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.

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 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, C=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 НС1 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.

Одна из областей стереохимии — конформационный анализ, рассматривающий пространственную форму молекул.