9.16. Стереоизомерия циклических соединений. Конформационный анализ
До сих пор рассматривались относительные положения групп в цис- и транс-изомерах исходя из предположения, что циклы плоские, и полагая, что группы находятся либо с одной и той же, либо с разных сторон от плоскости кольца.
Рис. 9.11. Конформации кресла транс-1,2-диметилциклогексана.
В свете того, что было сказано выше об искажении формы кольца, становится ясным, что эта картина слишком упрощена даже для четырех- и пятичленных циклов и совершенно не годится для шестичленного цикла.
Применим методы конформационного анализа к стереохимии производных циклогексана, и поскольку мы уже немного знакомы с взаимодействием метальных групп, то в качестве примера возьмем диметилциклогексаны.
Если рассматривать лишь наиболее стабильную конформацию кресла, то обнаружится, что молекула транс- 1,2-диметилциклогексана может существовать в двух конформациях (рис. 9.11). В одной из них обе 
-группы находятся в экваториальном положении, в другой — в аксиальном. Таким образом, две 
-группы в транс-изомере не обязательно находятся с противоположных сторон от плоскости кольца; в действительности из-за меньших стерических препятствий более устойчивой конформацией будет диэк-ваториальная, поскольку в ней взаимодействия метальных групп с
аксиальными водородами кольца меньше (меньше 1,3-диаксиальные взаимодействия).
Молекула цис-1,2-диметилциклогексана может также существовать в двух конформапиях (рис. 9.12). В этом случае два конформера обладают одинаковой устойчивостью (являются зеркальными изомерами), поскольку в каждом из них имеется одна аксиальная и одна экваториальная 
-группы.
Рис. 9.12. Конформации кресла цис-1,2-диметилциклогексана.
В наиболее стабильной конформации транс-1,2-диметилциклогексана обе 
-группы находятся в незатрудненном экваториальном положении. В любой из конформаций цис-1,2-диметилциклогексана лишь одна из 
-групп может находиться в экваториальном положении. Поэтому вполне естественно, что транс-1,2-диметилциклогексан оказывается более устойчивым, чем цис-1,2-диметилциклогексан.
Интересно отметить, что в наиболее устойчивой (диэкваториальной) конформации транс-изомера 
-группы находятся точно на таком же расстоянии друг от друга, как в любой из конформаций цис-изомера. Ясно, что не отталкивание 
-групп, как можно было бы неверно предполагать на основании рассмотрения плоских формул, ответственно за различие в устойчивости транс- и цис-изомеров; причина заключается в наличии 1,3-диаксиальных взаимодействий (разд. 9.13).
Выясним теперь, насколько более устойчив транс-изомер. В цис-1,2-диметилциклогексаче имеется одна аксиальная метильная группа и, следовательно, два 1,3-диаксиальных взаимодействия метильной группы с двумя атомами водорода (или, что эквивалентно, см. разд. 9.13, имеется два скошенных бутановых взаимодействия между метальными группами и атомами углерода кольца). Кроме того, имеется одно скошенное бутановое взаимодействие между двумя метальными группами. Принимая величину 0,9 ккал 
для каждого 1,3-диаксиального взаимодействия водород — метильная группа или скошенного бутанового взаимодействия, получим общую суммарную величину 2,7 ккал 
для вандерваальсова напряжения в 1/ис-1,2-диметилииклогексане. В диэкваториальной конформации транс-изомера отсутствуют 1,3-диаксиальные взаимодействия водород — метильная группа, но имеется одно скошенное бутановое взаимодействие между метальными группами. Это дает величину 0,9 ккал 
для вандерваальсова напряжения молекулы. Вычитая 0,9 ккал 
из 2,7 ккал 
получим, что транс-изомер будет устойчивее цис-изомера на 1,8 ккал/моль 
что очень хорошо согласуется с экспериментально определенной величиной 1,87 ккал 
(см. скан)
Конформационный анализ производных циклогексана, содержащих несколько различных заместителей, проводится так же, как для диметил-циклогексанов. При этом следует иметь в виду, что при наличии двух групп определяющую роль играет группа большего размера. Из-за очень сильного 1,3-диаксиального взаимодействия (задача 9.4; стр. 281) объемистая трет-бутильная группа особенно склонна занимать экваториальное положение. Если, как обычно бывает, другие заместители имеют существенно меньший объем, чем трет-бутильная группа, то молекула практически зафиксирована в одной конформации, а именно в конформации с экваториальным положением трет-бутильной группы. Рассмотрим цнклогексаны I и II, содержащие 
-трет-бутильную группу в цис- или 
-положении к другому заместителю 
В каждом диастереомере трет-бутильная группа удерживает заместитель 
исключительно в аксиальном или экваториальном полоении, причем вследствие большого расстояния не оказывает на него существенного электронного влияния. Профессор С. Уинстейн (Калифорнийский университет) предложил использовать трет-бутильную группу как группу, фиксирующую конформапию, и с тех пор она широко используется при изучении физических и химических свойств аксиальных или экваториальных заместителей.
(см. скан)
Что же теперь можно сказать о возможной диссимметрии 1,2-диметил-циклогексанов? Построим модель транс-1,2-диметилциклогексана, например в его наиболее устойчивой диэкваториальной конформации, и модель его зеркального изображения. Эти модели при наложении не совпадают и поэтому являются энантиомерами. Они не превращаются друг в друга и, следовательно, будут конфигурационными изомерами. (Если превратить одну из моделей в противоположную ей конформацию кресла, то получим не зеркалльное изображение, а диаксиальный конформер.) Таким образом, транс- 1,2-диметилциклогексан можно в принципе разделить на конфигурационные энантиомеры, каждый из которых должен быть оптически активным.
Построим теперь модели цис-1,2-диметилциклогексана и его зеркального изображения. Эти модели не совпадают при наложении и поэтому являются энантиомерами. Однако в противоположность тому, что было сказано для транс-изомеров, в этом случае модели оказываются взаимопревращаемыми и переходят одна в другую при конверсии одной конформации кресла в другую. Они представляют собой конформационные энантиомеры и поэтому должны взаимопревращаться слишком быстро для того, чтобы их удалось разделить и измерить оптическую активность (во всяком случае, при обычной температуре).
Итак, как и в случае цис- и трамс-циклопентандиолов-1,2 (разд. 9.15), цис- и транс-1,2-диметилциклогексанам можно приписать конфигурации путем установления того, какой из этих изомеров может быть разделен на антиподы, цис-1,2-Диметилциклогексан является не мез-соединением, а неразделимой рацемической модификацией, что для большинства практических целей равносильно мезо-соединению.
Таким образом, 1,2-диметилциклогексан существует в виде пары конфигурационных диастереомеров: цис- и транс-изомеров. цис-Изомер существует в виде пары конформационных энантиомеров, а транс-изомер — в виде пары конфигурационных энантиомеров, каждый из которых в свою
очередь существует как два конформационных диастереомера (аксиальный — аксиальный и экваториальный — экваториальный).
Вследствие легкой взаимопревращаемости конформаций кресла можно использовать плоские формулы для предсказания возможности конфигурационной стереоизомерии производных циклогексана. Однако для того, чтобы получить представление о подлинной геометрии молекул и об их стабильности, необходимо использовать модели и формулы, подобные приведенным на рис. 9.11 и 9.12.
(см. скан)
