Терней - Органическая химия I (1125892), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Однако, если вы наденете сначала на одну, а потом на другую руку одну и ту же перчатку и попытаетесь забить гвоздь, вы столкнетесь с необычайно легкой задачей для одной руки и невыполнимо трудной задачей в случае другой. Почему же руки, которые управляются с молотком и гвоздем с одинаковой легкостью, действуют по-разному в одной и той же перчатке? Ответ на этот и аналогичные вопросы связан с наличием симметрии в обсуждаемых предметах и существованием взаимосвязи между объектами, имеющими симметрию различного характера.
Эти бытовые примеры имеют аналогии в химии, Мы неожиданно сталкиваемся с молекулами, про которые, подобно молотку, нельзя сказать «леворукие» или «праворукие», и с такими молекулами, которые, как перчатка, имеют «леворукую» или «праворукую» формы. Это путешествие в область влияния свойств симметрии на органические молекулы начинается с определения понятия оптического «вращения», исследования тех геометрических свойств, которые придают или лишают соединения подобных молекулярных характеристик. 4.2. ЭНАНТИОМЕРЫ Отношения между правой и левой рукой такие же, как между любым объектом и его зеркальным изображением,— они не совместимы между собой.
Руки и любые пары объекта и его зеркального изображения мы будем называть энантиомерами или энантиоморфными по отношению друг к другу. Словами трудно выразить отличие одной руки от другой, а химик скажет, что они отличаются по конфигурации. И поскольку объект может иметь только одно зеркальное изображение, химик должен добавить, что руки имеют противоположные конфигурации. Конфигурация молекулы связана с расположением ее атомов или функциональных групп в пространстве. Когда речь идет о возможных конфигурациях данной структуры, чтобы упростить задачу, вообще не рассматривают различные конформации. К примеру, А и Б отличаются по конфигурации и являются энантиомерами. Другими словами, А и Б являются несовместимыми зеркальными изображениями один другого.
Б то же время И и Г имеют различные конформации. Иными словами, А и Б имеют противоположные стеРеоизомеРия АлиФАтических соединении 12$' конфигурации, а В и à — одну и ту же конфигурацию, но различные кон- формации. Л и 6 о1плинаюпся по конфигурации и явпяклпся энангпиомерами Ц ~~-О С П -О С В и Г отличаются по конформации, но не по конфигурации. В и Г не явпяются ,нап~пиомерами При описании противоположных конфигураций молекулы и ее зеркальиого изображения мы будем пользоваться несколько старомодными терминами, например «по часовой стрелке», «против часовой.
стрелки», «лево- вращающий» или «правовращающий». МОЛЕКУЛЯРНАЯ СИММЕТРИЯ. Свойства симметрии любого вещества л~огут быть определены поприсутствиюили отсутствию основныгг элементов силгметрии. Наиболео важными элементами симметрии являются плоскость симметрии, центр симметрии и ось симметрии. 11лоскость симметрии — это плоскость, которая рассекает объект таким образом, что части его с противоположных сторон относятся друг к дру- Рис. 4-1. Плоскости симметрии молотка и чайной ложки. гу как предмет и его зеркальное изображение. (Эти зеркальные изображения частей могут быть совместимыми или не совместимыми друг с другом.) И чайная ложка, и молоток имеют такую плоскость симметрии (рис.
4-1). Некоторые из плоскостей симметрии показаны на шаровой сфере и молекуле тетрахлорида углерода (рис. 4-2). Центр симметрии — это точка, относительно которой на прямой, проходящей через нее, можно встретить тождественные точки на одном и том же расстоянии. Центр сферы соответствует центру симметрии этой сферы (рис. 4-2). Некоторые объекты могут иметь несколько плоскостей симметрии,.
$22 ГлАвА а однако центр симметрии всегда один. Конечно, в ряде случаев, например у левой руки, нет ни плоскости, ни центра симметрии. Осью симметрии является проходящая через объект ось, поворот вокруг которой на угол 360'/и приводит к структуре, совпадающей с первоначальной. Порядок оси определяется значением и. Например, связь С вЂ” Н в хлоро- форме совпадает с осью симметрии 3-го порядка (п = 3). Это означает, что вращение на 120'(360'/3) вокруг связи С вЂ” Н приводит к структуре, не отли- чимой от первоначальной. ось симметрии 3-го порядка в хлороформе: молекула совмещается сама с собой при каждом повороте на 120' центр симметрии плн ось симметрии в каждом 1.
Найдите плоскость симметрии, иэ следующих объектов: а) обод колеса е) электрическая лампочка (только стеклянная часть) ж) батарея для карманного фонаря з) планета Сатурн б) яблоко в) мяч для пинг-понга г) катушка липкой ленты д) кусочек мела ХИРАЛЬНОСТЪ. Соединение называется хиральным, если его молекула существует в виде пары знантиомеров. Свойство соединения существовать в виде пары не совместимых между собой зеркальных изображений называется хнральностью. Следовательно, хиральность является необходимым и достаточным условием для существования энантиомеров.
Самый надежный способ установления хиральности молекулы — построение ее модели и зеркального изображения. Далее следует установить, совме- 'Рис. 4-2. Плоскости и центры симметрии. А . то ько одна плоскость симметрии из множества плоскостей симметрии сферы. ив показаны две из шести взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии в молекуле е ра р д плоскостей симметрии. Одна из них — «молекулярная плоскость», т. е. плоское .  — скости симметрии сферы имеют центр симметрии. Структура Г имеет несколько ть, включаю ая все ш атомы молекулы. Все плоскости симметрии в Г имеют центр симметрии. сткРеоизомкРия АлиФАтичкских сОединений 123 стглмг,! ли все части обоих объектов между собой.
Если они не совмещаются полностью, молекула хиральна. Несколько примеров хиральных молекул представлено на рис. 4-3. Приобретя некоторый навык в изображении трехмерных структур, ны сможете использовать эти изобрансения для решения вопроса — являются лн две структурьг энантиомерами? ')то наиболее простой способ установления хнральности вепгества. В общем случае, если молекула не имеет ни Хиральные: с! с- !! нг Г 1 с.- н Е !1 н,- с--с! О 3 Ахиральиые: с! ! с "' н с! н 1'ис. 4-3. П римеры хиральиых и ахиралы!ых соединений.
Каи дое хиральиое соединение имеет окантиомер (на ри- сунке ке изображен). Кагкдое ахиральное соединение име- ет плоскость симметрии (а данком случае ото плоскость листа бумаги). Г ! ,с;" нг 1 Нг а 1 ,С"- 1! Г !! 5 4. 1'а!сие из следулощих произ!иьлып! взятых объектов пары эи;пгп!омеров? а) катушка ниток способны существовать в виде е) винт с круглой го- ловкой нс) двойное колесо з) раздвинсной гаеч- ный ключ и) пара но!кипи 6) катушка без ниток и этикеток и) гбубл и и г) витой шнур, соединяю!Дий телефонную трубку с аппаратом !) раковина к) бейсбольный мяч л) пропеллер Л.
а) 1!репебрегая другими свойствами поверхности, ответьте, придает ли наличие «красного !ватна» планете 10иитер хиральиый характер? (Монсио считать, что красное пятно фиксировано и одном полонении и являетгя круглым.) б) Является ли Земля хиральиои Объясните. СТ1'УКТУРЫ, СНОСОЬНЫЕ СУ1ПЕСТВОВАТЬ В ВИДЕ ЗНАНТ1ЛОМЕРОВ,— Х11РАЛЫ1ЫГ АТОМЫ. Простейшилг способом построения хирального сое()ииения (соединения, способного существовать в виде нары знантиомеров) является разлгещение четырех различных атомов илгл функггиональпых груни вокруг центрального врз-гибридизованного атома.
Такой атом иазывагот хпральным атомом или «хиральным центром». Несколько пар зпантиомеров, имев)щих хиральные центры, представлены на рис. 4-4. Как видно из этих примеров, для образования знантиомеров не обязателен тетраздрический атом углерода, знантиомеры могут возникнуть при наличии других центральных зрз-гибридизованных атомов. Пргг нсгличгги двух или более одинаковых групп у ярз-гибридизованного атома лголекула долнсна иметь плоскость симметрии и по определению должка быть ахнральной.
1,1-Дихлорзтан имеет плоскостьсимметрии и поэ- центра симметрии, ни плоскости симметрии, она хиральна. (Хиральные соеди!!ения иначе пазынан)т «диссимметричными». Термин «асимметрический» от((осптся к хиральиым молекулам, у которых нет оси симметрии, как в примерах 1 — 3 на рис. 4-3.) О лгоагекг)ле, не имеюЩей знантиомеРов, говоРЯт, что она ахиРальна. Ахиральные соединения легко определить по наличию у них плоскости симметрии или центра симметрии. Ряд приморов ахиральных молекул приведен на рис. 4-3. 124 глАвА 4 тому ахирален. Он не может иметь энантиомеров. В изображенной ниже формуле метильную группу 1,1-дихлорэтана можно считать сферической или грушевидной.
Это упрощение применяется и для других групп, если молекула ахиральна по тем же причинам. С С1 в плоскости симметрии находится центральный атом, атом водорода и метпльная группа 1,1-дихлорэтан (ахиральный) Другой пример — соединение 5 на рис. 4-3. Оно содержит два атома водорода и плоскость симметрии.
В соединении 6 на этом же рисунке имеются две пары одинаковых атомов и две плоскости симметрии. сйы, но 1 ""сн, Г ~""""", , 1 нлс ~ он н с схн Г нс сн, нс 'он,, Рпс. 4-4. Пары знантиомеров, содержащие хиральный атом. Вертикальные линни изоб- ражают зеркало. Другим примером может служить хлороформ, Каждая плоскость, содержащая фрагмент С1 — С вЂ” Н, является плоскостью симметрии молекулы. Поскольку хлороформ имеет по крайней мере одну плоскость симметрии, он ахирален и не может иметь энантиомеров.
плоскость симметрии О в молекуле хлороформа СТРУКТУРЫ, С11ОСОБНЫЕ СУЩЕСТВОВАТЬ В ВИДЕ ЗНАНТИОМЕРОВ,— ХИРАЛЬНЫЕ АЛЛЕНЫ. Аллен СН, = С = СН2 является простейшим углеводородом, содержащим кумулированные двойные связи. Ортогональность р-орбиталей центрального гр-гибридизованного атома углерода в сочетании с необходимостью каждой из этих орбиталей быть параллельной р-орбитали одного из внешних гр'-гибридизованных атомов углерода приво- н с сн, .Г н,с , 1у1и" „,н Г с) ис стеРеоизомеРия АлиФАтических соединений 125 дит к тому, что четыре атома водорода расположены в вершинах косоуголь- ного тетраэдра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
