Введение

Стереохимия, поддисциплина химии, изучает относительное пространственное расположение атомов, составляющих структуру молекул, и способы его изменения. Исследование стереохимии сосредоточено на взаимосвязях между стереоизомерами, которые по определению имеют одинаковую молекулярную формулу и последовательность связанных атомов (конституцию), но различаются геометрическим положением атомов в пространстве. Поэтому она также известна как трехмерная химия – приставка "стерео" означает "трехмерность". Стереохимия охватывает широкий спектр областей, включая органическую, неорганическую, биологическую, физическую и, в особенности, супрамолекулярную химию. Стереохимия включает в себя методы определения и описания этих взаимосвязей, влияние этих взаимосвязей на физические или биологические свойства молекул, а также то, как эти взаимосвязи влияют на их реакционную способность (динамическая стереохимия).

История

Только после наблюдений за определенными молекулярными явлениями были разработаны стереохимические принципы. В 1815 году наблюдение Жана Батиста Биота за оптической активностью ознаменовало начало истории органической стереохимии. Он обнаружил, что органические молекулы способны вращать плоскость поляризованного света в растворе или в газовой фазе. Несмотря на открытия Био, Луи Пастера обычно считают первым стереохимиком, поскольку он в 1842 году заметил, что соли винной кислоты, полученные из емкостей для производства вина, могут вращать плоскость поляризованного света, в то время как соли из других источников – нет. Это свойство, единственное физическое отличие между двумя типами солей тартрата, обусловлено оптическим изомеризмом. В 1874 году Якобс Хенрикус ван ’т Хофф и Жозеф Лебель объяснили оптическую активность с точки зрения тетраэдрического расположения атомов, связанных с углеродом. Кекуле ранее, в 1862 году, использовал тетраэдрические модели, но не публиковал их; Эмануэле Патерно, вероятно, был с ними знаком, но первым нарисовал и обсудил трехмерные структуры, например, 1,2-дибромоэтана, в журнале Giornale di Scienze Naturali ed Economiche в 1869 году. Термин «хиральный» был введен лордом Кельвином в 1904 году. Артур Робертсон Кушни, шотландский фармаколог, в 1908 году впервые привел конкретный пример различия в биоактивности между энантиомерами хиральной молекулы, а именно: (I)-адреналин в два раза более эффективен, чем (±)-форма, как сосудосуживающее средство, и в 1926 году заложил основы хиральной фармакологии/стереофармакологии (биологические взаимосвязи оптически изомерных веществ). Позднее, в 1966 году, была разработана номенклатура или правило последовательности Кан-Ингольда-Прелога для определения абсолютной конфигурации стереогенного/хирального центра (R- и S-обозначения) и расширена для применения к олефиновым связям (E- и Z-обозначения).

Значение

Правила приоритета Кан-Ингольда-Прелога являются частью системы описания стереохимии молекулы. Они ранжируют атомы вокруг стереоцентра стандартным образом, позволяя однозначно описать относительное положение этих атомов в молекуле. Проекция Фишера – это упрощенный способ изображения стереохимии вокруг стереоцентра.

Пример талидомида

Стереохимия имеет важное применение в области медицины, особенно в фармацевтике. Часто приводимым примером важности стереохимии является катастрофа, связанная с талидомидом. Талидомид – это фармацевтический препарат, впервые синтезированный в 1957 году в Германии и назначавшийся для лечения утреннего токсикоза у беременных женщин. Было установлено, что препарат обладает тератогенным действием, вызывая серьезные генетические повреждения в процессе раннего эмбрионального роста и развития, что приводило к деформации конечностей у новорожденных. Некоторые из предложенных механизмов тератогенности связаны с различной биологической активностью (R)- и (S)-энантиомеров талидомида. Однако в организме человека талидомид подвергается рацемизации: даже если в качестве лекарственного средства вводится только один из двух энантиомеров, другой энантиомер образуется в результате метаболизма. Следовательно, некорректно утверждать, что один стереоизомер безопасен, а другой – тератогенен. В настоящее время талидомид используется для лечения других заболеваний, в частности рака и лепры. Были введены строгие правила и контроль, чтобы предотвратить его применение беременными женщинами и избежать нарушений развития. Эта катастрофа послужила стимулом для введения обязательного тщательного тестирования лекарственных препаратов перед их выпуском в продажу.

Типы

Атропизомеризм – энергетическая форма осевой хиральности. Эта форма хиральности возникает из-за различного замещения у связи, обычно между двумя sp²-гибридизированными атомами. Цис-транс-изомеризм, также называемый геометрическими изомерами, – это соединения с различными конфигурациями из-за негибкой структуры молекулы. Для проявления цис-транс-изомерии молекула должна соответствовать двум требованиям: 1. Вращение внутри молекулы должно быть ограничено. 2. На каждом атоме углерода, участвующем в двойной связи, должны находиться две различные группы. Конформационный изомеризм – эта форма изомеризма также называется конформерами, ротационными изомерами и ротамерами. Конформационный изомеризм возникает в результате вращения вокруг одинарной связи. Диастереомеры – это стереоизомеры, которые не являются зеркальными отображениями друг друга и не идентичны. Диастереомеры возникают, когда стереоизомеры соединения имеют различные конфигурации в соответствующих стереоцентрах. Энантиомеры – это стереоизомеры, являющиеся несовместимыми зеркальными изображениями.