Файл: Дашевский, В. Г. Конформации органических молекул.pdf

впрочем, любому химику, физику или биологу, имеющему отно­ шение к биохимии, биофизике, высокомолекулярным соедине­ ниям и молекулярной биологии. Мне хотелось, чтобы эта книга помогла читателю войти в круг идей и методов конформационного анализа, который по существу является продолжением стерео­ химии и представляет собой одну из ведущих и вместе с тем увле­ кательнейших областей химической науки.

Среди лучших пособий по конформационному анализу сле­ дует, пожалуй, отметить переведенную у нас книгу Э. Илиела, Н. Аллинджера, С. Энжиала и Г. Моррисона «Конформационный анализ» (М., «Мир», 1969), а также монографию Т. М. Бирштейн и О. Б. Птицына «Конформации макромолекул» (М., «Нау­ ка», 1964). Первая из них предназначена в основном для химиков-органиков и на 90% посвящена насыщенным цикличе­ ским соединениям, а вторая охватывает ряд интересных проблем, в некоторой степени удаленных от классической стереохимии. Однако сегодня еще нет обзора, который освещал бы большее здание конформационного анализа с достаточно общих, в том числе структурных позиций, и я надеюсь, что настоящая книга устранит этот пробел если не полностью, то хотя бы частично.

Несколько замечаний относительно общего плана изложения. В книге не только приведены основополагающие результаты, но и описаны разнообразные методы, применяемые в конформационном анализе, среди которых основное внимание уделено теорети­ ческим методам. Много места в книге занимают обоснование и критический анализ атом-атом потенциалов, используемых для расчета геометрии молекул; обсуждаются свойства потенциальных функций и методы минимизации. Что же касается чисто хими­ ческих приложений, таких как, например, роль пространствен­ ного фактора в органических реакциях, то здесь обсуждение про­ водится лишь в тех случаях, когда возможны какие-либо коли­ чественные оценки.

Теоретические представления выдвинуты на первый план отчасти из-за большей склонности автора к теоретическим проб­ лемам, но в основном из-за великого множества эксперименталь­ ных данных, проанализировать которые попросту не представ­ ляется возможным. Потому в большинстве случаев мне прихо­ дилось ограничиваться простой констатацией фактов и останав­ ливаться лишь на узловых моментах. Тем не менее эксперимен­

9

тальные результаты занимают в книге определенное место. Так, в гл. 3 упомянуты многочисленные структурные данные, касаю­ щиеся органических молекул.

Основам конформационного анализа малых молекул посвя­ щены первые шесть глав, и лишь в трех последних главах из­ ложено применение модели атом-атом потенциалов к макромоле­ кулам — синтетическим полимерам, полисахаридам, белкам и полинуклеотидам. Многие сочтут, вероятно, что последние главы следовало бы написать более фундаментально, как, собственно, и было задумано вначале. Но это должно было бы привести к значительному увеличению объема рукописи. Остается лишь втайне надеяться, что когда-нибудь мне посчастливится на­ писать еще одну монографию, специально посвященную конфор­ мациям макромолекул.

Эту книгу я старался писать так, чтобы она была доступна читателю, впервые знакомящемуся с конформационным анали­ зом, и в то же время чтобы она представляла интерес для спе­ циалиста. Нели какая-либо проблема еще неясна и требует даль­ нейшего изучения, я не только этого не скрывал, но, напротив, старался привлечь к ней внимание. Быть может, вопросы, кото­ рые возникнут у любознательного читателя, послужат стиму­ лом для дальнейших исследований в этой, с моей точки зрения, чрезвычайно интересной области науки.

Мне хотелось бы воспользоваться случаем, чтобы выразить искреннюю благодарность коллективу, в котором я работаю. Я глубоко признателен профессору А. И. Китайгородскому: он был моим первым наставником в исследовательской работе, и многолетнее общение с ним благотворно сказалось на эволюции моих представлений. Эта работа не могла бы быть достаточно продуктивной, если бы не участие в ней моих коллег по конфор­

А. А. Луговского, Г. Н. Саркисова, кандидата химических наук Г. М. Липкинда. Я признателен профессорам В. М. Беликову, Д. А. Бочвару и А. Л. Либерману, а также кандидату химиче­ ских наук А. С. Багатурьянцу за чтение отдельных глав рукопи­ си и высказанные ими ценные замечания. Изложение, как мне кажется, выиграло благодаря критике моего доклада академи­ ком М. И. Кабачником, доктором физико-математических наук Л. С. Маянцем и докторами химических наук В. М. Беликовым и В. И. Соколовым на методологическом семинаре в ИНЭОС АН СССР. К сожалению, я не могу перечислить всех моих кол­ лег — советских и зарубежных ученых, устное и письменное общение с которыми принесло мне несомненную пользу. Я смею лишь надеяться, что они имеют хотя бы малейшее представление о моей огромной благодарности.

В. Г. ДАШЕВСКИП

Г Л А В А 1

ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ГЕОМЕТРИИ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ

1. ПУТИ РАЗВИТИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ СТЕРЕОХИМИИ

На протяжении почти 100 лет — до середины XX века — глав­ ным предметом органической стереохимии являлось изучение строения и свойств оптических изомеров. В 1815 г. Био нашел, что некоторые органические вещества могут вращать плоскость проходящего через них поляризованного света. Но подлинным началом стереохимии можно считать открытие Пастером (1848 г.) рацематов, в которых имеются право- и левовращающие соеди­ нения. Кекуле близко подошел к объяснению этого явления, поскольку уже в 1867 г. им было предложено тетраэдрическое строение насыщенного атома углерода. Однако лишь Вислеценус высказал истинно стереохимическую гипотезу: если моле­ кулы структурно идентичны, но обладают различными свойст­ вами, то различие в свойствах обусловлено взаимным располо­ жением атомов в пространстве. Опираясь на эту гипотезу, пред­ ставления Кекуле и теорию химического строения Бутлерова, Вант-Гофф в 1874 г. развил теорию асимметрического атома угле­ рода и объяснил правое и левое вращение.

В те давние времена представления о молекулах мало отли­ чались от современных. Ниже показаны шароигловые модели

Единственное различие в их пространственной структуре свя­ зано с положениями двух1заместителей. Однако этого уже до­ статочно, чтобы эти формы стали оптическими антиподами — они зеркально симметричны, но не могут быть совмещены в прост­ ранстве. Тогда говорят, что молекула имеет неидентичные кон­ фигурации. Модели, построенные из шариков и стержней (ша-

11

роигловые модели), великолепно передают различие в строении оптических изомеров.

Разумеется, приведенный пример является лишь иллюстра­ цией. Классическая стереохимия изучала и значительно более сложные соединения — аминокислоты, сахара, многочисленные циклические соединения, в том числе производные камфоры:

'О

Статическая стереохимия исследовала пространственное стро­ ение молекул, динамическая — влияние пространственного стро­ ения на реакционные способности и скорости реакций. Достиже­ ния классической стереохимии описаны в монографиях 11, 2].

Конформационный анализ уже давно является существенным разделом органической стереохимии, но ведущее положение он занял лишь в последние двадцать лет.

Зачатки конформационных представлений возникли в ре­ зультате кризиса байеровской теории напряжения малых цик­ лов. Пяти- и шестичленные насыщенные циклы углеводородов были известны еще до Байера. Циклы же большего или мень­ шего размера долгое время не удавалось синтезировать, и в 1875 г. Мейер 13] даже высказал предположение, что другие циклы не могут быть стабильными. Однако в 1881 г. В. В. Мар-

Основываясь на данных по стабильности малых циклов (те­ перь, разумеется, имеются более точные данные [7, 8]), Байер [9] построил теорию, согласно которой циклы предполагаются плоскими, и тогда валентные углы а в них легко вычисляются

а = 180° (п — 2)/п

где я— число атомов в цикле. Нетрудно подсчитать, что отклонение от тетраэдрического угла будет наибольшим для циклопропана (я = 3) и наименьшим— для циклопентана (я = 5). Для шести­ членного кольца Да = —5°16'. Между тем уже тогда было из­ вестно, что циклогексан является наиболее стабильным циклом.

12

Заксе [10] нашел выход из создавшегося затруднения. Рас­ смотрев модели шестичленного кольца, он обнаружил две неплоскке формы, свободные от углового напряжения — кресло и ванну; лишь лет через шестьдесят после открытия Заксе экспе­ риментаторы и теоретики обнаружили еще одну форму цикло­ гексана — твист —, которая оказалась несколько стабильнее ванны. Эти три формы приведены ниже (подробнее об их гео­ метрии и взаимопревращениях см. гл. 3, раздел 2):

Эти формы возникают в результате вращения вокруг ординар­ ных С—С-связей и называются конформациями молекулы.

Обычно под термином «конформация» понимают неидентичные расположения атомов в молекуле, получаемые при вращении вокруг одной или нескольких простых связей без их разрыва [11]. Если исходить из этого определения, то простейшей моле­ кулой, имеющей конформации, будет молекула перекиси водорода Н—О—О—Н: конформеры в ней возникают при вращении во­ круг связи О—О. В молекуле этана СН3—СН3 конформеры по­ лучаются в результате вращения вокруг связи С—С. Чаще всего различные конформации бывают связаны с одновременным вра­ щением вокруг нескольких связей, как это имеет место, напри­ мер, в циклогексане или нормальных алканах.

Иногда термину «конформация» придают более широкий смысл. Так, говорят, что молекула тетрабензперопирена

а

по крайней мере в принципе может иметь две конформации:

13

двугранных углов (неплоских деформаций) — а их лишь с очень большой натяжкой можно отнести к вращениям вокруг уже не совсем простых связей; во-вторых, за счет существенных дефор­ маций валентных углов.

Еще пример. Давно известно, что в молекуле аммиака NH3 происходит превращение одной пирамидальной формы в дру­ гую — атом азота «ныряет» и при прохождении через плоскую

НДЧ"

В этом случае часто говорят о плоской и пирамидальной конфор­ мациях атома азота. Совершенно ясно, что в молекуле аммиака конформационные превращения, если их можно так назвать, происходят за счет деформаций валентных углов.

Различные структуры циклопентадиенильных производных переходных металлов тоже часто называют конформациями, хотя в них отсутствуют как вращения вокруг простых связей, так и деформации валентных углов. Ниже показаны две типичные формы этих «сэндвичевых» молекул: призматическая (б) и антипризматическая (в). Свободное или слегка заторможенное вра­ щение вокруг оси «металл — центр пентадиенильного кольца» переводит эти формы одна в другую.

Итак, более общее определение конформаций может выгля­ деть следующим образом: конформации — это неидентичные рас­ положения атомов в молекуле, которые могут возникать при различных изменениях внутренних геометрических параметров, в частности углов вращения и валентных углов4; при этом ва­ лентные связи практически не растягиваются и не укорачи­ ваются.

Вернемся теперь к истории конформационного анализа. Заксе не только нашел две конформации циклогексана — кресло и

14