Изомерия органических соединений.

Изомеры – вещества, отвечающие одной молекулярной формуле, но имеющие различное химическое строение (структурные изомеры) или различное расположение атомов или групп атомов в пространстве (пространственные или стереоизомеры).

Для биоорганической и биологической химии изомерия является причиной разной биологической активности.

То есть только определенные изомеры проявляют биологическую активность, которая может исчезнуть в процессе изомеризации, что вызывает патологические изменения в организме человека.

Различают структурную и пространственную изомерию органических веществ.

Виды структурной изомерии органических соединений

Структурные изомеры отличаются друг от друга химическим строением и, следовательно, обладают разными химическими свойствами.

Различают виды структурной изомерии:

1. Изомерия углеродного скелета

Формуле С₄ Н₁₀ соответствуют:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ н-бутан

СН₃-СН(СН₃)-СН₃ изо-бутан, 2-метилпропан

2. Изомерия положения кратной связи

Формуле С₄Н₈ соответствуют:

СН₂=СН-СН₂-СН₃ бутен-1

СН₃-СН=СН-СН₃ бутен-2

4. Изомерия положения функциональной группы

Формуле С₃Н₇NН₂ соответствуют:

СН₃-СН₂-СН₂-NН₂ пропанамин-1

СН₃-СН-СН₃ пропанамин-2

ǀ

NН₂

5. Изомерия функциональной принадлежности (межклассовая изомерия)

Формуле С₂Н₆О соответствуют:

СН₃-СН₂-ОН этанол

СН₃-О-СН₃ диметиловый эфир

 

Стереоизомерия органических соединений

Стереоизомеры различаются пространственным расположением атомов или групп атомов.

Различают виды стереоизомерии:

1. конформационная изомерия

2. энантиомерия

3. σ –диастереомерия

4. π- диастереомерия (геометрическая)

 

Конформа́ция молекулы (от лат.conformatio — форма, построение, расположение) — пространственное расположение атомов в молекуле определенной конфигурации, обусловленное поворотом вокруг одной или нескольких одинарных сигма-связей. Молекулы, отличающиеся только своими конформациями, называются конформерами, или поворотными изомерами. Существование конформации обусловлено пространственным взаимодействием (например, отталкиванием, притяжением, образованием водородных связей) не связанных между собой заместителей, в т.ч. и атомов водорода. Благодаря данному свойству органические молекулы с большим числом таких связей (например, белки) могут принимать различные конформации. Энергетически конформации различаются незначительно. Конформация с наименьшей энергией является наиболее устойчивой.

Например, на рис. a изображена заторможенная конформация этана, более устойчивая, чем заслоненная конформация, изображенная на рис. б.

 

 

Энантиомеры – это изомеры, которые относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним в пространстве зеркальное отражение.

Энантиомерия возможна у любых органических соединений, имеющих центр хиральности (от греч.сhiro – рука). Хиральным центром называют sp³- гибридный атом углерода, соединенный с 4-мя разными заместителями (асимметрический атом углеродаC^*).

Хиральные молекулы не могут быть совмещены в пространстве.

Например молекула молочной кислоты (2-гидроксипропановая кислота)

СН₃-СН(ОН)-СООН существует в виде двух энантиомеров.

 

Для изображения энантиомеров на плоскости используют проекционные формулы Фишера.

В зависимости от конфигурации хирального центра различают D- и L- конфигурации (формы). В D-форме функциональная группа(-ОН) хирального центра располагается справа от углеродной цепи; в L-форме –функциональная группа хирального центра (-ОН) располагается слева от углеродной цепи.

 

СООН СООНǀ ǀ

Н ОН НО Н

 

СН₃ СН₃

D- молочная кислота L- молочная кислота

Энантиомеры обладают оптической активностью. Они способны вращать плоскость поляризации света. Оптическая активность энантиомеров исследуется с помощью прибора – поляриметра, в котором луч света, пройдя через специальную призму Николя колеблется только в одной плоскости, т,е. становится плоскополяризованным. У энантиомеров угол вращения плоскости поляризации света одинаковый, но направление вращения противоположное. Один энантиомер – левовращающий, знак (-); другой правовращающий, знак (+).Знак вращения плоскости поляризации света не связан с принадлежностью к Д- или L-ряду, он определяется экспериментально. Таким образом, энантиомеры, обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами, но являются оптическими антиподами, т.е. имеют противоположную оптическую активность и имеют различную физиологическую активность.

σ-Диастереомерия возникает в молекулах с двумя и более центрами хиральности.

σ-Диастереомеры – оптические изомеры, не являющиеся зеркальным изображением друг друга.Число стереоизомеров в хиральных структурах рассчитывают по формуле Фишера:

Z =2ⁿ, где n-число центров хиральности.

Например в молекуле 2,3,4–тригидроксибутаналя СН₂(ОН)-СН(ОН)-СН(ОН)-СНО n=2; существует Z = 2² = 4 стереоизомера, т.е. две пары энантиомеров.

D-, L-определяющим является гидроксил при нижнем асимметрическом атоме углерода.

Если заместители в центрах хиральности находятся по одну сторону углеродной цепи, то такой стереоизомер называют эритро-формой, если по разные стороны, то трео-формой.

 

СОН СОН СОН СОН

 

Н ОН НО Н НО Н Н О Н

 

Н ОН НО Н Н ОН НО Н

 

СН₂ОН СН₂ОН СН₂ОН СН₂ОН

 

Д – эритроза L-эритроза Д-треоза L-треоза

энантиомеры энантиомеры

σ-Диастереомеры не являются зеркальными изображениями друг друга, они имеют разные физические и химические свойства.

π-дастереомеры (цис- и транс-)- это стереоизомеры, отличающиеся друг от друга пространственным расположением одинаковых заместителей относительно плоскости π-связи. Бутендиовая кислота НООС-СН=СН-СООН образует 2 p -диастереомера:

 

Фумаровая кислота содержится как в растительных, так и животных организмах, где она образуется как промежуточный продукт обмена углеводов в анаэробных условиях.

Малеиновая кислота токсична, в природе не встречается, получается синтетическим путём.

Таким образом,p-диастереомеры отличаются друг от друга по физическим и химическим свойствам, а также по физиологическому действию. Более устойчивыми являются транс-p-диастереомеры.

Контрольные вопросы

1. Изомерия как специфическое явление органической химии. Структурная изомерия, ее виды.

2. Стереохимия как область химии, изучающая пространственное строение органических соединений. Конфигурация и конформация как важнейшие понятия стереохимии.

3. Конформации открытых цепей. Проекционные формулы Ньюмена. Энергетическая характеристика конформационных состояний.

4. Конформация циклических соединений. Аксиальные и экваториальные связи.

5. Энантиомерия. Оптическая активность. Д и L – система стереохимической номенклатуры. Проекционные формулы Фишера. Глицериновый альдегид как конфигурационный стандарт. Рацематы.

6. Диастереомерия. s - Диастереомерия. p - Диастереомерия как стереоизомерия в ряду соединений с двойной связью.

7. Связь пространственного строения органических соединений с их биологической активностью.

Типовые задания

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: