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).
Stereochemistry, a subdiscipline of chemistry, involves the study of the relative spatial arrangement of atoms that form the structure of molecules and their manipulation. The study of stereochemistry focuses on the relationships between stereoisomers, which by definition have the same molecular formula and sequence of bonded atoms (constitution), but differ in the geometric positioning of the atoms in space. For this reason, it is also known as 3D chemistry—the prefix "stereo " means "three dimensionality". Stereochemistry spans the entire spectrum of organic, inorganic, biological, physical and especially supramolecular chemistry. Stereochemistry includes methods for determining and describing these relationships; the effect on the physical or biological properties these relationships impart upon the molecules in question, and the manner in which these relationships influence the reactivity of the molecules in question (dynamic stereochemistry).
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.