Хиральность и энантиомеры
Хиральность и стереоцентр
Правая перчатка не надевается на левую руку, поскольку перчатка хиральна: она не совместима со своим зеркальным отражением. Молекула хиральна, если у неё нет плоскости симметрии и центра инверсии; самым частым источником хиральности является стереоцентр — атом углерода с четырьмя разными заместителями. Молекула и её зеркальное отражение составляют пару энантиомеров.
Обозначения R и S
Конфигурацию стереоцентра обозначают по правилам Кана–Ингольда–Прелога.
- Присвойте заместителям старшинство (так же, как при определении E/Z).
- Расположите молекулу так, чтобы младший заместитель (обычно атом водорода) был направлен от наблюдателя.
- Проследите направление обхода от первого заместителя ко второму и третьему: по часовой стрелке — R (rectus), против часовой стрелки — S (sinister).
Если младший заместитель направлен к наблюдателю, ответ меняют на противоположный.
Чем различаются энантиомеры
Температуры кипения и плавления, растворимость, спектры и реакционная способность по отношению к ахиральным реагентам у энантиомеров одинаковы. Различаются они только там, где присутствует другой хиральный объект: в плоскополяризованном свете, в реакциях с хиральными реагентами и катализаторами, при взаимодействии с ферментами и рецепторами.
| Пара энантиомеров | (R) | (S) |
|---|---|---|
| карвон | запах мяты | запах тмина |
| лимонен | апельсин | хвоя, скипидар |
| ибупрофен | неактивен (в организме частично превращается в S) | обезболивает |
| аспарагин | сладкий | горький |
| талидомид | седативное | тератоген |
edit_noteРазбор задачи: конфигурация 2-хлорбутана
Стереоцентр несёт Cl, \(\ce{C2H5}\), \(\ce{CH3}\) и H. Старшинство: Cl (атомный номер 17) > \(\ce{C2H5}\) (C с набором C,H,H) > \(\ce{CH3}\) (H,H,H) > H. Располагаем молекулу так, чтобы атом H был направлен от наблюдателя, и обходим Cl → \(\ce{C2H5}\) → \(\ce{CH3}\): по часовой стрелке — R, против — S.
errorСтереоцентр определяют по четырём разным группам
У пентан-3-ола \(\ce{CH3-CH2-CH(OH)-CH2-CH3}\) при центральном атоме находятся две одинаковые этильные группы, поэтому стереоцентра нет, и молекула ахиральна. У пентан-2-ола метильная и пропильная группы различны, и стереоцентр есть. Сравнивайте группы целиком, а не только их первые атомы.
history_eduПастер и кристаллы виноградной кислоты
В 1848 году Луи Пастер разделил пинцетом два вида кристаллов натрий-аммониевой соли винной кислоты, зеркальных друг другу, и обнаружил, что их растворы вращают плоскость поляризации света в противоположные стороны. Так была открыта молекулярная хиральность; тетраэдрическую модель атома углерода, объясняющую её, предложили Вант-Гофф и Ле Бель в 1874 году.
boltБыстрый поиск стереоцентров
Сразу вычёркивайте атомы с двумя атомами водорода, метильные группы и атомы двойных связей: они стереоцентрами не бывают. Проверяйте только оставшиеся атомы на четыре разных заместителя.
Оптическая активность
Энантиомеры различают на опыте по оптической активности: раствор одного энантиомера вращает плоскость поляризации света, причём угол вращения пропорционален энантиомерному избытку, а рацемат плоскость поляризации не вращает. Правовращающий (+) изомер вращает плоскость по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу, левовращающий (−) — против часовой стрелки.
Удельное вращение
\([\alpha]_D^{20} = \dfrac{\alpha}{l\cdot c}\), где \(\alpha\) — измеренный угол, \(l\) — длина кюветы в дециметрах, \(c\) — концентрация в г/мл; индекс D означает жёлтую линию натрия (589 нм).
| Вещество | \([\alpha]_D^{20}\), град | Вещество | \([\alpha]_D^{20}\), град |
|---|---|---|---|
| (+)-глюкоза (равновесие) | +52,7 | (+)-сахароза | +66,5 |
| (−)-фруктоза | −92 | (+)-камфора | +44 |
| (S)-(+)-молочная кислота | +3,8 | (R)-(+)-лимонен | +124 |
Энантиомерный избыток
Рацемат образуется всегда, когда хиральный продукт получают из ахиральных реагентов без участия хирального агента: оба энантиомера образуются с одинаковой скоростью. Чтобы получить один энантиомер, необходимы хиральный катализатор, хиральный реагент, фермент или разделение рацемата (урок 23).
edit_noteРазбор задачи: состав смеси по вращению
Образец молочной кислоты вращает плоскость поляризации на \(+2{,}28^\circ\) в тех же условиях, в которых чистая (S)-кислота даёт \(+3{,}8^\circ\). Энантиомерный избыток равен \(2{,}28/3{,}8 = 60\) %. Доля (S)-изомера составляет \(50 + 60/2 = 80\) %, доля (R)-изомера — 20 %: избыток равен разности долей, а не доле преобладающего энантиомера.
errorЗнак вращения не связан с обозначениями R и S
(R)-Глицериновый альдегид является правовращающим, а (R)-молочная кислота — левовращающей. По структуре нельзя определить направление вращения: его измеряют. Обозначения R и S, напротив, определяют по структуре без прибора. В задачах оба обозначения используются параллельно: (R)-(−)-молочная кислота.
boltДве формулы
Удельное вращение \([\alpha] = \alpha/(l\cdot c)\), где \(l\) — длина кюветы в дециметрах, \(c\) — концентрация в г/мл. Энантиомерный избыток равен отношению вращения смеси к вращению чистого энантиомера.
history_eduБио и поляризованный свет
Жан-Батист Био в 1815 году обнаружил, что растворы сахара и скипидар вращают плоскость поляризации света, причём одни вещества вправо, другие влево. Объяснение этому через строение молекул дали лишь Пастер и Вант-Гофф.
Практика: R/S и ee
Чтобы прочитать конфигурацию по формуле с клиньями, обращают внимание на направление младшего заместителя. Если он направлен от наблюдателя, обход читают непосредственно; если к наблюдателю — читают обход и меняют ответ на противоположный; если он лежит в плоскости, его меняют местами с задним заместителем, читают обход и снова меняют ответ.
boltОбмен двух заместителей
Обмен местами любых двух заместителей при стереоцентре обращает конфигурацию (R превращается в S). Два обмена подряд возвращают исходную конфигурацию; этим удобно проверять себя и переводить атом водорода в заднее положение без мысленного вращения молекулы.
edit_noteРазбор задачи: бутан-2-амин с атомом водорода на клине
Заместители: \(\ce{NH2}\) (1), \(\ce{C2H5}\) (2), \(\ce{CH3}\) (3), H (4). Атом водорода направлен к наблюдателю, поэтому видимое направление обхода нужно обратить. Если на рисунке \(\ce{NH2}\) → \(\ce{C2H5}\) → \(\ce{CH3}\) идёт по часовой стрелке, настоящая конфигурация — S.
edit_noteРазбор задачи: состав по энантиомерному избытку
При \(ee = 90\) % преобладающего энантиомера содержится \(50 + 90/2 = 95\) %, второго — 5 %. Обратная задача: смесь состава 75 : 25 имеет \(ee = 75 - 25 = 50\) %, и её вращение составляет половину вращения чистого энантиомера.
errorЭтильная группа старше метильной, но не старше гидроксильной
Старшинство определяется первым атомом: атом кислорода в группе OH старше любого атома углерода, даже если при углероде находится длинная цепь. Длина цепи имеет значение только тогда, когда первые атомы одинаковы.
auto_awesomeЗапах энантиомеров
(R)-Лимонен пахнет апельсином, а (S)-лимонен — хвоей и скипидаром. Обонятельные рецепторы хиральны и по-разному связывают энантиомеры, поэтому их запах может различаться.
push_pinГлавное
Молекула хиральна, если она не совместима со своим зеркальным отражением; чаще всего причиной хиральности служит атом углерода с четырьмя разными заместителями. Энантиомеры различаются только в хиральном окружении: по направлению вращения плоскости поляризации света, в реакциях с другими хиральными молекулами, в живом организме.
Закрепите теорию: 10 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.