Несколько стереоцентров
Диастереомеры и мезо-формы
Молекула с \(n\) стереоцентрами имеет не более \(2^n\) стереоизомеров; при двух стереоцентрах их четыре. Если же оба центра несут одинаковые наборы заместителей, одна из комбинаций совпадает со своим зеркальным отражением (мезо-форма), и стереоизомеров остаётся три.
Энантиомеры и диастереомеры
У 2-бром-3-хлорбутана четыре стереоизомера: (2R,3R), (2S,3S), (2R,3S) и (2S,3R). Пары (R,R)/(S,S) и (R,S)/(S,R) являются энантиомерами (обращены конфигурации всех центров), а, например, (R,R) и (R,S) — диастереомерами, то есть стереоизомерами, не являющимися зеркальными отражениями друг друга. Диастереомеры — разные вещества с разными температурами плавления, растворимостью и спектрами; их разделяют обычной перекристаллизацией или хроматографией.
Мезо-формы
Если два стереоцентра несут одинаковые наборы заместителей (2,3-дибромбутан, винная кислота), изомер (R,S) совпадает со своим отражением (S,R): он имеет плоскость симметрии и ахирален. У винной кислоты (R,R)-изомер — природная правовращающая кислота, (S,S)-изомер — левовращающая, мезо-форма оптически неактивна; рацемат (R,R)+(S,S) — «виноградная кислота», которую изучал Пастер.
| Стереоизомер 2,3-дибромбутана | Хиральность | Вращение | Т. пл. |
|---|---|---|---|
| (2R,3R) | хирален | \(+\) | \(-24\ ^\circ\)C (рацемат) |
| (2S,3S) | хирален | \(-\) | |
| (2R,3S) = (2S,3R) | мезо, ахирален | 0 | \(-34\ ^\circ\)C |
Циклы подчиняются тем же правилам: у 1,2-диметилциклогексана цис-изомер является мезо-формой, а транс-изомер — парой энантиомеров; у 1,4-диметилциклогексана стереоцентров нет, и существуют только цис- и транс-изомеры.
boltИщите плоскость симметрии
Прежде чем применять формулу \(2^n\), проверьте, одинаковы ли половины молекулы. Если стереоцентры несут одинаковые наборы заместителей, одна из комбинаций является мезо-формой, и общее число изомеров равно \(2^n\) за вычетом числа таких совпадений. Для двух одинаковых центров получается три изомера, для трёх центров с симметрией (как в пентан-2,3,4-триоле) — четыре.
edit_noteРазбор задачи: бромирование гекс-3-ена
При анти-присоединении брома возникают два стереоцентра с одинаковыми наборами заместителей. Из транс-гекс-3-ена образуется мезо-3,4-дибромгексан, из цис-гекс-3-ена — рацемат (3R,4R) и (3S,4S). Реакцию, в которой из одного исходного вещества получается только один диастереомер, называют стереоспецифической: по продукту можно установить геометрию исходного алкена.
errorМезо-форма не является рацематом
Обе смеси оптически неактивны, но по разным причинам. Мезо-форма — индивидуальное ахиральное вещество, которое нельзя разделить на энантиомеры. Рацемат — смесь двух хиральных веществ в равных количествах, которую можно разделить (урок 23).
auto_awesomeВинная кислота
Винная кислота существует в трёх стереоизомерных формах: (R,R), (S,S) и мезо. Именно с её солями работал Пастер, а оптически неактивная мезо-винная кислота стала первым известным мезо-соединением.
Проекции Фишера
Несколько стереоцентров подряд удобно изображать проекцией Фишера: главную цепь располагают вертикально, и она направлена от наблюдателя, а горизонтальные связи направлены к наблюдателю; каждый крест соответствует стереоцентру. Эмиль Фишер предложил этот способ в 1891 году для изображения сахаров.
Правила обращения с проекцией
- Поворот на \(180^\circ\) в плоскости листа сохраняет конфигурацию, поворот на \(90^\circ\) обращает её.
- Обмен местами двух любых заместителей обращает конфигурацию, два обмена возвращают исходную.
- Выводить проекцию из плоскости листа (переворачивать её) нельзя.
boltОпределение R/S по проекции Фишера
Если младший заместитель расположен на вертикальной линии (направлен от наблюдателя), обход старших заместителей читают непосредственно; если на горизонтальной (направлен к наблюдателю) — ответ меняют на противоположный. В молекулах с несколькими центрами каждый центр рассматривают отдельно.
edit_noteРазбор задачи: L-серин в проекции Фишера
Сверху группа COOH, снизу \(\ce{CH2OH}\), слева \(\ce{NH2}\), справа H. Старшинство: \(\ce{NH2}\) > COOH (O,O,O) > \(\ce{CH2OH}\) (O,H,H) > H. Атом H стоит на горизонтали, то есть направлен к наблюдателю, поэтому видимый обход надо обратить. Обход \(\ce{NH2}\) → COOH → \(\ce{CH2OH}\) на рисунке идёт по часовой стрелке, значит, конфигурация S.
Обозначения D и L
Исторические обозначения D и L (по глицериновому альдегиду) относятся к проекции Фишера: в D-ряду группа OH (или \(\ce{NH2}\)) при нижнем стереоцентре расположена справа, в L-ряду — слева. Природные сахара относятся к D-ряду, природные аминокислоты — к L-ряду.
errorОбозначения D/L, R/S и знак вращения — разные характеристики
D-Глицериновый альдегид имеет (R)-конфигурацию и является правовращающим, однако D-фруктоза левовращающая, а L-цистеин имеет (R)-конфигурацию. Три обозначения отвечают на три разных вопроса: к какому ряду относится соединение по Фишеру, какова его абсолютная конфигурация по правилам старшинства и в какую сторону оно вращает плоскость поляризации.
history_eduПредположение Фишера
Устанавливая строение сахаров, Фишер не мог знать абсолютную конфигурацию и произвольно принял, что у (+)-глицеринового альдегида группа OH расположена справа. В 1951 году Бейвут рентгеноструктурным методом с использованием аномального рассеяния показал, что предположение Фишера оказалось верным: его условная D-конфигурация совпала с действительной.
Практика: подсчёт стереоизомеров
Чтобы подсчитать стереоизомеры без пропусков, находят все стереоэлементы, вычисляют \(2^n\) и вычитают совпадения, обусловленные симметрией. Атом углерода в цикле также может быть стереоцентром, если два пути вокруг кольца различны: атом C1 в 2-метилциклогексаноле является стереоцентром, а атом C1 в 4-метилциклогексаноле — нет.
boltАлгоритм подсчёта
- Стереоцентры — атомы с четырьмя разными группами (в цикле сравнивают два пути по кольцу).
- Стереогенные двойные связи — связи с двумя разными заместителями при каждом атоме.
- Число комбинаций равно \(2^n\).
- Симметрия: одинаковые половины молекулы дают мезо-формы, и совпадения вычитают.
edit_noteРазбор задачи: 3-метилциклопентанол
Атом C1 несёт группу OH, атом C3 — метильную группу; пути по кольцу от каждого из них различаются, поэтому оба — стереоцентры с разными наборами заместителей. Мезо-формы нет: \(2^2 = 4\) стереоизомера — две пары энантиомеров (цис и транс).
edit_note4-Метилциклогексанол
Атомы C1 и C4 лежат на оси симметрии кольца: два пути от C1 к C4 одинаковы, поэтому стереоцентров нет. Существуют два изомера, цис и транс, оба ахиральны.
errorСтереоцентр в цикле
Проверяйте кольцо, пройдя от атома в обе стороны: если пути одинаковы до самого конца, атом не является стереоцентром, даже если при нём находятся два разных заместителя (OH и H).
auto_awesomeОдин из 256
В молекуле холестерина восемь стереоцентров, то есть возможны \(2^8 = 256\) стереоизомеров. Живые организмы синтезируют только один из них: ферменты работают с определённой пространственной формой молекулы.
push_pinГлавное
Два стереоцентра дают до четырёх стереоизомеров: две пары энантиомеров, относящиеся друг к другу как диастереомеры. В симметричной молекуле одна пара вырождается в мезо-форму. Проекция Фишера является стандартным способом записи, и её правила нарушать нельзя.
Закрепите теорию: 10 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.