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

ванну, — но и показал на моделях, что в монозамещенных цик­ логексана возможны две формы, которые мы теперь называем аксиальной и экваториальной, причем эти формы способны пе­ реходить одна в другую в результате инверсии цикла. Таким образом, Заксе можно было бы считать основателем конформационного анализа, если бы его открытие не было сделано слиш­ ком рано, когда химическая наука не была к этому подготовле­ на. Неудивительно, что работы Заксе были забыты на протяже­ нии последующих 30 лет.

В 1918 г. Мор [12], используя шароигловые модели, показал, что две формы кресла замещенных циклогексана — аксиальная и экваториальная ■— переходят одна в другую свободно или с небольшими затруднениями, вследствие чего невозможно их разделение; действительно, такое разделение не удалось осущест­ вить на практике. Опять же, построив пространственные модели, Мор нашел, что декалин может иметь две формы — с транс- и ц«с-расположением атомов водорода.

Обе эти формы свободны от углового напряжения, а их взаимное превращение затруднено в силу очень больших пространствен­ ных препятствий; можно сказать, что их разделяет большой по­ тенциальный барьер. Через 7 лет Хюккель [13] эксперименталь­ но показал, что эти две формы действительно существуют и одна из них — транс-форма — несколько стабильнее другой.

Циклогексан и его замещенные в дальнейшем неоднократно исследовались различными методами. Так, рентгенографическое исследование гексагалогенциклогексанов, проведенное в 1928 г. [14], показало, что эти молекулы находятся в конформации крес­ ла. И все же до конца сороковых — начала пятидесятых годов большинство химиков не придавали большого значения прост­ ранственному строению, если только это не касалось оптических изомеров (конфигураций), и предпочитали оперировать структур­ ными формулами.

Непосредственное отношение к развитию конформационного анализа имеют исследования оптической изомерии, обусловлен­ ной затрудненным вращением (атропоизомерии). Это явление было открыто в 1922 г. [15] на замещенных дифенилах (потому атропоизомерию часто называют изомерией типа дифенила).

15

Ниже приведено значение полупериода рацемизации для различ­ ных производных дифенила

НООС R

при 118°С (полупериод рацемизации — время, за которое поло­ вина молекул переходит из одной оптически активной формы в другую):

Очевидно, время рацемизации тем больше, чем больше энер­ гетический барьер, разделяющий две энантиоморфные неплоские формы; этот барьер возникает в конформации, когда оба бен­ зольных ядра находятся в одной плоскости. Приведенные данные показывают, что время рацемизации находится в строгом соот­ ветствии с объемом заместителя R в положении 2.

Интересно также появление оптической активности вследст­ вие деформаций молекулы из-за больших пространственных пре­ пятствий (см. гл. 3, раздел 5). Этот эффект был обнаружен, в частности, для следующих «перегруженных» ароматических со­ единений [16—191:

Изучение оптической активности и успехи стереохимии за­ мещенных дифенила способствовали возникновению новых взгля­ дов на пространственную структуру молекул. Теперь уже моле­ кулы стали представляться не как системы, состоящие из шари­ ков и стержней, а скорее как конгломерат атомов, заполняю­ щих пространство. Стюарт [20] в начале тридцатых годов предло­ жил модели молекул, состоящих из объемных атомов: радиус атома был равен ван-дер-ваальсовому, а в тех местах, где один

16

атом соединялся валентной связью с соседним, делался срез таким образом, что межъядерное расстояние было равно сумме ковалентных радиусов.

Распространению этих моделей способствовало также развитие органической кристаллохимии. В сороковых годах А. И. Китай­ городским [22] был выдвинут принцип плотной упаковки органи­ ческих молекул, согласно которому молекулы в кристалле рас­ полагаются, заполняя пространство таким образом, что выступы одной молекулы входят во впадины другой.

Ниже показаны стюарт-бриглебовские модели молекул цик­ логексана (а) и н-бутана (б); здесь же приведена плотная упаков­ ка молекул в кристалле тетраиодэтилена (в). К концу сороковых годов такие модели стали настолько привычными, что шарики и стержни выглядели уже карикатурой на молекулы и испольовались лишь в учебных целях.

а

в

Дальнейшее развитие конформационного анализа связано с изучением внутреннего вращения в молекулах. В 1936—1937 гг. Питцер и сотр. 123, 24] показали, что вращение в этане не сво- — бодно — при прохождении через заслоненнуюПюн||^мацу|0,,м.©-1

■А

3 ккал/моль. Рассчитав термодинамические функции я-бутана, Питцер [25] нашел, что в этой молекуле в конформации, соответ­ ствующей цисоидному расположению трех связей С—С, энерге­ тический барьер должен быть еще большим. Важную роль в раз­ витии конформационных представлений сыграли также работы школы Мидзусима [26], в которых внутреннее вращение исследо­ валось спектроскопическими методами.

И все же подлинный расцвет конформационного анализа на­ чинается только в начале пятидесятых годов после опубликова­ ния работ Хасселя и Бартона [27, 28], за которые эти исследо­ ватели были удостоены Нобелевской премии 1969 г. (см. также [29]). Хассель занимался изучением структуры галогензамещенных циклогексана и показал, что экваториальные изомеры обыч­ но несколько стабильнее аксиальных; кроме того, он высказал идею об интерконверсии колец (см. гл. 3, раздел 2). Бартон же одним из первых подчеркнул важность конформационных пред­ ставлений в понимании реакционной способности сложных орга­ нических соединений.

Конформационный анализ — это экспериментальная наука, изучающая пространственное строение молекул и его влияние на физические и химические свойства веществ, в том числе и на их реакционную способность. Можно сказать, что в пятидесятых годах органическая химия вышла в третье измерение: химикорганик, обсуждая реакционные способности и механизмы хими­ ческих реакций, уже не ограничивается структурными форму­ лами, а зачастую прибегает к построению моделей.

Примечательно, что на новом этапе развития конформацион­ ного анализа вновь меняется представление о молекулах. Модели Стюарта — Бриглеба (см. выше) не воспроизводят угловых соот­ ношений — из них трудно извлечь информацию о валентных уг­ лах и углах вращения вокруг связей. Поэтому шароигловые модели обретают второе рождение (подробный обзор разнообраз­ ных молекулярных моделей см. [30—33]). Так, ниже приведена шароигловая модель молекулы я-бутана.

Она в некотором отношении удобнее для понимания конформа­ ционных особенностей этой молекулы, чем модель, заполняющая пространство (см. стр. 17). То же самое можно сказать ц о моде­ лях циклогексана (ср. стр. 13 и 17).

Более того, оказалось, что для изучения конформаций, т. е. для исследования вращения вокруг связей, атомы-шарики вовсе не обязательны; достаточно ограничиться лишь скелетом моле­

18

кулы — жесткими валентными связями, способными поворачи­ ваться одна относительно другой. Такие модели в конце пяти­ десятых годов предложил Дрейдинг [34]. Они особенно удобны для исследования конформаций сложных систем — стероидов, полипептидов и т. д.

Но не следует думать, что какой-либо из типов моделей яв­ ляется вполне универсальным. Если модели Дрейдинга позво­ ляют измерить межатомные расстояния и рассчитать конформационную энергию, то модели Стюарта — Бриглеба дают воз­ можность «визуально» оценить пространственные напряжения. Поэтому различные типы моделей — заполняющие простран­ ство, шароигловые и скелетные — можно рассматривать как до­ полняющие друг друга, а наиболее подходящие модели имеет смысл выбирать в соответствии с характером задачи.

«Экспериментальный» конформационный анализ превосходно изложен в монографии [11]. Благодаря тому, что циклогексан и его производные стали традиционными объектами классиче­ ской стереохимии, конформациям этих соединений посвящена значительная часть цитируемой монографии. Поэтому в следую­ щих главах основное внимание будет уделено теории конформационного анализа, а также конформациям сложных молекул — макромолекул и биополимеров. Проблемы структурной химии (строение молекул) выдвинуты на первый план; менее детально, однако с акцентом на теоретический аспект, изложены пробле­ мы динамической стереохимии (им посвящена гл. 5).

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ МОЛЕКУЛ

В этом разделе мы кратко рассмотрим три прямых метода иссле­ дования геометрии молекул — рентгеноструктурный анализ, электронографию и микроволновую спектроскопию. Эти методы очень трудоемки и требуют высококвалифицированного труда специалистов. С другой стороны, косвенные методы, широко применяющиеся во многих химических и биологических лабора­ ториях, не дают столь детальной информации о расположении атомов в молекулах, однако, если основные элементы структуры известны, с их помощью становится возможным понять некото­ рые важные особенности, связанные с конформациями и энерге­ тикой конформационных процессов. Косвенные методы рассмот­ рены в разделе 4.

Рентгеноструктурный анализ

Рентгенография кристаллов является самым старым и в то же время самым универсальным методом исследования структуры молекул. Слово «универсальный» использовано здесь в том смыс­ ле, что этот метод не накладывает ограничений на размер моле­ кул: рентгеноструктурный анализ позволяет, по крайней мере,

в принципе определить структуру любого вещества, существую­ щего в кристаллическом состоянии.

Рентгеноструктурный анализ достиг поистине потрясающих успехов в последние двадцать лет благодаря применению вычи­ слительных машин. Выбирая объект исследования, кристалло­ граф теперь уже не задается вопросом: можно ли решить эту структуру? Главное, что его интересует, — это будет ли по­ лученная информация достаточно интересна, чтобы оправдать труд, затраченный на расшифровку.

Первый этап расшифровки структуры — геометрический, цель которого заключается в нахождении повторяющихся мотивов из групп атомов; такими группами могут быть либо отдельные молекулы, либо совокупность молекул. На первом этапе интен­ сивности интерференционных пятен совершенно несуществен­ ны, важно только разобраться в погасаниях, т. е. отсутствии не­ которых пятен, обусловленном наличием элементов симметрии. Погасания определяют пространственную группу, а расстояния между пятнами —■параметры элементарной ячейки.

Второй и наиболее трудоемкий этап исследования, приводя­ щий к определению структуры молекулы, заключается в анализе интенсивности пятен. Серьезным препятствием на этом этапе является проблема знаков структурных амплитуд. Дело в том, что пятна возникают в результате интерференции рентгеновских лучей, рассеянных на разных атомах, точнее на их электронных оболочках. Которая из волн опередила другую — волна, идущая от атома /, или волна от атома j — заранее, как правило, неиз­ вестно (т. е. неизвестны знаки структурных амплитуд, или фа­ зовые множители), и потому только из анализа интенсивностей без привлечения каких-либо других данных обычно не удается полностью установить структуру молекулы.

Однако из указанного затруднения имеются два выхода. Во-первых, если заранее выбрать фиксированное расположение атомов в молекуле, то рассчитать дифракционную картину, рас­ полагая ЭВМ, совсем нетрудно. Варьируя положения атомов, можно добиться вполне хорошего согласия теоретического и экспериментального распределений интенсивностей. Этот метод, когда-то называвшийся методом «проб и ошибок», широко ис­ пользуется в практике рентгеноструктурного анализа, в част­ ности при исследовании кристаллов стереорегулярных макромо­ лекул (см. гл. 7).

Другой возможностью избавиться от трудностей, связанных со знаками структурных амплитуд, является использование тяжелых атомов. Если молекула содержит тяжелый атом, то рентгеновские лучи рассеиваются на нем больше, чем на легких атомах, и вклад этого атома в разности фаз существенно превы­ шает вклады других атомов. Если же в молекуле отсутствуют тяжелые атомы, то их вводят искусственно, замещая, например, бромом один из атомов водорода.

20