Хиральность без стереоцентров и прохиральность
Осевая хиральность
Молекула может быть хиральной и без стереоцентра, если у неё нет плоскости и центра симметрии. Наиболее известный случай — осевая хиральность: заместители на концах оси лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. Так построен аллен с двумя разными заместителями на каждом конце (пента-2,3-диен). Кумулены с нечётным числом двойных связей хиральны по той же причине, а кумулены с чётным числом двойных связей образуют E/Z-изомеры.
Атропоизомеры
Атропоизомерами называют конформеры, которые не переходят друг в друга из-за высокого барьера вращения. У бифенилов с четырьмя объёмными орто-заместителями (например, у 6,6′-динитродифеновой кислоты) вращение вокруг связи между кольцами заторможено настолько, что энантиомеры выделяют по отдельности. На осевой хиральности бинафтолов (BINOL) и бифосфинов (BINAP) основаны важнейшие катализаторы асимметрического синтеза. Спираны (два цикла с одним общим атомом) хиральны при подходящих заместителях, а алкилиденциклоалканы являются аналогами алленов, в которых одна π-связь заменена кольцом.
edit_noteРазбор задачи: барьер вращения и время жизни атропоизомера
Константа скорости рацемизации атропоизомера \(k = 10^{13}e^{-E_a/RT}\). При барьере 60 кДж/моль \(k \approx 300\) с\(^{-1}\), и энантиомеры выделить невозможно; при 90 кДж/моль \(k \approx 2\cdot10^{-3}\) с\(^{-1}\), и полупревращение занимает минуты; при 100 кДж/моль — часы, при 120 кДж/моль — годы. Порог около 100 кДж/моль, при котором энантиомеры становятся выделяемыми, и является границей между конформерами и конфигурационными изомерами.
boltХиральна ли молекула без стереоцентра
Ищите элементы симметрии: плоскость симметрии или центр инверсии делают молекулу ахиральной. Если их нет, молекула хиральна независимо от наличия стереоцентров. У аллена проверяйте каждый конец: если хотя бы на одном из них находятся два одинаковых заместителя, появляется плоскость симметрии.
errorБута-1,2-диен ахирален
В молекуле \(\ce{CH2=C=CH-CH3}\) на левом конце находятся два атома водорода, через которые проходит плоскость симметрии. Хиральность аллена требует двух разных заместителей на каждом конце.
auto_awesomeПервое разделение атропоизомеров
В 1922 году Кристи и Кеннер разделили 6,6′-динитродифеновую кислоту на энантиомеры через соли с бруцином. Так было доказано, что бифенилы могут быть неплоскими и что хиральность не требует асимметрического атома углерода.
Планарная и спиральная хиральность
Общий критерий хиральности не связан со стереоцентрами: хиральна любая молекула, не имеющая зеркально-поворотных осей симметрии, к которым относятся плоскость симметрии и центр инверсии. Стереоцентр является лишь самым частым, но не единственным источником хиральности.
- Планарная хиральность возникает, когда плоский фрагмент с заместителем закреплён относительно другой части молекулы так, что плоскость симметрии исчезает: [2.2]парациклофаны с заместителем в кольце, транс-циклооктен (кольцо слишком мало, чтобы двойная связь могла повернуться), ферроцены с двумя разными заместителями в одном кольце.
- Спиральная хиральность характерна для гелиценов: шесть и более орто-конденсированных бензольных колец закручиваются в правую или левую спираль, и их удельное вращение достигает тысяч градусов. Спиральную хиральность имеют также двойная спираль ДНК и α-спираль белков: правая закрутка задана хиральностью мономеров.
| Тип хиральности | Пример | Причина хиральности |
|---|---|---|
| центральная | бутан-2-ол | атом с четырьмя разными группами |
| осевая | пента-2,3-диен, BINOL | заместители в перпендикулярных плоскостях на оси |
| планарная | транс-циклооктен, парациклофан | закреплённая плоскость с заместителем |
| спиральная | гексагелицен | правая или левая спираль |
edit_noteРазбор задачи: транс-циклононен
Транс-циклононен хирален: кольцо огибает двойную связь с одной стороны. Но девять атомов уже позволяют кольцу медленно «перешагнуть» через двойную связь на другую сторону, и при комнатной температуре энантиомеры быстро превращаются друг в друга. Хиральную молекулу можно разделить на энантиомеры, только если барьер их взаимопревращения высок.
errorНаличие стереоцентров не означает хиральности, и наоборот
Мезо-винная кислота имеет два стереоцентра и ахиральна. Пента-2,3-диен не имеет ни одного стереоцентра и хирален. Отвечая на вопрос о хиральности молекулы, ищите элементы симметрии, а не стереоцентры.
boltМысленное зеркало
Нарисуйте зеркальное отражение молекулы и попробуйте совместить его с оригиналом поворотами. Не совмещается — молекула хиральна, даже если в ней нет ни одного стереоцентра.
auto_awesomeРекордное вращение
Гексагелицен — шесть бензольных колец, свёрнутых в спираль, — разделили на энантиомеры Мелвин Ньюман и Даниэл Ледничер в 1956 году. Его удельное вращение превышает \(3000^\circ\) — в десятки раз больше, чем у обычных хиральных веществ.
Прохиральность
Фермент способен отличить два формально одинаковых атома водорода группы \(\ce{CH2}\), поскольку в трёхмерном пространстве они неравноценны: замена одного из них даёт один энантиомер, замена другого — второй. Ахиральный реагент их не различает, хиральный фермент — различает.
Гомотопные, энантиотопные и диастереотопные группы
В этаноле \(\ce{CH3-CH2-OH}\) два атома водорода группы \(\ce{CH2}\) энантиотопны: замена любого из них на дейтерий даёт (R)- или (S)-1-дейтероэтанол; фермент алкогольдегидрогеназа отщепляет строго один из них (pro-R). В хиральной молекуле два атома водорода одной группы \(\ce{CH2}\) диастереотопны: их замена даёт диастереомеры, и такие протоны наблюдаются в спектре ЯМР как разные сигналы даже без участия фермента. Группы, одинаковые во всех отношениях (три атома водорода метильной группы), называют гомотопными.
Грани карбонильной группы
Плоский карбонильный атом углерода имеет две грани, Re и Si, которые различают по направлению обхода заместителей в порядке старшинства при взгляде на грань. Ахиральный нуклеофил атакует обе грани с равной вероятностью, и образуется рацемат; хиральный реагент или фермент выбирает одну грань.
boltПроверка заменой на дейтерий
Мысленно замените одну из групп на дейтерий и сравните результат с продуктом замены другой группы: если получается то же вещество, группы гомотопны; если энантиомеры — энантиотопны; если диастереомеры — диастереотопны. Именно диастереотопные протоны дают дополнительные сигналы в спектре ЯМР.
scienceПрисоединение к одной из двух граней
- \(\ce{CH3-CO-CH2-CH3 + NaBH4 ->[H2O] }\) рацемический бутан-2-ол — гидрид-ион подходит к граням Re и Si одинаково часто.
- \(\ce{CH3-CO-COOH + NADH + H+ ->[\text{лактатдегидрогеназа}] }\) (S)-молочная кислота \(\ce{+ NAD+}\) — фермент переносит гидрид-ион только на одну грань пировиноградной кислоты.
- \(\ce{CH3-CH2-OH + NAD+ ->[\text{алкогольдегидрогеназа}] CH3-CHO + NADH + H+}\) — отщепляется строго pro-R-атом водорода; это доказано с помощью \(\ce{CH3-CHD-OH}\) по распределению дейтерия.
- \(\ce{C6H5-CHO + HCN ->[\text{оксинитрилаза}] }\) (R)-манделонитрил — ферментативное присоединение к одной грани бензальдегида, промышленный путь к хиральным циангидринам.
edit_noteРазбор задачи: атомы водорода при C2 бутана
Бутан ахирален. Заменим на дейтерий один из двух атомов водорода при C2 — получится 2-дейтеробутан с новым стереоцентром; замена другого атома даёт его энантиомер. Значит, эти атомы водорода энантиотопны: их различают только хиральные реагенты и ферменты.
errorЭнантиотопные группы неразличимы без хирального окружения
В спектре ЯМР этанола два протона группы \(\ce{CH2}\) дают один сигнал: энантиотопные группы различает только хиральное окружение (фермент, хиральный растворитель). Разные сигналы в ахиральной среде являются признаком диастереотопности.
auto_awesomeТрёхточечное связывание
В 1948 году Александр Огстон объяснил, почему ферменты различают две одинаковые на вид группы лимонной кислоты: молекула связывается с ферментом в трёх точках, и две группы оказываются в неравноценных положениях. Так прохиральность получила биохимический смысл.
push_pinГлавное
Стереоцентр — не единственный источник хиральности: ось (аллены, бифенилы), плоскость (циклофаны, ферроцены) и спираль (гелицены) также делают молекулу несовместимой с её зеркальным отражением. Понятие прохиральности объясняет, почему ферменты различают формально одинаковые атомы водорода и грани карбонильной группы.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.