Стереохимия

Стереохимия - теория пространственного строения химических соединений и зависимости от него физических и химических свойств. Объектами изучения этой области химии служат органические вещества (см. Органическая химия), а из неорганических - координационные соединения. Стереохимия изучает также пространственную изомерию (стереоизомерию, см. Изомерия): соединения (изомеры), имеющие одинаковый состав молекул и одинаковое химическое строение, но отличающиеся друг от друга расположением атомов в пространстве. Пространственная изомерия подразделяется на два вида: оптическую и геометрическую, о чем будет рассказано дальше.

Основы стереохимии заложены работами голландского химика Я. Вант-Гоффа. В 1874 г. он предложил тетраэдрическую модель атома углерода, с помощью которой смог истолковать факты стереоизомерии.

Атом углерода, по Вант-Гоффу, можно изобразить в виде тетраэдра, к вершинам которого присоединяются заместители. Если все четыре заместителя R разные, то возможны два способа их расположения, представляющие как бы зеркальные отображения друг друга. Такие соединения R₁R₂R₃R₄C называются оптическими изомерами. На рисунке представлена формула молочной кислоты

в которой атом углерода, связанный с четырьмя разными группами (он в формуле помечен звездочкой), находится в центре тетраэдра. Эта формула отображает пространственную конфигурацию молекул двух различных веществ, являющихся оптическими изомерами молочной кислоты и различающихся между собой некоторыми физическими, а главным образом биологическими свойствами.

Геометрическая изомерия свойственна, в частности, соединениям, содержащим двойные связи (С = С, С = N и др.). Она обусловлена невозможностью свободного вращения атомов вокруг двойной связи, как, например, в молекулах малеиновой (слева) и фумаровой кислот:

В этих случаях заместители могут быть расположены либо по одну сторону плоскости двойной связи, либо по разные стороны.

Геометрические изомеры обычно существенно различаются по физическим свойствам (температурам кипения и плавления, растворимости, термодинамической устойчивости и др.), отличаются и некоторыми химическими свойствами.

Модели Вант-Гоффа, хотя и упрощали действительность, в основном верно передавали направление химических связей и относительное расположение атомов в пространстве (см. Химическая связь, Химического строения теория).

В XX в. появились новые физические методы исследования, позволившие определять длины химических связей (впервые это было сделано с помощью инфракрасного спектрального анализа для молекулы НСl в 1912 г.) и углы между связями, т. е. устанавливать абсолютное пространственное строение молекул и выражать его в принятых единицах измерения. Особенно важным оказался рентгеноструктурный анализ - метод, разработанный в первой четверти XX в.; с его помощью определено строение многих сложных соединений, существующих в кристаллическом состоянии. Электронография, нейтронография, различные методы оптической и радиоспектроскопии также применяются для стереохимических исследований.

Современная стереохимия приобрела и большое практическое значение. От пространственного строения сильно зависят, например, свойства полимеров, активность многих лекарственных препаратов и т. д. Методы стереохимии успешно используются для изучения таких органических соединений, как белки и нуклеиновые кислоты, являющиеся важнейшей составной частью живых организмов. Поэтому стереохимия играет важную роль в химии и технологии полимеров, биохимии, медицине, фармакологии и т.д.