Стереоизомерия (пространственная изомерия)

Одной из задач органической химии как науки является выяснение зависимости между строением молекул и их свойствами. Область химии, изучающая пространственное строение молекул, называется стереохимией. Одним из разделов стереохимии является стереоизомерия.

Изомеры – это химические соединения, имеющие одинаковый состав, но различный порядок химических связей атомов (структурные изомеры) или различное пространственное расположение атомов при одном и том же порядке связи атомов (стереоизомерия).

Асимметрический атом углерода. Энантиомерия

В 1874 году французский ученый Ле-Бель и голландский ученый Вант-Гофф, независимо друг от друга, высказали предположение, что четыре атома или радикала, связанные с углеродным атомом, расположены не в одинаковой плоскости, а в пространстве по углам тетраэдра, в центре которого находится углеродный атом. С^ - асимметрический атом углерода или хиральный центр.

Атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями, называется асимметрическим атомом углерода. Многие молекулы, имеющие в своем составе асимметрический атом углерода, могут существовать в виде двух несовместимых изомеров, относящихся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению (зеркальные изомеры).

Рис. 5. Энантиомеры молочной кислоты (молекулы диссимметричны)

Зеркальные изомеры называются энантиомерами. Так как энантиомеры отличаются друг от друга только распредилением атомов в пространстве, то они принадлежат к классу стереоизомеров. Стереоизомеры, которые не являются зеркальными изомерами, называются диастереоизомерами. Молекулы, несовместимые с их зеркальными изображениями, называются дисимметричными. Дисимметрия – необходимое и достаточное условие для осуществления энантиомерии.

М ногие молекулы, содержащие асимметрический атом углерода, ди-симметричны. Однако, существуют молекулы, в которых имеются асимм-етрические атомы углерода и которые не являются все же дисимметричными (так называемые мезо-формы 2,3-дихлорбутана, винной кислоты СН₃–СН–СН-СН₃

C l Cl

Н ООС-СН-СН-СООН и др.), так как одна половина молекулы является

ОН ОН

зеркальным изображением другой.

Определенное расположение атомов или групп атомов в пространстве вокруг дисимметрической или жесткой части молекулы (в простейшем случае вокруг асимметрического атома углерода), называется конфигура-цией. Например, формулы молочной кислоты (рис. 3) изображают молекулы одинаковой структуры, но различной конфигурации.

Энантиомеры обладают одинаковыми физическими свойствами (температура кипения, плотность, показатель преломления и др.), кроме способности их в газообразном, жидком и твердом состоянии, а также в растворах вращать плоскость поляризации света. Другими словами, энантиомеры – оптически активные соединения. Угол вращения плоскости поляризации для обоих изомеров одинаков, но направление вращения противоположное (например, (+) СН₃СН(ОН)СООН и (-) СН₃СН(ОН)СООН).

Число энантиомеров соединения, содержащего асимметрические атомы углерода, можно подсчитать по формуле N=2ⁿ , где N – число энантиомеров, n – число асимметрических атомов углерода.

Энантиомеры имеют одинаковые химические свойства и отличаются лишь реакционной способностью по отношению к оптически активным реагентам.

Совокупность равных количеств энантиомеров называется рацемической модификацией (рацемат). Рацемическая модификация оптически не активна из-за компенсации оптического вращения каждого из энантиомеров, которые имеют одинаковые абсолютные значения вращения, но противоположного знака. Рацемические модификации имеют символ (±) СН₃СН(ОН)СООН.