Введение
Графическое представление молекулярной структуры
Структурная формула химического соединения – это графическое представление молекулярной структуры (определяемой методами структурной химии), показывающее, как атомы могут быть расположены в реальном трехмерном пространстве. Химические связи внутри молекулы также отображаются, либо явно, либо неявно. В отличие от других типов химических формул, которые имеют ограниченное количество символов и обладают ограниченными возможностями описания, структурные формулы обеспечивают более полное геометрическое представление молекулярной структуры. Например, многие химические соединения существуют в различных изомерных формах, обладающих разными энантиомерными структурами, но одинаковой молекулярной формулой. Существует множество способов изображения этих структурных формул, таких как: структуры Льюиса, сокращенные формулы, скелетные формулы, проекции Ньюмена, конформации циклогексана, проекции Гаворта и проекции Фишера. Используются различные систематические форматы химических наименований, как, например, в химических базах данных, которые эквивалентны и столь же эффективны, как и геометрические структуры. К этим системам химической номенклатуры относятся SMILES, InChI и CML. Эти систематические химические названия можно преобразовать в структурные формулы и наоборот, однако химики почти всегда описывают химическую реакцию или синтез, используя структурные формулы, а не химические названия, поскольку структурные формулы позволяют химику визуализировать молекулы и структурные изменения, происходящие с ними в ходе химических реакций. ChemSketch и ChemDraw – популярные программы и веб-сайты, позволяющие пользователям рисовать реакции и структурные формулы, как правило, в стиле структур Льюиса.
Облигации
Связи часто изображаются в виде линии, соединяющей один атом с другим. Одна линия обозначает одинарную связь, две линии – двойную, а три линии – тройную. В некоторых структурах указываются и отображаются атомы, находящиеся между связями. Однако в некоторых структурах молекулы углерода не прописываются явно. Вместо этого эти атомы углерода обозначаются углом, образующимся в месте соединения двух линий. Кроме того, атомы водорода подразумеваются и обычно не изображаются. Их количество можно определить, исходя из числа других атомов, к которым присоединен атом углерода. Например, если атом углерода А связан с одним атомом углерода В, то атом углерода А будет иметь три атома водорода для завершения октета.
Электроны
Электроны обычно изображаются в виде цветных кругов. Один круг обозначает один электрон, а два круга – пару электронов. Как правило, пара электронов также указывает на отрицательный заряд. Использование цветных кругов позволяет показать количество электронов во валентной оболочке каждого атома, что даёт дополнительную информацию о его реакционной способности в молекуле.
Структуры Льюиса
Структуры Льюиса (или "структуры Льюиса с точками") – это плоские графические формулы, показывающие связь атомов, а также наличие неподеленных или неспаренных электронов, но не трехмерное строение. Эта нотация преимущественно используется для небольших молекул. Каждая линия обозначает два электрона одинарной связи. Две или три параллельные линии между парами атомов соответствуют двойной или тройной связи, соответственно. В качестве альтернативы, для обозначения связывающих пар могут использоваться пары точек. Кроме того, указываются все неподеленные электроны (спаренные или неспаренные) и любые формальные заряды на атомах. С помощью структур Льюиса, расположение электронов – будь то в связях или в неподеленных парах – позволяет определить формальные заряды атомов в молекуле, что необходимо для понимания стабильности и определения наиболее вероятной молекулы (исходя из различий в молекулярной геометрии), которая образуется в результате реакции. Структуры Льюиса дают некоторое представление о геометрии молекулы, поскольку связи часто изображаются под определенными углами, чтобы отразить реальную структуру. Структуры Льюиса наиболее полезны для расчета формальных зарядов или для понимания того, как атомы соединяются друг с другом, поскольку на них показаны как электроны, так и связи. Структуры Льюиса позволяют получить представление о молекулярной и электронной геометрии, которая меняется в зависимости от наличия связей и неподеленных пар, и на основе этого можно определить углы между связями и тип гибридизации.
Скелетные формулы
Скелетные формулы — стандартное обозначение для более сложных органических молекул. В этом типе диаграммы, впервые использованной органическим химиком Фридрихом Августом Кекуле фон Страдоницем, атомы углерода подразумеваются расположенными в вершинах (углах) и на концах линейных сегментов, а не обозначаются символом C. Атомы водорода, присоединенные к атомам углерода, не указываются: считается, что каждый атом углерода связан с достаточным количеством атомов водорода, чтобы иметь четыре валентности. Наличие положительного или отрицательного заряда на атоме углерода заменяет один из подразумеваемых атомов водорода. Атомы водорода, присоединенные к атомам, отличным от углерода, должны быть указаны явно. Дополнительной особенностью скелетных формул является возможность определения стереохимии, то есть трехмерной структуры соединения, путем добавления определенных элементов. Часто стереохимию можно указать в скелетной формуле с помощью клиньев вместо линий. Сплошные клинья обозначают связи, направленные над плоскостью бумаги, а пунктирные — связи, направленные под плоскость.
Проекция Ньюмана и проекция пиломашины
Проекция Ньюмана и проекция клина используются для изображения конкретных конформеров или для различения вицинальной стереохимии. В обоих случаях в центре внимания находятся два конкретных атома углерода и их соединяющая связь. Единственное различие заключается в немного отличающейся перспективе: проекция Ньюмана показывает вид строго вдоль интересующей связи, а проекция клина – на ту же связь, но под несколько наклонным углом. В проекции Ньюмана круг используется для представления плоскости, перпендикулярной связи, что позволяет различать заместители на переднем и заднем атомах углерода. В проекции клина передний атом углерода обычно находится слева и всегда немного ниже. Иногда для обозначения переднего атома углерода используется стрелка. Проекция клина очень похожа на структурную формулу, и для обозначения стереохимии молекулы в ней даже могут использоваться клинья вместо линий. Проекция клина отличается от структурных формул тем, что она не очень хорошо отражает геометрию и пространственное расположение молекулы. Как проекция Ньюмана, так и проекция клина могут быть использованы для построения проекции Фишера.
Конформации циклогексана
Некоторые конформации циклогексана и других соединений с небольшими кольцами могут быть изображены с использованием стандартных обозначений. Например, стандартная конформация "кресла" циклогексана представляет собой перспективный вид, немного сверху от средней плоскости атомов углерода, и чётко показывает, какие группы являются аксиальными (направленными вертикально вверх или вниз), а какие – экваториальными (почти горизонтальными, слегка наклоненными вверх или вниз). Связи, находящиеся ближе к наблюдателю, могут быть выделены более толстыми линиями или клиньями. Преобразование конформаций происходит следующим образом: "кресло" → "полукресло" → "скрученная лодка" → "лодка" → "скрученная лодка" → "полукресло" → "кресло". Конформации циклогексана также могут использоваться для отображения потенциальной энергии на каждой стадии, как показано на диаграмме. Конформации "кресла" (А) обладают наименьшей энергией, в то время как конформации "полукресла" (D) – наибольшей. В конформации "лодки" (C) наблюдается пик/локальный максимум, а в конформациях "скрученной лодки" (B) – впадины/локальные минимумы. Кроме того, конформации циклогексана могут использоваться для определения наличия 1,3-диаксиальных взаимодействий, которые представляют собой стерические взаимодействия между аксиальными заместителями в положениях 1, 3 и 5.
Проекция Хаворта
Проекция Хаворта используется для циклических сахаров. Осевые и экваториальные положения не различаются; вместо этого заместители располагаются непосредственно над или под атомом кольца, к которому они присоединены. Водородные заместители обычно опускаются. Однако важно помнить, что кольцевые структуры в проекции Хаворта не являются плоскими. Следовательно, проекция Хаворта не передает трехмерную форму. Сэр Норман Хоуорт был британским химиком, получившим Нобелевскую премию за работы в области углеводов и открытие структуры витамина С. В ходе своих исследований он также вывел различные структурные формулы, которые теперь известны как проекции Хаворта. В проекции Хаворта пиранозный сахар изображается в виде шестиугольника, а фуранозный сахар – в виде пятиугольника. Обычно кислород располагается в верхнем правом углу для пиранозы и в верхнем центре для фуранозы. Более тонкие линии в верхней части кольца указывают на связи, находящиеся дальше от наблюдателя, а более толстые линии в нижней части кольца – на часть кольца, ближайшую к наблюдателю.
Проекция Фишера
Проекция Фишера в основном используется для линейных моносахаридов. В любом углеродном центре вертикальные линии, обозначающие связи, эквивалентны стереохимическим штрихам, направленным от наблюдателя, а горизонтальные линии эквивалентны клиньям, направленным к наблюдателю. Эта проекция нереалистична, поскольку сахарид никогда не примет такую многократно заслоненную конформацию. Тем не менее, проекция Фишера – это простой способ изображения нескольких последовательных стереоцентров, который не требует и не подразумевает знания фактической конформации. Проекция Фишера переносит трехмерную молекулу в двухмерное пространство, поэтому существуют ограничения на изменение конфигурации хиральных центров. Проекции Фишера используются для определения R- и S-конфигурации хирального атома углерода, что осуществляется с помощью правил Кан-Ингольда-Прелога. Это удобный способ представления и различения энантиомеров и диастереомеров.
Ограничения
Структурная формула – это упрощенная модель, которая не способна отразить все аспекты химических структур. Например, формализованное представление связей может быть неприменимо к динамическим системам, таким как делокализованные связи. Ароматичность – один из таких случаев, и ее представление основано на условности. Различные типы структурных формул могут изображать ароматичность по-разному, что приводит к различным изображениям одного и того же химического соединения. Другой пример – формальные двойные связи, где электронная плотность распределена за пределами формальной связи, что приводит к частичному двойному характеру связи и медленной взаимопревращаемости при комнатной температуре. Для всех динамических эффектов температура влияет на скорость взаимопревращения и может изменить способ представления структуры. Структурная формула не подразумевает конкретную температуру, хотя часто предполагается, что это стандартная температура.