Симметрия глазами химика - Харгиттаи И.
ISBN 5-03-000276-6
Скачать (прямая ссылка):
НСООСН3 СН3СООН НСОСН2ОН
Хотя эти молекулы в целом несимметричны, их отдельные составляющие могут обладать симметрией; другими словами, они имеют так называемую локальную симметрию. Одни и те же группы в различных молекулах часто близки по геометрическому строению, а следовательно, имеют сходную локальную симметрию. Структурные формулы позволяют выявить очень много полезной информации о локальной симметрии или по крайней мере судить о сходстве и различиях групп в разных молекулах. Вышеупомянутые структурные формулы как раз очень подходят для этой цели. Такой подход особенно
оч н но он
\ / \ / \ I
с—о-с-н н-с-с с-с-о-н
/ \ / \ / I
н н н о-н н н
Рис. 3-1.
Структурная изомерия молекул с одинаковой эмпирической формулой С2Н402.
Молекулы, их форма и геометрическое строение
95
широко используется в органической химии, где относительно небольшое число атомов порождает громадное число различных молекул. Гораздо большее разнообразие структурных особенностей характерно для неорганической химии.
Химический символ атома углерода дважды встречается в каждой из трех упрощенных формул; этот факт указывает на существующие структурные отличия. То же самое можно сказать и об атомах кислорода. С другой стороны, три атома водорода эквивалентны как в метилформиате, так и в уксусной кислоте, а четвертый атом водорода отличается по своему положению в обеих молекулах. В молекуле гликолевого альдегида имеются три разновидности положений атома водорода.
Структурную изомерию еще называют конституционной изомерией. Строение молекулы следует понимать как описание способа соединения атомов, т. е. их последовательности. Молекулы с одинаковой структурой могут различаться в пространственном расположении атомов. Два вида изомерии возникают вследствие различия в пространственном расположении атомов. Один из них, названный энантиоморфизмом, относится к ситуации, когда изомеры являются зеркальными двойниками. Этот тип изомерии является следствием наличия хиральности, поэтому он уже обсуждался нами. Второй вид-это поворотная изомерия. Она возникает всякий раз, когда две связи в молекуле разъединены третьей.
3.2. Поворотная изомерия
Четырехатомная цепь - простейший пример системы, в которой возможна поворотная изомерия. Это пояснено на рис. 3-2.
Поворотные изомеры, или конформеры, представляют собой различные формы той же самой молекулы, возникающие при повороте относительно одной связи, которая выступает в роли оси вращения. Различные поворотные формы описываются одинаковой эмпирической и одинаковой структурной формулой. При повороте изменяется только относительное положение двух связей (или групп атомов) на двух концах оси вращения. Точечные группы различных поворотных изомеров могут полностью различаться.
Рис. 3-2.
Поворотная изомерия четырехатомной цепи.
Конформеры удобно представлять с помощью так называемых проекционных формул, в которых две связи (или группы атомов), находящиеся на разных концах оси вращения, проецируются на плоскость, проходящую перпендикулярно центральной связи. Эта плоскость обозначается окружностью с центром, который совпадает с проекцией оси вращения. Связи, лежащие над этой плоскостью, изображаются прямыми линиями, идущими из центра. Связи, расположенные под плоскостью, т. е. находящиеся на противоположном конце оси вращения, изображаются выходящими из-за окружности. Поворотный изомер 1,2-дибром-1,2-дихлорэтана, ВгС1НС — СНОВг, начерченный именно таким способом, показан на рис. 3-3. Такой вид изображения называется также проекцией Ньюмена. Форма, показанная на рис 3-3, называется шахматной, поскольку связи одной группы на проекции чередуются со связями другой группы. Если же связи на проекции накладываются друг на друга, то такой поворотный изомер называется затененным.
Если взять молекулу А2В — ВС2, то иллюстрацией ее шахматной и затененной конформаций могут служить рисунки Дега «Конец арабески» и «Присевшая танцовщица, завязывающая туфельки», которые приведены на рис.3-4, а; соответствующие проекционные изображения-на рис. 3-4,(5, а конформеры молекулы-на рис. 3-4, е. Рисунки Дега оказываются полезными и для понимания самой системы представления поворотных изомеров, которую мы пояснили выше. Проекции на рис. 3-4 представляют собой вид вдоль связи В — В, т. е. тела танцовщицы. Плоскость, пересекающая связь В — В, изображена в виде окружности, точно соответствующей юбке танцовщицы. Ее руки и ноги-это связи В — А и В — С. Случайно оказавшийся букет в правой руке танцовщицы, находящейся в шахматной конформаций, можно воспринимать в качестве дополнительного заместителя.
Рассматривая природу центральной связи, можно выделить две разновидности поворотной изомерии. В случае двойной связи внутреннее вращение затруднено, и между поворотными формами существует очень высокий потенциальный барьер. Такой барьер может оказаться настолько большим, что становится возможным физическое разделение
С1
С1
Рис. 3-3.
Ньюменовская проекция поворотного изомера молекулы 1,2-дибром-1,2-дихлорэтана.
