H - РНИМУ им. Н.И.Пирогова

Органическая химия
Курс лекций
для студентов фармацевтического факультета
Бауков Юрий Иванович
профессор кафедры химии
Белавин Иван Юрьевич
профессор кафедры химии
Российский национальный исследовательский
медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
1
Лекция 02
 Пространственное строение органических
соединений
Исходный уровень к лекции 02
– теория химического строения органических
соединений А.М. Бутлерова
Исходный уровень к лекции 03
– простейшие реакции органических соединений
(школьный курс);
– механизм реакции
(общая химия, раздел «кинетика»)
2
Пространственное строение органических соединений
● Строение органических соединений
○ Структурная изомерия
● Пространственное строение
○ Конформации и конфигурация
o Конформации и конформационные изомеры
● Конфигурация и конфигурационные изомеры
o
o
○
○
Хиральность
Энантиомеры
Рацематы
Стереохимическая номенклатура
○ Диастереомеры
○ Топизм
● Приложение: справочный и иллюстративный материал
3
Строение органических соединений
Химическое строение
Пространственное строение
(стереохимия)
А.М. Бутлеров
(1861)
Конфигурация
Конформация
 Химическое строение ─
– отображается при помощи
 Структурная формула ─
H
H
H
C
C
H
H
H
этан
CH3CH3
этан
(сокращенная запись)
4
Структурная изомерия
(одно из основных положений теории химического строения)
 Структурные изомеры ─
Изомерия углеродного скелета
CH3
CH3 CH CH3
2-метилпропан
CH3 CH2 CH2 CH3
бутан
Изомерия положения кратных связей или функциональных групп
CH2 CHCH2CH3
бутен-1
CH3CH CHCH3
CH3CH2CH2CH2OH
бутен-2
OH
CH3CH2CHCH3
бутанол-1
бутанол-2
Изомерия функциональных групп
O
CH3CH2CH2CCH3
CH3CH2CH2CH2C
пентаналь
O
H
пентанон-2
5
Пространственное строение
(более полная по сравнению с химическим строением
характеристика соединений)
 Пространственное строение молекулы —
предмет изучения стереохимии.
– изображается при помощи
–
химическая связь лежит в плоскости чертежа
химическая связь уходит за плоскость назад
химическая связь выходит из плоскости вперед
H
Стереохимические
формулы
C
H
метан
H
H
H
H
C
C
H
H
этилен
6
Конформации и конфигурация
•
Взаимное расположение атомов и атомных групп в молекуле
органического соединения включает два стереохимических
аспекта — конформацию молекулы и ее конфигурацию.

Конформации —

Конфигурация —
H
C
H
H
H
H
тетраэдрическая
H
C
H
C
H
C
C H
H
плоскостная
линейная
7
Конформация и конформационные изомеры
Конформации 1,2-дихлорэтана *
Cl
Cl
С
H
С
H
H
H
Cl
Cl H С
С
H
H
H
Cl
Cl
Cl
*
HH
H
H
H
H
С
H
H
Cl
H
H
H
Cl
Cl
H
H
Cl
С
H
Cl
H
H
Конформации циклогексана см. в Приложении.
8
Конфигурация и конфигурационные изомеры

Конфигурационные изомеры —
CH3
CH3
C
H
H
C
CH3
C
H
CH3
H3C
CH3
H
CH3
C
H
H
H
H3C
H
•
Конфигурационные изомеры не могут быть превращены друг в
друга
• Конфигурационные изомеры могут существовать
 Конфигурационные изомеры могут быть
9
Хиральность
–
(левая и правая рука, перчатки,
пара ботинок, левая и правая
винтовые лестницы и другие предметы)
• Молекулы, как геометрические тела,
могут быть хиральными и ахиральными.
 В результате, как следствие хиральности, некоторые молекулы существуют в виде пары пространственных изомеров —
 Простейший случай хиральности —
 Асимметрический атом углерода —
H*CF(Cl)Br
CH3CH2*CH(OH)CH3
10
Энантиомеры
•
Два способа расположения четырех различных заместителей
у тетраэдрического атома углерода.
COOH
COOH
энантиомеры
-аланина
C
H3C
NH2
H
H2N
H
C
CH3
 Энантиомеры —
o Одинаковые физические и химические свойства в обычных
условиях, оптически активны.
 Оптическая активность —
o Энантиомеры поворачивают плоскость поляризации на равный
угол в противоположном направлении: (+) —
(–) —
11
Рацематы


•
•
Рацематы —
Разделение рацематов *
Механический способ —
При кристаллизации рацемата индивидуальные энантиомеры в
этом случае кристаллизуются самостоятельно.
Разделение рацемической виноградной кислоты на энантиомеры,
D-винную и L-винную кислоты, по форме кристаллов ее двойной
натрий-аммониевой соли NaOOC*CH(OH)*CH(OH)COONH4.
•
Биохимический способ — разделение с использованием
микроорганизмов, способных потреблять один из энантиомеров.
Расщепление рацемической виноградной кислоты на энантиомеры с помощью плесневого грибка Penicillium glaucum, использующего для своей жизнедеятельности лишь (+)-винную кислоту.
*
Химический способ разделения рацематов см. в Приложении.

12
Энантиомеры молочной кислоты CH3*CH(OH)COOH
COOH
Стереохимические
формулы
C
CH3
COOH
OH
H
R-2-гидроксипропановая
кислота
(D-молочная кислота)
[]D20 ‒2.26
H
H
CH3
S-2-гидроксипропановая
кислота
(L- молочная кислота)
[]D20 +2.26
COOH
Проекционные
формулы Фишера
C
HO
OH
COOH
HO
CH3
H
CH3
 В стандартной формуле Фишера углеродная цепь
 Перестановка двух заместителей в формуле Фишера
 Поворот формулы Фишера на 90
13
Стереохимическая номенклатура
D,L-Система обозначения конфигурации (М.А. Розанов, 1906)
Определение D- или L-конфигурации:
Записать формулу Фишера в «стандартном» виде, т.е. так чтобы
углеродная цепь располагалась вертикально, а старший заместитель
располагался наверху.
2. Если функциональная группа у асимметрического атома углерода
окажется при этом слева — это L-энантиомер,
если справа — это D-энантиомер.
COOH
COOH
1.
H2N
H
CH3
H
OH
CH3
3. Если формула Фишера записана не в стандартном виде, необходимо
путем перестановок заместителей преобразовать ее к стандартному
виду и учесть число перестановок. Так, если при четном числе
перестановок был получен D-энантиомер, значит и исходный
стереоизомер имел D-конфигурацию.
14
Пример.
Определить, D- или L-конфигурацию имеет соединение,
приведенное ниже?
OH
CH3
H
COOH
COOH
OH
CH3
H
COOH
1-я перестановка
(OH, COOH)
CH3
H
OH
COOH
2-я перестановка
(OH, CH3)
HO
H
CH3
?
Переход к стереоизомеру с известной конфигурацией потребовал
четного числа (2-х) перестановок заместителей. Следовательно и
исходный стереоизомер имел ту же, т.е.
15
Конфигурационный стандарт — глицериновый
альдегид HOCH2*CH(OH)C(O)H
1
CHO
2
3
HOH2C
1
1
CHO
OH
H
H
OH
3
1
2
2
C
CHO
CH2OH
HO
H
C
CHO
2
3
CH2OH
HO
H
3
CH2OH
• Химическая корреляция относительной конфигурации.
• Определение абсолютной конфигурации (М.А. Розанов, 1906;
И. Бийвут методом РСА на примере D-винной [(2R,3R)-2,3-дигидроксибутандиовой кислоты] HOOC*CH(OH)*CH(OH)COOH, 1951.
 D,L-Система применяется в основном в химии углеводов, аминокислот и родственных соединений.
16
R,S-Система обозначения конфигурации
(Р. Кан, К. Ингольд и В. Прелог, 1956)
(от лат. rectus — правый, sinister — левый)
Основные правила:
а) чем больше атомный номер элемента, непосредственно связанного с
центром хиральности, тем старше заместитель. Если первое окружение не
позволяет выбрать порядок старшинства двух или более заместителей, то
рассматривают второе окружение, затем третье и т. д. Атомные номера
элементов, связанных двойной и тройной связью, удваивают или
утраивают;
б) молекулу энантиомера располагают так, чтобы самый младший заместитель был обращен назад (формулу Фишера перестраивают так, чтобы он
оказался снизу или сверху). Если порядок старшинства остальных трех
заместителей убывает по часовой стрелке, то данный изомер имеет
R-конфигурацию, если против часовой стрелки, то S-конфигурацию.
COOH
HO
H
CH3
1-я перестановка
(H, CH3)
6
COOH
HO
CH3
H
COOH
2-я перестановка
(OH, CH3)
6
8
CH3
OH
H
17
Диастереомеры
 Диастереомеры ─
-Диастереомеры
Соединения, имеющие более одного центра хиральности,
Заместители в -диастереомерах
Стереоизомеры 2-амино-3-гидроксибутановой кислоты
CH3*CH(OH)*CH(NH2)COOH (треонина)
COOH
H2N
H
COOH
H
H
OH
HO
CH3
NH2
H
CH3
(I) L-треонин
(II) D-треонин
COOH
COOH
H2N
H
H
NH2
HO
H
H
OH
CH3
(III) L-алло-треонин
энантиомеры
CH3
(IV) D-алло-треонин
энантиомеры
-диастереомеры
18
-Диастереомеры
• Возникают при неидентичности лигандов,
-Диастереомеры бутена-2
H3C
C C
CH3
H
H
цис-бутен-2
т. кип. +3.72 °C
H3C
C C
H
H
CH3
транс-бутен-2
т. кип. +0.88 °C
-Диастереомеры октадецен-9-овой кислоты
H
H
C
CH3(CH2)7
CH3(CH2)7
C
H
C
(CH2)7COOH
(цис-октадецен-9-овая кислота)
жидкая, т. пл. 13–16 °C
H
C
(CH2)7COOH
(транс-октадецен-9-овая кислота)
твердая, т. пл. 44–47 °C
19
Z,E-Система обозначения конфигурации -диастереомеров
(К. Ингольд и В. Прелог, 1951)
(от нем. zusammen — вместе, entgegen — напротив)
Основные правила:
а) чем больше атомный номер элемента, непосредственно связанного с
двойной связью, тем старше заместитель. Если первое окружение не
позволяет выбрать порядок старшинства двух или более заместителей, то
рассматривают второе окружение, затем третье и т. д.
б) Z-конфигурация для диастереомеров соответствует цис-расположению
старших заместителей в каждой паре, E — транс-расположению.
HOOC
COOH
C C
H
H
HOOC
H
C C
H
COOH
CH3
COOH
C C
CH3CH2
H
20
Изомерия *
• С учетом пространственного строения понятие изомерии
расширяется и включает в себя не только структурную
изомерию, но также и пространственную изомерию.

Изомеры —

Таким образом, приведенное общее определение изомерии
включает

Пространственные изомеры (стереоизомеры) —
*
Классификацию изомеров см. в Приложении.
21
Топизм
‒ Раздел стереохимии, в котором изучается расположение и сравнение
одинаковых лигандов (от греч. topos — место).
 Два одинаковых лиганда, связанных с одним атомом в молекуле,
могут быть гомотопными, энантиотопными и диастереотопными.
CH3
CH3
Ha Hb
пропан
CH3
Br
CH3
Hb
CH3
CH3
Ha Br
22
CH3CH2
CH3
бутан
Hs Hr
CH3CH2
CH3CH2
CH3
HO Hr
CH3
Hs OH
(S)-бутанол-2
(R)-бутанол-2
H OH
C 2H 5
CH3
(R)-пентанол-2
Hs Hr
H OH
H OH
C2H5
CH3
HO H
r
(2R,3S)-пентандиол-2,3
CH3
C2H5
Hs OH
(2R,3R)-пентандиол-2,3
23
 Две одинаковых поверхности плоских молекул могут быть
24
25
Приложение
(справочный и иллюстративный материал)
Классификация изомеров
ИЗОМЕРЫ
cтруктурные
(изомеры строения)
cтереоизомеры
(пространственные)
конфигурационные
конформационные
26
Классификация органических соединений
по строению углеродного скелета
ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
ациклические
(незамкнутая цепь)
насыщенные
циклические
(замкнутая цепь)
ненасыщенные
карбоциклические
(цикл состоит только
из атомов углерода)
алициклические
гетероциклические
(цикл состоит из атомов С
и других элементов)
ароматические
27
Конформации циклогексана
кресло
ванна
аксиальные (а) и экваториальные (е) связи
a
5
e
a
a
4
1
e
e
a
3
e
4

6
a
e
a
a
e
e
2
a
e
a
2
3
a
кресло
5
a
e
e
6
e
e
1
a
кресло
В монозамещенных производных циклогексана заместитель в
конформации кресла предпочтительно занимает экваториальное
H
положение.
H
H
5
H
H
C
H
6
H
5
1
6
H
H
H
3
аксиальное положение СН3-группы
1
H
H
3
H
C
H
H
H
экваториальное положение СН3-группы
28
Разделение рацематов

•
Химический способ — перевод обоих энантиомеров в
диастереомеры с последующим их разделением.
Диастереомеры получают взаимодействием рацемата с
хиральным реагентом.
Разделение рацемической смеси кислоты
–+
(+)-RCOOH
(+)-RCOO
+
(–)-R'NH2
разделение
кристаллизацией
–+
(–)-RCOOH
рацемат
NH3R'-(–)
(–)-RCOO
NH3R'-(–)
хиральный
реагент
–+
(+)-RCOO
NH3R'-(–)
разложение солей
(+)-RCOOH
+ HCl
энантиомеры
– NH4Cl
–+
(–)-RCOO
NH3R'-(–)
(–)-RCOOH
29
мезо-Соединения
Стереоизомеры 2,3-дигидроксибутандиовой кислоты
HOOC*CH(OH)*CH(OH)COOH (винной кислоты)
COOH
COOH
H
HO
OH
H
COOH
COOH
HO
H
H
H
OH
H
OH
OH
COOH
COOH
(2R,3R)-винная кислота (2S,3S)-винная кислота
(D(+)-винная кислота)
(L()-винная кислота)
[]D20 +12, т. пл. 170 С []D20 ‒12, т. пл. 170 С
мезовинная кислота
[]D20 0, т. пл. 140 С
o Виноградная кислота (т. пл. 205 С) — смесь равных количеств
D(+)- и L(‒)-винных кислот.
30
Диастереомерия циклических соединений
• В циклоалканах с двумя (и более) заместителями пары заместителей
могут располагаться как по одну сторону (цис-изомер), так и по разные
стороны (транс-изомер) условно плоских циклов.
OH
H
H
H
H
OH
OH
OH
транс-циклопентандиол-1,2 цис-циклопентандиол-1,2
• При наличии асимметрических атомов углерода в замещенных циклоалканах для обозначения их конфигурации может быть использована
и R,S-система.
Стереоизомеры циклопропан-1,2-дикарбоновой кислоты
COOH
HOOC
H

H
цис-циклопропан-1,2дикарбоновая кислота
H
HOOC
COOH
H
HOOC
H
H
COOH
(R,R)(S,S)транс-циклопропан-1,2-дикарбоновая кислота
31