1.1.5. ТОПИЗМ

1.1.5.1. Терминология

Точно так же, как изомерия основана на принципе сравнения молекул, целая область стереохимии посвящена сравнению лигандов внутри одной молекулы [6]. Однако лишь сравнительно недавно этот аспект стереохимии, посвященный так называемым топическим взаимоотношениям [7, 20, 30, 64, 65], стал объектом должного внимания, хотя важность конценции топизма доказывается существованием множества давно известных ферментативных реакций. Термин «топизм» (от греч. -место) относится к такой форме анализа, при которой сравнивается взаимное расположение лигандов и их окружение. Два лиганда в молекуле называются гомотопными, если они могут быть совмещены друг с другом следующими тремя путями [65]: а) вращением вокруг некоторой оси например, оба атома водорода (а также оба атома хлвра) в дихлорметане (1) гомотопны благодаря наличию симметрии ; б) быстрым изменением конфигурации или конформации; так атомы водорода в метильной группе толуола гомотопны вследствие быстрого торсионного движения вокруг связи ; в) передачей движения в случае бесконечного полимера. Лиганды, к которым не применим ни один из этих критериев гомомотопности, называют гетеротопными. Если гетеротопные лиганды находятся в неодинаковом по строению окружении, то их называют структурно-гетеротопными; таковы, например, метиленовые протоны (Н) в положениях и н-пропанола . Гетеротопные лиганды, находящиеся в различном стереоизомерном окружении, называют стереогетеротопными. Наконец, класс стереогетеротопных лигандов может быть подразделен на энантио-топные и диастереотопные лиганды. К первым относятся такие лиганды, которые можно обменять посредством операции симметрии , например атомы водорода в метиленовой группе этанола (13); ко вторым — лиганды, которые нельзя обменять посредством какой бы то ни было операции симметрии внутри молекулы, например метальные группы в положении -пинена (7).

Ниже схематически показано близкое соответствие понятий изомерии и топизма:

днанти отопные Д иастереотопные

Для установления или подтверждения характера топических взаимоотношений между стереогетеротопными лигандами можно использовать критерий замещения [20], смысл которого пояснен ниже:

Поочередное замещение гомотопных атомов водорода в дихлорметане (1) на дейтерий дает только одно дейтеропроизводное (83). Поочередное же замещение энантиотопных лигандов в этаноле (13) на дейтерий приводит к энантиомерам R- и . В случае -яблочной кислоты (85) поочередное замещение диастереотопных атомов водорода на дейтерий приводит к диастереомерам .

Ясное понимание топических взаимоотношений между лигандами в молекуле весьма полезно при интерпретации спектров ЯМР. Гомотопные ядра всегда имеют один и тот же химический сдвиг; соответствующие сигналы называют изохронными. Однако диастереотопные ядра могут различаться по величине химического сдвига; в подобном случае наблюдаемые сигналы называют анизохронными. В ахиральных растворителях энантиотопные ядра дают изохронные сигналы, но в присутствии хиральных растворителей [66] или комплексообразователей [67], включая и ферменты, которые можно рассматривать как хиральные реагенты, удается обнаружить разницу между энантиотопными лигандами. Таким образом, энантиотопные ядра в хиральном окружении могут проявлять анизохронность.

Топические взаимоотношения помогают также охарактеризовать пространство вокруг атомов и связей в молекуле. В частности, обе стороны плоскости двойной связи, образованной -гибридизованными атомами углерода, могут быть гомотопными или стереотопными. Стороны плоскости карбонильной группы могут быть гомотопными, энантиотопными или диастереотопными. Формальдегид (88) образует только один полуацеталь (89), так как обе стороны его плоской молекулы равноценны или гомотопны. Однако в случае бензальдегида (90) обе стороны плоскости, в которой лежит молекула, энантиотопны, и поэтому присоединение цианид-иона, равновероятное с обеих сторон плоскости, приводит к двум энантиомерным нитрилам миндальной кислоты (91) и (91).

В при сутствии фермента эмульсина образуется только один из этих энантиомеров. Это означает, что фермент способен «чувствовать» разницу между энантиотопными сторонами субстрата. Наконец, обе стороны плоскости, образуемой -гибридизованным атомом углерода (92), диастереотопны, и поэтому присоединение реактива Гриньяра по карбонильной группе приводит к образованию двух диастереомерных спиртов в неодинаковой пропорции. Много лет назад Крам [68] сформулировал хорошо известное правило, позволяющее в подобной ситуации предсказать стереохимию преимущественно образующегося продукта (так называемое правило асимметрической индукции). Сравнительно недавно этот случай стереоселективного протекания реакций был подробно проанализирован математическим методом [69].