§ 19. Гетерофункциональные соединения и оптическая изомерия

Определения и обозначения

Гетерофункциональное соединение — органическое вещество, молекула которого содержит две или более разные функциональные группы. Такие группы могут влиять на разные участки молекулы, поэтому соединение сочетает свойства нескольких классов веществ. К этому типу относятся, например, гидроксикислоты и аминокислоты.

Функциональная группа — атом или группа атомов, определяющая характерные химические свойства органического соединения. К распространённым группам относятся гидроксильная –OH, карбоксильная –COOH и аминогруппа –NH₂. Их распознавание помогает понять, какие реакции возможны для вещества.

Оптическая изомерия — вид пространственной изомерии, при котором изомеры различаются взаимодействием с плоскополяризованным светом. Такой свет имеет колебания в одной плоскости, а оптически активное вещество поворачивает эту плоскость. Понятие связывает пространственное строение молекулы с наблюдаемым оптическим эффектом.

Энантиомеры — изомерные молекулы, являющиеся несовместимыми друг с другом зеркальными отражениями. Их можно представить как левую и правую перчатки: образцы похожи, но полностью совместить их нельзя. Это название используют для двух зеркальных форм одной хиральной молекулы.

Как это устроено

Если в молекуле есть несколько разных функциональных групп, она относится к гетерофункциональным соединениям, а её свойства складываются из влияния этих групп. Например, гидроксикислоты содержат гидроксильную –OH и карбоксильную –COOH группы. Аминокислоты содержат аминогруппу –NH₂ и карбоксильную группу, а некоторые соединения могут включать также –OH. Поэтому одна молекула способна проявлять химические особенности разных классов.

Хиральность часто возникает вокруг атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями. Углерод образует четыре связи, направленные в пространстве к вершинам тетраэдра, а не лежащие в одной плоскости. Если заместители различаются, перестановкой вокруг такого центра нельзя получить исходное расположение простым поворотом. Два пространственных варианта становятся зеркальными формами.

Зеркальное отражение меняет расположение заместителей так, что правое и левое направления оказываются противоположными. Поворот молекулы в пространстве может изменить её положение, но не превращает одну такую конфигурацию в другую: при попытке совместить все четыре заместителя совпадут не все. Поэтому зеркальные формы хиральной молекулы несовместимы и образуют пару энантиомеров.

В ахиральной среде энантиомеры имеют одинаковые основные физические свойства, например температуру кипения, и сходно реагируют с обычными ахиральными реагентами. Однако один энантиомер вращает плоскость поляризации вправо, а другой — на такой же угол влево; с хиральными объектами они тоже могут взаимодействовать по-разному. При нескольких хиральных центрах возможны диастереомеры — стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отражениями. Если у молекулы есть внутренняя симметрия, может существовать мезоформа: она содержит хиральные центры, но в целом не хиральна.

Ключевые признаки гетерофункциональных и оптически активных соединений

Пользуйтесь таблицей, чтобы не смешивать два независимых признака: набор функциональных групп и пространственную хиральность. Для определения энантиомерии сначала устанавливают хиральность молекулы, а затем сравнивают её с зеркальной формой. Оптическая активность связана со строением, но у смеси энантиомеров их вращения могут компенсироваться.

Разбор задач

Задача 1. Для молочной кислоты CH₃–CH(OH)–COOH определите функциональные группы и установите, является ли центральный атом углерода хиральным.

1. Выделим группы в формуле: –OH — гидроксильная, –COOH — карбоксильная.
2. Рассмотрим центральный атом CH. К нему присоединены H, OH, CH₃ и COOH.
3. Все четыре заместителя различны, значит, центральный атом углерода хирален.

Ответ: молочная кислота — гетерофункциональное соединение с гидроксильной и карбоксильной группами; её центральный атом углерода хирален.

Задача 2. Изобразите пару энантиомеров 2-аминопропановой кислоты CH₃–CH(NH₂)–COOH и отметьте хиральный атом.

1. У центрального атома C четыре заместителя: H, NH₂, CH₃ и COOH; все они различны, поэтому этот атом хирален.
2. Для условного рисунка используйте проекцию Фишера: расположите COOH сверху, CH₃ снизу, а H и NH₂ — на горизонтальных связях.
3. В первой форме поставьте NH₂ слева, H справа; во второй поменяйте их местами. Получатся зеркальные проекции, которые нельзя совместить поворотом без изменения связей.

Ответ: у 2-аминопропановой кислоты один хиральный атом углерода и пара энантиомеров; в проекциях Фишера они отличаются расположением H и NH₂.

Задача 3. Определите число стереоизомеров и пар энантиомеров у 2-амино-3-гидроксибутановой кислоты HOOC–CH(NH₂)–CH(OH)–CH₃.

1. Проверьте атомы CH(NH₂) и CH(OH): каждый связан с четырьмя различными заместителями, значит, в молекуле два хиральных центра.
2. Максимальное число стереоизомеров равно 2ⁿ, где n — число центров: 2² = 4.
3. Внутренней симметрии, которая могла бы совместить части молекулы и создать мезоформу, нет: концы и заместители у центров различаются.
4. Зеркальное отражение меняет конфигурацию обоих центров, поэтому четыре формы составляют две пары энантиомеров.

Ответ: 4 стереоизомера, то есть 2 пары энантиомеров; мезоформы нет.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любую молекулу с гидроксильной или аминогруппой оптически активной. Эти группы описывают химические свойства, но не гарантируют хирального строения. Проверка: найдите возможные хиральные центры и отдельно учтите, не является ли образец рацемической смесью.

Ошибка — объявлять атом углерода хиральным, не сравнив его заместители. Повторяющиеся заместители или одинаковые фрагменты означают, что у атома нет четырёх разных групп. Проверка: выпишите все четыре заместителя по отдельности и убедитесь, что каждый отличается от остальных.

Ошибка — считать зеркальные изображения одной молекулой. Так рассуждают, потому что обычно поворот предмета меняет его положение, но не форму; однако зеркальное отражение меняет пространственную конфигурацию. Проверка: попробуйте совместить все части зеркальных моделей одновременно — для энантиомеров это невозможно.

Ошибка — всегда принимать число стереоизомеров равным 2ⁿ. Это число задаёт максимум для n хиральных центров, но внутренняя симметрия может привести к мезоформе и уменьшить число разных изомеров. Проверка: после подсчёта центров сравните концы и участки молекулы на наличие симметрии.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужно знать функциональные группы и строение органических молекул. Также пригодятся различия между структурной изомерией, когда различается порядок соединения атомов, и пространственной изомерией, когда связность одинакова, но различается расположение в пространстве. Эти знания позволяют сначала прочитать формулу, а затем оценить её пространственное строение.

Хиральность и энантиомерия важны при изучении аминокислот, белков и углеводов. Биологические молекулы сами имеют определённое пространственное строение, поэтому два энантиомера могут по-разному взаимодействовать с ферментами и другими веществами организма. По этой же причине стереохимия учитывается при изучении действия лекарственных веществ.

Что запомнить

• Гетерофункциональное соединение содержит разные функциональные группы.
• Функциональные группы определяют характерные химические свойства вещества.
• Хиральный атом углерода связан с четырьмя различными заместителями.
• Энантиомеры являются несовместимыми зеркальными отражениями.
• Энантиомеры вращают плоскость поляризации света на одинаковый угол в противоположные стороны.
• Число стереоизомеров с несколькими хиральными центрами может уменьшаться из-за внутренней симметрии.
• Рацемическая смесь энантиомеров в равных количествах не проявляет суммарной оптической активности.