ХИРОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

объединяют родственные оптич. методы исследования оптически активных (хиральных) соед.: поляриметрию (ПМ), дисперсию оптич. вращения (ДОВ) и круговой дихроизм (КД). X. м. основаны на взаимод. поляризованного света с хиральными структурами, к-рые обладают естественной оптич. активностью, т. е. вращают плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света.
Плоскополяризованную световую волну можно представить как комбинацию левого и правого поляризованных по кругу лучей с соответствующими векторами Е _l и Е _r. > Если взаимод. левого и правого поляризованных по кругу лучей со средой одинаково (это характерно для изотропных сред), то векторы имеют одинаковые величины (рис. 1, а).
Когда поляризованный свет проходит через анизотропную (хиральную) среду, то один из этих лучей распространяется быстрее другого, в результате чего суммарный вектор оказывается повернутым на нек-рый угол a, тем больший, чем больше разность скоростей распространения света в среде, т. е. показателей преломления l и п _r лучей, поляризованных по кругу влево и вправо. Это явление наз. двойным круговым (циркулярным) лучепреломлением (рис. 1, б).

Рис.1. Схема возникновения оптич. активности и эллиптичности: а - плоскополяризованный луч; б - плоскополяризованный луч после прохождения через оптически активное в-во (без КД); в - эллиптически поляризованный луч; г - эллиптически поляризованный луч после прохождения через оптически активное в-во (с КД).

Левый и правый поляризованные по кругу лучи по-разному поглощаются средой, т. е. , где и - коэффициенты экстинции для лучей с левой и правой круговой поляризацией. Суммирование соответствующих им векторов неравной величины l и Е _r > дает результирующий вектор, конец которого описывает эллипс (рис. 1, в), т. е. плоскополяризованный свет после прохождения через хиральную среду становится эллиптически поляризованным. Это явление наз. круговым дихроизмом. Количеств. мерой этого явления служит угол эллиптичности j, тангенс к-рого равен отношению осей эллипса.
Поскольку угол j очень мал по величине, то принимают и, проводя преобразования, получают в радианах, где - длина волны падающего света в вакууме, l - толщина слоя в см. Так как оба явления - двойное круговое лучепреломление и круговой дихроизм происходят одновременно, то суммарно эффект прохождения плоскополяризованного света через хиральную среду описывается эллипсом с вращающейся главной осью (рис. 1, г).
Для характеристики оптически активных в-в методом поляриметрии используют величины удельного и молярного оптич. вращения (см. Оптическая активность). Величины оптич. вращения зависят от длины волны применяемого света. Эта зависимость наз. дисперсией оптич. вращения.
В методе КД используют величину дихроичного поглощения где D - оптич. плотность кругового дихроизма; с- концентрация в моль/л, и величину эллиптичности Эти две величины связаны между собой соотношением

Техника измерения. Оптич. вращение измеряют с помощью поляриметра. Луч источника света (натриевой или ртутной лампы) при прохождении через поляризатор -призму Николя или пленки - поляризуется в плоскости. Поляризованный свет пропускается через кювету с в-вом и попадает в анализатор (тоже призма Николя). Если плоскости поляризации обеих призм расположены друг относительно друга под прямым углом, то поляризованный свет в отсутствие оптически активного в-ва через анализатор не проходит. Чтобы поляризованный свет не проходил через анализатор после помещения в прибор оптически активного в-ва, анатизатор необходимо повернуть на нек-рый угол вправо или влево. Этот угол и представляет собой наблюдаемое оптич. вращение, к-рое затем пересчитывается в удельное или мол. вращение
Для измерения ДОВ и КД используют спектрополя-риметрыи дихрографы. Они имеют устройство, аналогичное поляриметру, с тем отличием, что источник света (ксеноновая лампа) в них сочетается с монохроматором, позволяющим проводить измерения в области 1000-175 нм. В дихрографах имеется также устройство для определения дихроичного поглощения (измерение ) или устройство для преобразования плоскополяризованного света в эллиптически поляризованный (измерение ). Приборы снабжены автоматич. фотоэлектрич. регистрирующим устройством.

Спектры ДОВ и КД. Хироптич. явления по своей природе связаны с электронными переходами в хиральных молекулах. Для их интерпретации существенно, что появление индивидуальных полос в УФ спектрах обусловлено возбуждением электронов, принадлежащих соответствующим функциональным группам, называемым хромофорами. Для соед. без хромофоров в исследуемой области спектра или (рис. 2) монотонно возрастает или падает с уменьшением длины волны. Такие кривые ДОВ называются соотв. плавными положительными или плавными отрицательными.
Плавные кривые ДОВ м. б. описаны ур-нием Друде, к-рое справедливо для области, далекой от полосы поглощения. В общем виде для соед. с неск. хромофорами ур-ние Друде имеет вид: где А _i - соответствующие константы;- полосы поглощения i-тых хромофоров. По данным ДОВ с использованием ур-ния Друде можно определить положение полосы поглощения, лежащей в спектральной области, недоступной для непосредственных измерений.
В области полосы поглощения наблюдается аномальный ход кривой ДОВ: оптич. вращение возрастает с уменьшением длины волны, проходит через максимум (пик), затем падает, пересекает ось нулевого вращения, достигает минимума (впадина) и снова возрастает (рис. 2). Такой S-образный ход кривой ДОВ наз. эффектом Коттона (открыт А. Кот-тоном в 1896). В спектрах КД эффект Коттона проявляется в виде полосы дихроичного поглощения, обычно в области полос поглощения, характерных для определенных хромофоров, к-рые наз. оптически активными.
Эффект Коттона характеризуется: а) положением максимума в спектре КД (при длине волны на рис. 2) и положением пика или впадины (соотв. и ) на кривой ДОВ, при этом максимум КД (или средняя точка на кривой ДОВ) в случае изолированного хромофора совпадает с максимумом в УФ спектре; б) знаком - эффект Коттона положителен, если в длинноволновой области спектра наблюдается пик, и отрицателен, если в длинноволновой области расположена впадина; в) эллиптичностью в спектре КД в точке максимума или амплитудой а, к-рая определяется как разность между величинами мол. вращений в точках пика и впадины, деленная на 100:

где ; г) полушириной полосы поглощения в спектре КД при или шириной bдля кривой ДОВ; д) вращательной силой i, > к-рая характеризует вклад данного электронного перехода в оптич. активность, т. е. степень асимметрич. воздействия элемента хиральности, имеющегося в молекуле, на хромофор.

Рис. 2. Спектры ДОВ (кривые 1А, 1Б), КД (2А, 2Б) и УФ (3); кривые А -положительные, Б - отрицательные эффекты Коттона.

Вращат. сила Rопределяется как скалярное произведение электрич. и магнитного дипольных моментов электронного перехода:

где - угол между и Экспериментально R находят из спектров КД. Проблема определения Rсводится к интегрированию площади под дихроичной полосой, получаемой при регистрации спектров КД. С учетом гауссовой формы кривой КД для расчета Rпредложена ф-ла:

Величина Rм. б. рассчитана также из ур-ния Друде по ф-ле:

Эффект Коттона, связанный с одним и тем же электронным переходом, имеет одинаковый знак как для ДОВ, так и для КД. Энантиомеры дают зеркально-симметричные кривые ДОВ и КД. При наложении неск. эффектов Коттона получаются сложные кривые ДОВ и КД (см. ниже). Параметры спектров ДОВ и КД связаны между собой соотношениями Кронига - Крамерса. Для одного изолированного перехода (при ) они м. б. записаны упрощенно:

Информация о конфигурации и конформациях хиральных соед., получаемая методами ДОВ и КД, и техника измерения в основном одинаковы. Однако спектры ДОВ более сложны по форме и поэтому труднее интерпретируются. На их измерение больше влияют такие факторы, как загрязнения, мутность р-ра и др. Для количесгв. расчетов лучше использовать спектры КД. Но КД наблюдается только в области полос поглощения хромофоров. Поэтому для обнаружения оптич. активности лучше применять ДОВ. Для измерения применяют р-рители, не поглощающие в исследуемой области. Толщина кювет (слоя) меняется от 10 до 0,01 см. В коротковолновой области ( < 250 нм) обычно используют концентрации р-ров порядка 0,1%. Для избежания ошибок желательно, чтобы оптич. плотность измеряемого р-ра не превышала 2.
Эффекты Коттона возникают благодаря присутствию хромофорных группировок в молекуле. Исходя из соображений симметрии, различают два типа хромофоров в оптически активных молекулах: 1) внутренне диссимметричные хромофоры, т. е. хромофоры, не имеющие в силу своей структуры центра или плоскости симметрии; 2) внутренне симметричные хромофоры, но диссимметрично возмущенные хиральным окружением в молекуле.
Хромофоры первого типа, как правило, дают интенсивные эффекты Коттона, знаки к-рых связаны с хиральностью самого хромофора. Примером внутренне диссимметричных хромофоров являются хромофоры, содержащие изолированные или сопряженные -системы, скрученные вследствие наличия определенных структурных или конформационных требований, напр. соед. ф-лы I, гелицены (ф-лу см. в ст. Хиралъностъ). В этих хромофорах электронная сисгема связей сама по себе хиральна и обусловливает возможность проявления очень сильных эффектов Коттона (~ 10-100). При этом правоспиральная конформация сопряженных диенов обнаруживает положит. эффект Коттона, а левоспираль-ная - отрицат. эффект Коттона. Природа заместителей при двойных связях значительно слабее влияет на характер ДОВ и КД, чем хиральность хромофорной системы.

В сочетании с электронными спектрами удается определить не только хиральность системы, но и углы поворота сопряженных групп, поскольку они заметно влияют на интенсивность поглощения. Описанные закономерности для хромофоров первого типа используют при анализе структур разл. природных соед., таких, как стероиды, терпены и др.
Эффекты Коттона, связанные с внутренне симметричными хромофорами второго типа, дают ценную информацию о расположении группировок, окружающих хромофор. В молекулах с такими хромофорами интенсивность и знак эффекта Коттона в спектрах ДОВ и КД сильно зависят от их ближайшего окружения. Примеры таких хромофоров - ненапряженные изолированные двойные связи, = СО, Ч О Ч, Ч COOR, Ч SCN.

Правило октантов. Связь между знаком и величиной (полуколичественно) наблюдаемого эффекта Коттона с конфигурацией или конформацией хирального в-ва выражается в виде полуэмпирич. правил. Наиб. часто применяют правило октантов для кетонного хромофора. Для этого хромофора наблюдается слабо интенсивный переход в области 290 нм, обусловленный возбуждением электрона несвязывающей 2 р _х -орбитали и переходом его на разрыхляющую -орбиталь, образованную двумя 2 р _х-> орбиталями атомов углерода и кислорода карбонильной группы. Одна 2 р _х-> орбиталь лежит в плоскости yz, ее узловой плоскостью (или нулевой пов-стью) является плоскость xz (А; см. рис. 3, а). Вторая 2 р _х -орбиталь лежит в плоскости xz и имеет две узловые пов-сти: плоскость yz (В )и неплоскую пов-сть (С), проходящую через центр связи С = О перпендикулярно ей. Пересечение этих трех пов-стей, к-рые считаются в первом приближении плоскими, делит молекулу циклогексанона в конформации кресла на 8 октантов.
На основании эксперим. данных ДОВ и КД кетонов известной конфигурации и конформации было установлено, что атомы или группы атомов, расположенные в дальних (за плоскостью С) левом (Л) верхнем и правом (П) нижнем октантах, дают положит. вклад в эффект Коттона, а атомы или группы атомов, расположенные в дальних правом верхнем и левом нижнем октантах, дают отрицат. вклад в эффект Коттона. Заместители, попадающие в одну из плоскостей ( А, В, С), не дают вклада [аксиальный (а) и экваториальный (э) заместители у атома С-4 находятся в плоскости А; экваториальные заместители у атома С-2 находятся практически в плоскости В]. Знаки ближних октантов противоположны знакам дальних октантов.
Обычно используют не трехмерное изображение, а его проекцию на плоскость ху (рис. 3, б), т. к. для большинства соед. все заместители и фрагменты циклич. системы располагаются в дальних октантах за плоскостью С. Атомы фтора и дейтерия дают вклады противоположного знака по сравнению со всеми др. заместителями. Напр., (+)-3-метилциклогексанон (ф-ла II) может существовать в виде двух взаимопревращаемых конформеров (IIа и IIб). Для соед. IIа правило октантов предсказывает отрицат. эффект Коттона, а для IIб -положит. эффект Коттона (рис. 3, в). Экспериментально наблюдаемый положит. эффект Коттона для соед. II свидетельствует о существовании в-ва П в виде конформера с экваториальной группой СН ₃ (IIб), что находится в соответствии с требованием конформационного анализа.

Рис. 3. Схема применения правила октантов: а - циклогексанон в конформации кресла, маленькие круги - атомы С, большой - атом О; б - проекция ф-лы циклогексанона на плоскость ху; в- (+)-3-метилциклогексанон ф-лы II.

Хорошее соответствие между наблюдаемыми знаками эффекта Коттона и предсказываемыми на основании правила октантов видно на примере (+)-8-метилпергидро-5-инданона, имеющего транс-сочленение колец, к-рый может существовать в виде изомеров Ша и Шб (рис. 4). В соответствии с октантными диаграммами только первый дает положит. эффект Коттона, соответствующий наблюдаемому экспериментально.

Рис. 4. Возможные конформации (+)- транс-8 метилпергидро-5-инданона и соответствующие октантные диаграммы.

Если известна конфигурация хиральных центров, то на основании правила октантов можно сделать вывод о конформации молекулы. Так, (2R, 5R)-2-хлор-5-метилциклогексанон (ф-ла IV) проявляет положит. эффект Коттона в метаноле и отрицат. в изооктане (рис. 5, а). Из рассмотрения октантных диаграмм видно, что отрицат. эффект Коттона характерен для диаксиальной конформации (IV б), а положительный - для диэкваториальной (IV а), т. е. в изооктане имеется диаксиальный конформер, вклад к-рого настолько больше вклада диэкваториального конформера, что именно он определяет наблюдаемый знак эффекта Коттона.

Рис. 5. Применение правила октантов дляслучая конформационного равновесия (+)- транс-2-хлор-5-метилциклогексанона: а - ДОВ в метаноле (кривая 1) и изооктане (2); б - КД в смеси диэтиловый эфир - изопентан - этанол при -192 ^о С (1) и 25