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

атом*кольца. Впрочем, с подобной ситуацией мы уже встречались при обсуждении конформаций пятичленных гетероциклов*.

Нельзя также забывать и о том, что в растворах и в жидкостях равновесие бывает смещено в сторону более полярных изомеров, а ими могут оказаться аксиальные конформеры. Так, исследова­ ния транс-2,3- и транс-2,5-дихлор-1,4-диоксанов XXVI и X X V I I , проведенные несколькими физическими методами [112—114], по­ казали, что в этих соединениях атомы хлора находятся в аксиаль­

перазин имеет свободную энергию активации инверсии кольца 12,6 ккал/моль при температуре коалесценции — 8,5 °С [118]; барьер инверсии в циклогексане, как мы указывали, близок к 11 ккал/моль (измерение свободной энергии переходного состоя­ ния [119] дало 10,3 ккал/моль). Для 1,3-диоксана измеренное

рактеризующих конформации пиранозных колец (шестичленных

170

Возможные конформации пиранозного кольца и их номенклатура, по Ривсу, приведены ниже:

Наиболее выгодными являются конформации кресла С1 и С2. Замечено, что наличие аксиальных гидроксильных групп в кольце, вообще говоря, уменьшает стабильность цикла. Правда, если имеется возможность для возникновения внутри- и межмо­ лекулярных водородных связей, то аксиальные заместители иногда даже стабилизируют цикл. Еще одной причиной дестаби­ лизации цикла является наличие аксиальной группы СН2ОН на той стороне кольца, где находятся другие объемистые заместители.

Рентгеноструктурные данные по конформациям сахаров де­ тально рассмотрены в обзорах [124, 1251. Правила Ривса подтвер­ ждаются почти для всех известных структур: шестичленные са­ хара в кристаллах существуют в конформациях кресла, обеспе­ чивающих минимальное число заместителей в аксиальных поло­ жениях. Длины связей С—С равны в среднем 1,53 А, С—О — 1,42 А; валентные углы ССС внутри цикла близки к тетраэдриче­ ским, а углы СОС обычно немного больше: 109—113°.

Не останавливаясь на деталях, связанных со строением и геометрией различных типов пиранозных колец (их возможное число очень велико), перейдем к проблемам, связанным с конформациями одного из них — глюкопиранозного кольца. На рис. 3.11 приведена его структурная формула и параметры, описывающие конформацию. Изомерные а- и p-D-глюкозы отли­ чаются одна от другой лишь относительным положением груп­ пы ОН при Сх: в а-изомере эта группа находится в аксиальном положении, в р-изомере— в экваториальном. Выбор именно этой молекулы определяется, во-первых, тем, что из всех пиранозных колец она представляет наибольший интерес для биохимии; во-вторых, тем, что ее конформации исследованы как экспери­ ментально, так и теоретически; в-третьих, основные особенности, обнаруженные для этой молекулы, можно легко распространить на другие пиранозные кольца.

В табл. 3.1 приведены положения заместителей — групп ОН и СН2ОН в различных конформациях глюкопиранозного кольца.

171

Исходя только из представления о невыгодности аксиальных за­ местителей, можно заключить [126], что самыми выгодными яв­ ляются конформации С1, В 1 и 3В. Однако кроме этого фактора важно учесть и то обстоятельство, что формы ванны вообще не­ выгодны: во-первых, они соответствуют большим энергиям на­ пряжения из-за отталкивания валентно не связанных атомов и значительного торсионного вклада; во-вторых, они соответствуют максимумам энергии на пути псевдовращения, минимумы же возникают при прохождении через теист-формы. Таким обра­ зом, сразу ясно, что форма С1 должна быть самой стабильной, поскольку в ней заместители находятся в благоприятных положе­ ниях; другому минимуму энергии должна отвечать форма 1C.

Рамачандран и сотр. [127] рассчитали энергии различных кон­ формаций глюкопиранозного кольца с атом-атом потенциалами Китайгородского [128] и Флори [129] без учета торсионных на­ пряжений. При этом валентные и двугранные углы в кольце фиксировались (все углы ССС были приняты равными 109,5°, а угол СОС— 114°, откуда с учетом длин связей легко можно найти в двугранные углы), варьировались лишь %—углы поворота групп СН2ОН. Оба набора атом-атом потенциалов дали наимень­ шую энергию для конформации С1 с х ~ 175° (согласно экспери­ ментальным данным [130], этот угол равен 180 ± 12°). На вто­ ром месте по стабильности оказалась конформация 3В; другое кресло 1C явно невыгодно энергетически по сравнению с С1.

Более строгий анализ конформаций a-D-глюкозы проведен в нашей работе [131]. Кроме невалентных взаимодействий учиты­

Валентные углы при минимизации потенциальной функции и поиске переходных состояний варьировались (упругая постоян­ ная для угла ССС равна 30 и для угла СОС соответственно

172

65 ккал-моль"1-рад-2). Учтены были также электростатические взаимодействия в монопольном приближении (заряды на атомах взяты из работы [132]), причем специально исследовано влияние неопределенности в величинах точечных зарядов на резуль­ таты расчетов.

Если считать валентные связи жесткими, то конформации шестичленного кольца описываются шестью независимыми пара­ метрами, в качестве которых можно принять валентные углы а 4,

Локальные спуски завершаются близко к вершинам паралле­ лепипеда (см. рис. 3.12), причем в вершину В' не привел ни один спуск, а наибольшее число точек оказалось около вершины, соот­ ветствующей конформации кресла С1.

Уточнение в областях, близких к локальным минимумам, по­ казало, что оптимальной конформацией действительно является кресло С1, откуда следует, что к глобальному минимуму ведет наибольшее число путей из случайных точек. На втором месте по стабильности оказалась другая конформация кресла — 1C; далее следуют твист-формы, которые можно условно обозначить В 1 — 2В и В2 — 1В (понятно, что конформации ванна не соот­ ветствуют минимумам потенциальной поверхности). В табл. 3.2

173