ее молекула ахиральна, потому что имеет плоскость симметрии, проходящую через середину связи С-2—С-3:

Необходимо отметить, что хиральные молекулы могут иметь оси симмет­рии n-го порядка. Так, у оптически активных винных кислот имеются оси симметрии второго порядка С₂. При повороте вокруг этих осей на 180° все точ­ки молекул занимают положения, аналогичные тем, которые они занимали перед выполнением операции симметрии. Асимметричные молекулы (типа бутанола-2) не имеют элементов симметрии (кроме осей первого порядка С₁, присущих любым телам):

У соединений с тремя центрами хиральности и одинаковым набором за­местителей у ¹²С* число индивидуальных стереоизомеров также не соответствует расчетному. Например, спирты, образующиеся при восстановлении пентоз, имеют в своих молекулах по три асимметрических атома, но вместо восьми конфигурационных стереоизомеров имеют лишь четыре: две оптически активные формы — D- и L-арабиты — и две мезо-формы — рибит и ксилит:

У оптически активных арабитов атом С-3 не является асимметрическим, по­скольку соединен с двумя группами С*Н(ОН)СН₂ОН, имеющими одинаковое строение и одинаковую конфигурацию центра хиральности. У мезо-форм — рибита и ксилита — периферические ¹²С* С-2 и С-4 имеют противоположные конфигурации, поэтому заместители С*Н(ОН)СН₂ОН уже не будут полностью идентичными, из-за чего С-3 следует рассматривать как ¹²С*. Такие атомы углерода называют псевдоасимметрическими и обозначают строчными буквами r и s. В молекуле рибита С-3 имеет s-конфигу­рацию, в молекуле ксилита — r-конфигурацию. Поскольку в системе Кана-Ингольда-Прелога заместитель с R-конфигурацией имеет преимущество перед за­местителем с S-конфигурацией, то группа С*Н(ОН)СН₂ОН с R-конфигурацией старше группы с S-конфигурацией. Однако из-за того, что молекулы рибита и ксилита имеют плоскость симметрии σ, то в целом они ахиральны:

Диастереомерия циклических соединений. Стереоизомерия цикличе­ских соединений имеет ряд особенностей. Так, в циклоалканах с двумя и более заместителями пары заместителей могут располагаться как по одну, так и по разные стороны условно плоских циклов. В первом случае говорят о цис-рас­положении лигандов, в другом транс-. По отношению друг к другу такие стереоизомеры явля­ются диастереомерами. Приставки цис- и транс- используют применительно только к дизамещенным циклам. Для соединений с тремя и более заместителями применяют более сложную систему обозначения конфигурации.

Молекулы замещенных циклоалканов могут быть ахиральными и хираль­ными. Например, молекула циклопропан-1,2-дикарбоновой кислоты имеет два асимметрических атома углерода и, следовательно, должна бы существо­вать в виде четырех конфигурационных изомеров. Однако в молекуле цис-циклопропан-1,2-дикарбоновой кислоты имеется плоскость симметрии. Вследствие этого молекула ахиральна и представляет собой мезо-форму. транс-Изомер существует в виде пары энантиомеров, его молекулы хиральны и не имеют плоскостей симметрии. Для обозначения конфигурации асимметрических атомов углерода в заме­щенных циклоалканах можно применять R,S-систему.

В полициклических насыщенных системах число асимметрических ато­мов обычно велико и общее число стереоизомеров часто не отвечает формуле N = 2^п. Это обусловлено тем, что существование некоторых стереоизомеров даже теоретически невозможно. Так, молекула 3-бромо-5-метиладамантан-1- карбоновой кислоты имеет в своем составе четыре асимметрических атома уг­лерода; несмотря на это для данного соединения известна лишь одна пара энантиомеров. Ни у одного из четырех центров хиральности нельзя поменять конфигурацию, не нарушив жесткую структуру адамантана:

π-Диастереомеры. Алкены и их производные с общей формулой ABC=CDE могут существо­вать в виде π-диастереомеров. Они возникают при условии неидентичности лигандов, связанных с отдельными атомами углерода двойной связи, т. е. должны выполняться условия А ≠ В, D ≠ Е. π-Диастереомеры отли­чаются друг от друга различным расположением лигандов относительно плос­кости симметрии π-связи. Для обозначения диастереомеров этого типа ис­пользуют префиксы цис- и транс-. У цис-изомеров одинаковые лиганды рас­положены по одну сторону плоскости симметрии, у транс-изомеров — по раз­ные стороны. Молекулы π-диастереомеров ахиральны, имеют как минимум одну плоскость симметрии (плоскость, в которой лежат σ-связи sp²-гибридизованных атомов углерода), π-Диастереомеры отличаются друг от друга физи­ческими и химическими свойствами, например:

цис-транс-Изомеры существуют потому, что свободное вращение вокруг двойной связи не происходит, иначе неизбежно нарушилась бы π-связь:

Принцип старшинства заместителей (правило последовательности) лежит в основе E,Z-cucmeмы, применяемой для обозначения конфигурации двойных связей цис- и транс -изомеров. Для этого в парах лигандов, соединенных с каж­дым из атомов двойной связи, определяют старшинство заместителей. Если старшие заместители каждой пары находятся по одну сторону двойной связи, то конфигурацию обозначают префиксом (Z)-, в том случае, когда старшие лиганды находятся по разные стороны плоскости симметрии двойной связи, применяют префикс (Е)-. E,Z-Система позволяет однозначно указывать расположение замес­тителей у С=С, так как цис- и транс- применимы не во всех случаях. В двух последних случаях обозначение префиксами цис- и транс- неприемлемо: