А) Способы изображения пространственного строения энантиомеров

Для изображения пространственного строения молекул энантиомеров на плоскости можно воспользоваться различными типами условных стереохимических формул.

Пространственные (клиновидные) формулы используют в случае энантиомеров с одним асимметрическим (стереогенным) атомом углерода.

В этих формулах связи асимметрического атома углерода, лежащие в плоскости бумаги, изображают обычной валентной чертой; связи, уходящие за плоскость бумаги, – пунктирной линией (или штриховым клином); связи, выходящие вперед из плоскости бумаги, – жирной чертой или черным клином.

Перспективные формулы и соответствующие им проекции Ньюмена используют для изображения различных конформаций энантиомеров.

В перспективных проекциях рассматриваемая С – С связь как бы удаляется от наблюдателя в направлении слева направо, а в проекциях Ньюмена эта связь перпендикулярна плоскости бумаги. Атом углерода, наиболее удаленный от наблюдателя, символически можно отделить окружностью от атома углерода, расположенного ближе к наблюдателю.

Проекции Фишера (проекционные формулы Фишера) используют для изображения энантиомеров с любым количеством асимметрических (стереогенных) атомов углерода. Они представляют собой проекции тетраэдрических моделей молекул энантиомеров на плоскость бумаги и могут быть построены: а) исходя из структурной формулы энантиомеров; б) с использованием соответствующих моделей.

Рассмотрим построение проекций Фишера исходя из структурной формулы энантиомеров на конкретных примерах.

Задача 1. Изобразите проекционные формулы Фишера для стереоизомеров бутан-1,2-диола.

Решение.

Структурная формула бутан-1,2-диола такова:

В молекуле этого соединения имеется один асимметрический атом углерода. Следовательно, бутан-1,2-диол существует в виде двух энантиомеров, для которых необходимо построить две проекции Фишера, являющиеся зеркальным отображением друг друга.

Согласно правилам проекции Фишера изображают так, чтобы цепь углеродных атомов располагалась по вертикали, главная функциональная группа находилась вверху, а остальные заместители у стереогенного атома углерода – по горизонтали.

В соответствии с этим проекции Фишера для стереоизомеров бутан-1,2-диола выглядят следующим образом:

Задача 2. Изобразите проекции Фишера для стереоизомеров 2,3-дибромопентановой кислоты.

Решение.

Структурная формула этого соединения такова:

В молекуле 2,3-дибромопентановой кислоты имеется два стереогенных атома углерода, следовательно, число оптически активных изомеров должно быть равным (N = 2ⁿ) N = 2² = 4. Принцип построения проекций Фишера для этих стереоизомеров будет таким же, как и в задаче 1, только необходимо начертить две горизонтальные линии.

(Эритро-изомеры – это изомеры, содержащие два стереогенных атома, у которых в проекции Фишера оба одинаковых заместителя находятся по одну сторону относительно главной углеродной цепи; у трео-изомеров одинаковые заместители находятся по разные стороны углеродной цепи.)

Взаимосвязь проекций Фишера с пространственным строением молекулы стереоизомера становится понятной, если осуществить ее построение с использованием моделей.

А) При наличии в молекуле одного асимметрического атома углерода для записи проекции Фишера модель молекулы – тетраэдр – располагаютт таким образом, чтобы одно его горизонтальное ребро оказалось повернутым к наблюдателю. Асимметрический атом углерода располагают в плоскости бумаги (в проекции он находится на пересечении линий и обычно не изображается); связи, выступающие вперед, изображают горизонтальной линией; связи, уходящие за плоскость бумаги, – вертикальной линией (или иногда пунктирной).

При построении проекций этим способом следует иметь в виду, что одна и та же тетраэдрическая модель может дать двенадцать внешне непохожих друг на друга проекций. Это связано с тем, что, во-первых, при построении модели могут быть по-разному поставлены заместители в вершинах тетраэдра, и, во-вторых, к наблюдателю могут быть повернуты разные ребра тетраэдра. Поэтому для сопоставления различных проекций сформулированы правила их преобразования, основанные на определенных перемещениях заместителей или поворотах проекции в целом. Пользуясь этими правилами, можно преобразовать одну из составленных проекций и установить, идентична ли она другой проекции или же соответствует иному стереоизомеру. Кроме того, при построении проекции Фишера рекомендуется руководствоваться определенными правилами, основные из которых изложены в задаче 1. Если проекция изображена не в соответствии с этими правилами, ее иногда называют «нестандартно» написанной.

Б) Молекулы стереоизомеров с двумя асимметрическими атомами углерода могут находиться в различных конформациях (заторможенной, заслоненной, скошенных), которые изображают с помощью перспективных формул или проекций Ньюмена. Этими стереохимическими формулами можно воспользоваться для построения проекций Фишера. Но при этом следует помнить, что расположение заместителей в проекции Фишера соответствует их взаимной ориентации в заслоненной конформации. Это означает, что если молекула изображена в заторможенной конформации, то ее нужно показать в заслоненной конформации и только потом переходить к проекции Фишера.

Рассмотрим этот аспект на конкретном примере.

Задача 3.Трансформируйте перспективную формулу и проекцию Ньюмена одной из заторможенных конформаций 2,3-дигидроксибутановой кислоты в проекцию Фишера.

Решение.

1. Переход от перспективной проекции в заторможенной конформации к проекции Фишера:

§ изобразим молекулу в заслоненной конформации, в которой углеродная цепь принимает «клешневидную» форму (показана жирной чертой), причем открытая часть «клешни» должна быть направлена от наблюдателя (в этом случае углеродная цепь в проекции Фишера будет располагаться по вертикали, что соответствует основному правилу построения этой проекции);

§ спроецируем эту форму молекулы на плоскость бумаги.

2. Переход от проекции Ньюмена в заторможенной конформации к проекции Фишера:

§ изобразим формулу в виде заслоненной конформации;

§ повернем эту форму молекулы на 90⁰ вокруг горизонтальной оси (изображена пунктирной линией); такой поворот приведет к тому, что открытая часть «клешневидной» углеродной цепи будет направлена от наблюдателя;

§ спроецируем полученную форму молекулы на плоскость бумаги, в результате чего получится стандартно написанная проекция Фишера.