что такое оптические изомеры в химии

Оптические изомеры

Содержание

Исторические сведения

В итоге полемики Ю. Либиха и Ф. Вёлера было установлено (1823), что существуют два резко различных по свойствам вещества состава AgCNO — циановокислое (AgNCO) и гремучее (AgONC) серебро. Ещё одним примером послужили винная и виноградная кислоты, после исследования которых Й. Берцелиус в 1830 ввел термин ИЗОМЕРИЯ и высказал предположение, что различия возникают из-за «различного распределения простых атомов в сложном атоме» (т. е. молекуле). Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического учения Я. Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия).

Структурная изомерия

Структурная изомерия — результат различий в химическом строении. К этому типу относят:

Изомерия углеводородной цепи (углеродного скелета)

Изомерия углеродного скелета, обусловленная различным порядком связи атомов углерода. Простейший пример — бутан СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ и изобутан (СН₃)₃СН. Др. примеры: антрацен и фенантрен (формулы I и II соответственно), циклобутан и метилциклопропан (III и IV).

Валентная изомерия

Валентная изомерия (особый вид структурной изомерии), при которой изомеры можно перевести друг в друга лишь за счет перераспределения связей. Например, валентными изомерами бензола (V) являются бицикло[2.2.0]гекса-2,5-диен(VI, «бензол Дьюара»), призман (VII, «бензол Ладенбурга»), бензвален (VIII).

Изомерия функциональной группы

Различается характером функциональной группы. Пример: Этанол (CH₃-CH₂-OH) и Диметиловый эфир (CH₃-O-CH₃)

Изомерия положения

Тип структурной изомерии, характеризующийся различием положения одинаковых функциональных групп или двойных связей при одинаковом углеродном скелете. Пример: 2-хлорбутановая кислота и 4-хлорбутановая кислота.

Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Энантиомерия (оптическая изомерия)

Пространственная изомерия (стереоизомерия) возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение. Этот тип изомеров подразделяют на энантиомерию (оптическую изомерию) и диастереомерию.

Асимметрическими могут быть и др. атомы, например атомы кремния, азота, фосфора, серы. Наличие асимметрического атома не единственная причина энантиомерии. Так, имеют оптические антиподы производные адамантана (IX), ферроцена (X), 1,3-дифенилаллен (XI), 6,6′-динитро-2,2′-дифеновая кислота (XII). Причина оптическое активности последнего соединения — атропоизомерия, то есть пространственная изомерия, вызванная отсутствием вращения вокруг простой связи. Энантиомерия также проявляется в спиральных конформациях белков, нуклеиновых кислот, гексагелицене (XIII).

(R)-, (S)- номенклатура оптических изомеров (правило наименования)

Четырём группам, присоединенным к ассиметрическому атому углерода C_abcd, приписывается различное старшинство, отвечающее последовательности: a>b>c>d. В простейшем случае старшинство устанавливается по порядковому номеру атома, присоединенного к ассиметрическому атому углерода: Br(35), Cl(17), S(16), O(8), N(7), C(6), H(1).

Например, в бромхлоруксусной кислоте:

Старшинство заместителей при ассиметрическом атоме углерода следующее: Br(a), Cl(b), C группы COOH (c), H(d).

У бутанола-2 кислород является старшим заместителем (а), водород — младшим (d):

Требуется решить вопрос о заместителях CH₃ и CH₂CH₃. В этом случае старшинство определяется порядковым номером или номерами других атомов в группе. Первенство остается за этильной группой, так как в ней первый атом С связан с другим атомом С(6) и с другими атомами Н(1), тогда как в метильной группе углерод соединен с тремя атомами Н с порядковым номером 1. В более сложных случаях продлжают сравнивать все атомы, пока не доходят до атомов с различными порядковыми номерами. Если имеются двойная или тройная связи, то находящиеся при них атомы считаются соответственно за два и за три атома. Так, группу —COH рассматривают как С (O, O, H), а группу —COOH — как С(О, О, ОН); карбоксильная группа старше альдегидной, поскольку содержит три атома с порядковым номером 8.

В D-глицериновом альдегиде старшей является группа ОН(а), затем следует CHO(b), CH₂OH(c) и Н(d):

Следующий этап заключается в определении, является ли расположение групп правым, R (лат. rectus), или левым, S (лат. sinister). Переходя к соответствующей модели, её ориентируют так, чтобы младшая группа (d) в перспективной формуле оказалась внизу, и затем рассматривают сверху вдоль оси, проходящей через заштрихованную грань тетраэдра и группу (d). В D-глицириновом альдегиде группы

расположены в направлении правого вращения, и следовательно, он имеет R-конфигурацию:

В отличие от D,L номенклатуры обозначения (R)- и (S)- изомеров заключают в скобки.

Диастереомерия

σ—диастереомерия

Диастереомерными считают любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических антиподов. Различают σ и π-диастереомеры. σ-диастериомеры отличаются друг от друга конфигурацией части имеющихся в них элементов хиральности. Так, диастериомеры являются (+)-винная кислота и мезо-винная кислота, D-глюкоза и D-манноза, например:

Для некоторых типов диастереомерия введены специальные обозначения, например трео- и эритро-изомеры — это диастереомерия с двумя асимметрическим атомами углерода и пространств, расположением заместителей у этих атомов, напоминающим соотвующую треозу (родственные заместители находятся по разные стороны в проекционных формулах Фишера) и эритрозу (заместители — по одну сторону):

Эритро-изомеры, которых асимметрические атомы связаны с одинаковыми заместителями, называются мезо-формами. Они, в отличие от остальных σ-диастереомеров, оптически неактивны из-за внутримолекулярной компенсации вкладов во вращение плоскости поляризации света двух одинаковых асимметрических центров противоположной конфигурации. Пары диастереомеров, различающиеся конфигурацией одного из нескольких асимметрических атомов, называются эпимерами, например:

Термин «аномеры» обозначает пару диастереомерных моносахаридов, различающихся конфигурацией гликозидного атома в циклической форме, например аномерны α-D- и β-D-глюкозы.

π—диастереомерия (геометрическая изомерия)

π-диастериомерами, называемые также геометрическими изомерами, отличаются друг от друга различным пространственным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи (чаще всего С=С и С=N) или цикла. К ним относятся, например, малеиновая и фумаровая кислоты (формулы XIV и XV соответственно), (Е)- и (Z)-бензальдоксимы (XVI и XVII), цис- и транс-1,2-диметилциклопентаны (XVIII и XIX).

Конформеры. Таутомеры

Явление неразрывно связано с температурными условиями его наблюдения. Так, например, хлорциклогексан при комнатной температуре существует в виде равновесной смеси двух конформеров — с экваториальной и аксиальной ориентацией атома хлора:

Однако при минус 150 °С можно выделить индивидуальную а-форму, которая ведет себя в этих условиях как устойчивый изомер.

С др. стороны, соединения, в обычных условиях являющиеся изомерами, при повышении температуры могут оказаться находящимися в равновесии таутомерами. Например, 1-бромпропан и 2-бромпропан — структурные изомеры, однако при повышении температуры до 250 °С между ними устанавливается равновесие, характерное для таутомеров.

Изомеры, превращающиеся друг в друга при температуре ниже комнатной, можно рассматривать как нежесткие молекулы.

Существование конформеров иногда обозначают термином «поворотная изомерия». Среди диенов различают s-цис- и s-транс — изомеры, которые, по существу, являются конформерами, возникающими в результате вращения вокруг простой (s-single) связи:

Изомерия также характерна для координационных соединений. Так, изомерны соединения, различающиеся по способу координации лигандов (ионизационная изомерия), например, изомерны:

Здесь, по существу, имеется аналогия со структурной изомерии органических соединений.

Процесс взаимопревращения энантиомеров называется рацемизацией: она приводит к исчезновению оптической активности в результате образования эквимолярной смеси (—)- и (+)-форм, то есть рацемата. Взаимопревращение диастереомеров приводит к образованию смеси, в которой преобладает термодинамически более устойчивая форма. В случае π-диастереомеров — обычно транс-форма. Взаимопревращение конформационных изомеров называется конформационным равновесием.

Явление изомерии в огромной степени способствует росту числа известных (и ещё в большей степени числа потенциально возможных) соединений. Так, возможное число структурно-изомерных дециловых спиртов более 500 (известно из них около 70), пространств, изомеров здесь более 1500.

При теоретическом рассмотрении проблем изомерии все большее распространение получают топологические методы; для подсчёта числа изомеров выведены математические формулы. Для обозначения пространств, изомеров разных типов разработана номенклатура стереохимическая, собранная в разделе Е Номенклатурных правил ИЮПАК по химии.

Источник

Оптические изомеры

Химикам уже давно известно явление изомерии — когда два вещества имеют одну и ту же брутто-формулу (отражающую только количество разных атомов в веществе), но разные свойства — из-за разного порядка соединения атомов.

Особенно богата изомерами органическая химия. К примеру, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одну и ту же брутто-формулу: C₂H₆O, но структурная формула спирта — CH₃–CH₂–OH, а эфира — CH₃–O–CH₃. Эти вещества имеют разные свойства — как химические, так и физические (температура плавления, вязкость и т. д.).

В органической химии известны и так называемые оптические изомеры — молекулы, имеющие одинаковую структурную формулу, но не совместимые со своим зеркальным отражением. Простейший пример такой молекулы — это атом углерода с четырьмя разными заместителями. К примеру, СHClBrF или аланин CH₃CHNH₂COOH (рис. 1). Наличие у такой молекулы двух разных конфигураций связано с тем, что у атома углерода, образующего четыре одинарные связи, эти связи направлены к вершинам тетраэдра.

Оптические изомеры имеют одинаковый цвет, температуру кипения, плотность. Однако такие вещества обладают интересным физическим свойством — они вращают плоскость поляризации пропущенного через них поляризованного света. Один изомер будет вращать ее влево, другой — вправо.

Атом углерода с четырьмя разными заместителями называется хиральным атомом (от греческого heiros «ладонь» — тот же корень, что и в слове «хиромантия»). Чем больше хиральных атомов в молекуле, тем больше у вещества может быть оптических изомеров.

Интересно, что возможны органические вещества, которые имеют оптические изомеры, хотя в них формально нет ни одного хирального атома — центра изомерии.

Задача

Приведите пример органического вещества, не имеющего хиральных атомов, но при этом имеющего оптические изомеры, с минимальным количеством атомов углерода.

Подсказка 1

Для того чтобы молекула некоторого вещества не совпадала со своим зеркальным отражением, совершенно не обязательно, чтобы у нее был хотя бы один хиральный атом. К примеру, любая молекула в форме спирали будет оптически активной.

Подсказка 2

Кроме того, вспомните, к вершинам какой геометрической фигуры направлены четыре связи в хиральном атоме углерода.

Решение

Начнем с того, что для несовместимости со своим зеркальным отражением молекуле недостаточно быть просто несимметричной. Молекула может быть не равна своему отражению «на бумаге», но совместима с ним. Скажем, молекулу HCl мы можем просто повернуть (или посмотреть на нее с другой стороны). Мы можем также вращать части молекулы вокруг одинарных связей — а вот с двойными и тройными связями так поступать нельзя, они при этом рвутся.

Итак, если структура молекулы имеет такую пространственную асимметрию, что она не совмещается со своим зеркальным отражением, то молекула и ее отражение называются оптическими изомерами. Наша цель — попробовать придумать структуру, которая бы была несовместима со своим зеркальным отражением, имела бы минимальное количество атомов углерода, и при этом сами эти атомы не были бы хиральными центрами молекулы.

На первый взгляд, такой молекулой могли бы быть замещенные этилены, где вместо атомов водорода — четыре разных заместителя:

Однако несмотря на то, что у такого вещества есть изомеры (два произвольно выбранных заместителя у разных атомов углерода могут располагаться по одну сторону двойной связи или по разные), хиральными они не будут, так как молекулы с одной двойной связью — плоские; чтобы совместить их со своим зеркальным отражением, их достаточно просто повернуть на 180° вокруг оси, лежащей в плоскости молекулы и перпендикулярной двойной связи.

Существует вариант с тремя атомами углерода, который формально уже можно назвать решением нашей задачи. Четырехзамещенные аллены RR’C=C=CR»R»’ тоже содержат двойные связи, но их молекулы уже не плоские. Дело в том, что если у одного атома углерода есть две двойные связи, то их плоскости повернуты друг относительно друга на 90 градусов:

Эта молекула уже хиральна, и можно сказать, что задачу мы решили. Однако в ней есть «хиральный центр» — центральный атом углерода. Попробуем решить задачу другим способом.

Три атома углерода можно расположить по-другому — создав из них треугольник. У нас получится вещество циклопропан, С₃H₆:

Это хорошо известное вещество, которое до сих пор иногда используется в медицине в качестве средства для наркоза. Атомы углерода образуют жесткую плоскость. Каждый из них связан с двумя атомами водорода — один над плоскостью, другой — под ней.

Теперь заменим у двух атомов углерода по одному атому водорода на два других заместителя — к примеру, хлор и бром — так, чтобы они оказались по разные стороны от плоскости атомов углерода. Такое положение заместителей называется транс-изомером 1,2-дизамещенного циклопропана. (Если бы эти заместители располагались по одну сторону от плоскости, у нас получился бы цис-изомер, но он нас сейчас не интересует).

Внимательно посмотрим на получившуюся молекулу и представим себе ее зеркальное отражение:

Обе структуры, как бы мы ни крутили их в пространстве, друг с другом не совмещаются, а атома — хирального центра тут нет.

А теперь попробуем создать полный аналог хирального атома углерода — но без хирального центра. Вернемся к первоначальному атому, с которого мы начали (см. условие задачи). Четыре связи его направлены к вершинам тетраэдра. Давайте попробуем расположить по атому углерода в его вершинах и соединить их связями.

У нас получится углеродный скелет вещества C₄H₄ — тетраэдрана. Само это вещество еще не получено химиками, но его производные уже существуют в реальности. Если заместить в нём все атомы водорода на разные заместители, то получится вполне себе хиральная молекула, «хиральный центр» которой будет располагаться внутри тетраэдра:

Послесловие

Тема изомерии — одна из самых благодатных тем для игры ума. Даже в школьных олимпиадах по химии очень часто можно встретить задания с просьбой написать все изомеры того или иного вещества (иногда сами составители задач чего-то не рассчитывают, и на решение уходит много времени и очень много бумаги; у автора этой задачи на районной олимпиаде как-то ушло полтора часа и целая тетрадка).

Оптические изомеры — всего один из вариантов изомерии в органической химии, но очень важный.

К примеру, все основные аминокислоты, которые входят в состав наших белков, имеют формулу H₂N–CH(R)–COOH — то есть все (кроме глицина, у которого R тоже представляет собой атом водорода) имеют асимметрический атом углерода и имеют оптические изомеры. И в нашем организме встречаются почти исключительно L-изомеры аминокислот (если не вдаваться в тонкости номенклатуры хиральных атомов, которых существует целых три типа, то можно назвать эти молекулы «левыми»). И биохимики до сих пор гадают, почему природа выбрала именно этот изомер — ведь при всех реакциях, когда из более простых веществ получаются вещества с хиральным атомом (без присутствия специфических катализаторов) образуется смесь двух изомеров в равных частях.

Синтетики тоже любят «поиграть» с оптической изомерией и при этом уже создали множество веществ без хирального атома — но с оптической активностью.

Кстати, можно создать хиральную молекулу вообще без заместителей. И она будет достаточно небольшой. Существуют так называемые ароматические углеводороды. Самый простой из них — бензол, C₆H₆. Его структуру учат в школе — плоский шестигранник. Вещество посложнее — нафталин. Это уже два соединенных по одной стороне бензольных кольца:

Три кольца можно уже соединять в линию — получится антрацен, а можно — под углом, и тогда у нас получится фенантрен:

Так вот, если продолжать соединять кольца под углом и дойти до шести колец, то крайние кольца упрутся друг в друга, им не хватит места, и плоскость молекулы нарушится. Вещество из шести колец называется гексагелицен, и его молекула уже представляет собой спираль. А значит, эта молекула может быть либо левой спиралью, либо правой, и будет иметь оптические изомеры.

Кстати, химики научились получать такие спирали даже из 12 бензольных колец, в них уже есть пара витков.

Более того, и оптическими изомерами весь ассортимент разнообразия химических веществ, как ни странно, не заканчивается.

Стоит сказать о возможности так называемой топологической изомерии. Что это такое? К примеру, существует вещество в форме кольца. Две молекулы этого вещества изомерны одной, в которой одно кольцо продето в другое. И такие молекулы уже есть. Класс веществ, в которых две или более частей молекул удерживаются механически, как звенья цепи, называются катенанами — от латинского catena «цепь» (см. Catenane). Биохимики научились получать катенаны из молекул ДНК, и более короткие структуры тоже складывали в цепочки.

А если представить себе катенан из четырех колец, то возможна изомерия между молекулой, в которой три кольца продеты в четвертое, и молекулой, в которых кольца соединены последовательно.

Источник

Что такое оптические изомеры в химии

До появления теории химического строения А. М. Бутлерова оставалось неизвестным существование веществ, которые имеют один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающиеся расположением атомов. Эти вещества обладали разными свойствами. Способность атомов углерода к образованию четырёх ковалентных связей, в том числе и с другими атомами углерода, открывает возможность существования нескольких соединений одного элементного состава. Такое явление было названо изомерией.

Для пентана существует три изомера:

Температуры кипения бутана и пентана отличаются между собой, что служит доказательством того, что свойства соединений находятся в зависимости от строения их молекул.

это вещества, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное химическое строение (различные структурные формулы), а, следовательно, обладают различными свойствами.

В органической химии существует несколько типов изомерии. Самым простым является структурная изомерия.

называют изомеры, отвечающие различным структурным формулам органических соединений (с разным порядком соединений атомов).

В этом случае изомеры отличаются друг от друга только порядком связи между атомами в молекуле. Структурная изомерия имеет несколько разновидностей.

Изомерия углеродного скелета зависит от порядка соединения между собой атомов углерода в цепи (см. изомеры бутана и пентана).

Для правильного составления изомеров углеродного скелета необходимо соблюдать некоторые правила:

1. Записать углеродный скелет согласно числу атомов углерода.

2. Отрывают крайние атомы углерода (`»C»_1` или `»C»_5`) и располагают их у оставшихся в цепи атомов углерода, добиваясь максимально возможного числа перестановок. В результате чего первоначально записанный углеродный скелет укорачивается и принимает разветвлённое строение:

Следует иметь в виду, что произвольное укорачивание углеродной цепи исходного углеводорода не приводит к появлению нового изомера, а зачастую представляют собой одно и то же соединения.

3. Соблюдая условие четырёхвалентности атомов углерода, необходимо заполнить оставшиеся валентности атомами водорода

(*н – означает углеводород нормального (неразветвленного) строения).

Другой разновидностью структурной изомерии является

Например, положения кратной связи:

Или изомерия положения функциональной группы:

Если гидроксильных групп две, то число изомеров может также определяться взаимным расположением этих групп:

Ещё одним видом изомерия является

Другим примером межклассовой изомерии являются карбоновые кислоты и сложные эфиры, например:

Виды пространственной изомерии

называют соединения, имеющий одинаковый состав и одинаковый порядок соединения атомов, но отличающиеся расположением атомов в пространстве.

Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь или цикл. В таких молекулах часто возможно провести условную плоскость таким образом, что заместители у различных атомов углерода могут оказаться по одну сторону (цис-) или по разные стороны (транс-) от этой плоскости. Если изменение ориентации этих заместителей относительно плоскости возможно только за счёт разрыва одной из химических связей, то говорят о наличии геометрических изомеров.

Энантиомеры имеют одинаковые температуры плавления и кипения, растворимость, показатель преломления и другие характеристики. Их отличия проявляются только при изучении вращения веществом плоскости поляризации света или при взаимодействии с другим хиральным соединением. Способность вращать плоскость поляризации света называется оптической активностью. Смесь равных количеств энантиомеров называется рацематом.

Источник