Относительная конфигурация
В 1874 году Вант – Гофф и Ле Бель предложили тетраэдрическую модель строения органических веществ. Они установили, что стереоизомеры можно описать зеркальными формулами.
Стереоизомеры вращают плоскость поляризации в противоположные стороны. Знак вращения позволяет определить относительную конфигурацию.
Относительная конфигурация не показывает истинное расположение групп вокруг хирального центра.
Данные об относительной конфигурации дает спектральный анализ.
Абсолютная конфигурация
Абсолютную конфигурацию нельзя определить химическими методами, если точно не установлена абсолютная конфигурация хотя бы одного хирального реагента.
В XIX – начале XX века в качестве стандарта абсолютной конфигурации выступал глицериновый альдегид. (+)-Изомер обозначили буквой $D$ (правовращающий), (-)-изомер обозначили буквой $L$ (левовращающий):
Статья: Абсолютная и относительная конфигурация
D-глицериновый альдегид L-глицериновый альдегид
В дальнейшем конфигурацию других органических соединений стали соотносить с глицериновым альдегидом.
При окислении с помощью оксида ртути (+)-глицериновый альдегид дает (-)-глицериновую кислоту. Во время реакции асимметричный атом не затрагивается, его конфигурация не меняется, (-)-глицериновая кислота относится к $D$-ряду:
(+)-D-глицериновый альдегид (-)-D-глицериновая кислота
Подобным образом органические соединения были отнесены к $D$- или $L$-ряду.
Методы определения абсолютной конфигурации:
- теоретический расчет;
- метод химического перехода
- рентгенографический метод.
Рентгенографический метод определения абсолютной конфигурации
В 1951 году впервые для определения абсолютной конфигурации использовали рентгенографический метод для (+)-винной кислоты, которую исследовали в виде натриеворубидиевой соли).
Суть рентгенографического метода:
- в исследуемую молекулу вводится тяжелый атом;
- используют лучи с длиной волны, близкой к краю рентгеновского поглощения этого атома.
На обычную дифракцию накладывался фазовый сдвиг, поэтому рентгенограммы энантиомеров становятся неидентичными.
Рентгенологический метод позволяет абсолютно точно определить конфигурацию молекулы соединения.
Например, аналог фенилаланина 1-амино-2-фенилэтилфосфоновая кислота имеет вид:
Метод химического перехода
Метод химического перехода рассмотрим на примере корреляции конфигурации глицеринового альдегида и винной кислоты.
В качестве исходного вещества выступает $L$-глицериновый альдегид. Допустим, что его конфигурация неизвестна, тогда к нему можно применить цепь реакций удлинения углеродного скелета (присоединение $HCN$, гидролиз, окисление первичной спиртовой группы).
В результате образуются две стереоизомерные винные кислоты, так как асимметричный центр может возникнуть в двух конфигурациях:
А Б
В мезовинной кислоте (А) конфигурации асимметрических центров противоположны, поэтому неизвестно, какой из них был в глицериновом альдегиде. Поэтому при определении конфигурации глицеринового альдегида мезовинная кислота роли не играет.
Правовращающая винная кислота (Б) имеет два асимметричных центра. Зная, что один из них содержится в исходном левовращающем глицериновом альдегиде и, зная абсолютную конфигурацию (+)-винной кислоты, выясняют строение (-)-глицеринового альдегида:
После получения винных кислот проводят поляриметрическое измерение для выяснения, какая из антиподных кислот образовалась. Выяснив, что образовалась (+)-винная кислота (ее конфигурация установлена рентгеноструктурным методом), делают вывод о конфигурации исходного (-)-глицеринового альдегида.
Из оптически активного вещества с неизвестной конфигурацией получили соединение с известной конфигурацией. Можно применять и обратный путь: по соединению с известной конфигурацией установить неизвестную конфигурацию соединения.
Например, превращение (-)-глицеринового альдегида в (+)-глицериновую кислоту
Или корреляция винной кислоты с яблочной:
Иногда необходимо часть химических превращений провести с соединением, конфигурация которого известна, а часть – с исследуемым веществом неизвестной конфигурации. При этом образуется общий промежуточный продукт, по которому можно судить о конфигурации продуктов реакции.
