Стереохимия

Стереохимия — это фундаментальная область в органической химии, которая занимается трехмерным расположением атомов в молекулах. Она важна для понимания поведения и свойств молекул. В этом объяснении мы рассмотрим различные аспекты стереохимии, ее значение и то, как она влияет на физические и химические свойства соединений.

Введение в стереохимию

Стереохимия включает изучение пространственного расположения атомов в молекулах. В отличие от конституционных изомеров, которые различаются по связи атомов, стереоизомеры имеют одинаковую связь, но различаются ориентацией своих атомов в пространстве. Это пространственное расположение может значительно влиять на температуру плавления, кипения, растворимость молекулы, и, самое главное, на ее биологическую активность.

Виды изомерии

Изомерия — это явление, при котором соединения имеют одинаковую молекулярную формулу, но разные структурные или пространственные расположения. Изомеры могут быть в общих чертах классифицированы на два основных типа: структурные изомеры и стереоизомеры. Стереоизомеры могут быть дополнительно разделены на энантиомеры и диастереомеры.

Структурные изомеры

Структурные изомеры различаются валентностью атомов. Физические и химические свойства каждого структурного изомера могут полностью отличаться.

Пример: C4H10 может существовать как: 
- н-бутан: CH3-CH2-CH2-CH3 
- изобутан (или 2-метилпропан): (CH3)2CH-CH3

Стереоизомеры

Стереоизомеры имеют одинаковый порядок связанных атомов, но различаются трехмерной ориентацией этих атомов. Есть два основных типа стереоизомеров:

• Энантиомеры: наложенные зеркальные изображения.
• Диастереомеры: не являются зеркальными изображениями и не наложимы.

Хиральность и хиральные центры

Хиральность — это важное понятие в стереохимии. Молекула является хиральной, если она не накладывается на свое зеркальное изображение. Наличие хирального центра, обычно углеродного атома, связанного с четырьмя разными группами, часто придает хиральность.

Хиральный центр

Хиральные центры обозначаются звездочкой (*) и обычно включают углеродный атом, связанный с четырьмя разными заместителями. Эта уникальная компоновка приводит к двум различным конфигурациям, обычно обозначаемым как 'R' или 'S' в зависимости от правил приоритета, установленных в системе Кан-Ингольд-Прелог (CIP).

Пример: CH3-CH(OH)-COOH 
В этой молекуле молочной кислоты центральный углерод, связанный с OH, COOH, H и CH3, является хиральным центром.

Оптическая активность

Оптическая активность относится к тому, как хиральные молекулы взаимодействуют с плоскополяризованным светом, заставляя молекулы вращаться в плоскости либо вправо (декстро) или влево (лево). Это оптическое вращение является характеристикой хиральных веществ и измеряется с помощью поляриметров.

Энантиомеры и оптическая активность

Энантиомеры — это пары молекул, которые не могут наложиться на собственные зеркальные изображения. Они демонстрируют идентичные физические свойства, за исключением направления, в котором они вращают плоскополяризованный свет. Энантиомеры вращают свет на одинаковую величину, но в противоположных направлениях.

Пример: (R)-2-Бутанол и (S)-2-Бутанол

Проекции Фишера

Проекции Фишера — это двумерный способ изображения трехмерных молекул. Они особенно полезны для изучения углеводов и аминокислот. В проекции Фишера вертикальные линии представляют связи, уходящие в плоскость, а горизонтальные линии — выходящие из плоскости.

Просмотр проекции Фишера

Чтобы объяснить проекцию Фишера, рассмотрим следующее:

• Пересечения представляют собой атомы углерода.
• Функциональные группы изображаются горизонтальными и вертикальными линиями.

Пример: 
  H   OH
     /
    C
   / 
COOH  H3C

Конфигурация и наименование

Система номенклатуры R/S присваивает метки хиральным центрам на основе приоритета прикрепленных заместителей. Присвоение меток включает правила приоритета CIP:

1. Определите хиральный центр.
2. Присвойте приоритет на основе атомного номера; более высокий атомный номер получает более высокий приоритет.
3. Расположите так, чтобы группа с наименьшим приоритетом была удалена от вас.
4. Определите последовательность 1-2-3; если это по часовой стрелке, это R. Если против часовой, это S.

Пример: Определение R/S-конфигурации для 2-бром-1-хлорпропана:
1. Br > Cl > CH3 > H
2. Конфигурация R.

Диастереомеры

Диастереомеры — это стереоизомеры, которые не являются зеркальными изображениями. Они могут возникнуть в молекулах с несколькими хиральными центрами. Диастереомеры часто обладают разными физическими свойствами и реактивностью.

Пример: Винная кислота может существовать как: 
- D-(+)-винная кислота 
- L-(-)-винная кислота 
- мезо-винная кислота

Мезосоединения

Мезосоединения содержат несколько хиральных центров, но могут накладываться на свои зеркальные изображения из-за внутренней плоскости симметрии. Хотя они содержат хиральные центры, мезосоединения ахиральны.

Пример: мезо-2,3-бутандиол

Геометрические изомеры

Геометрические изомеры, подгруппа диастереомеров, возникают из-за ограниченного вращения вокруг двойных связей или кольцевых структур. Их обычно называют цис-транс изомерами.

Цис-транс изомерия

Цис-транс изомеры возникают в соединениях с ограниченным вращением, где разные группы прикрепляются к углероду двойной связи или в кольцевых структурах.

Пример: Бут-2-ен: 
- Цис: CH3 на одной стороне
- Транс: CH3 на противоположных сторонах

Важность стереохимии

Стереохимия играет важную роль в фармацевтической промышленности, где активность лекарства может в значительной степени зависеть от его стереохимии. Один энантиомер может быть терапевтический, в то время как другой может быть вредным или неактивным. Синтетические химики должны поэтому обеспечить производство правильного энантиомера.

Хиральность в биологии

Биологические системы по своей природе хиральны и часто взаимодействуют только с одним энантиомером хиральной молекулы. Эта специфичность подчеркивает важность стереохимии в разработке и действии лекарств.

Заключение

Стереохимия — это обширная и сложная область, имеющая глубокие последствия в различных областях, начиная от фундаментальной органической химии до разработки лекарств. Понимая принципы стереохимии, химики могут более эффективно предсказывать, понимать и манипулировать свойствами и реакциями органических соединений.

Комментарии