Стереоізомерія – визначення, види, будова, функції

Стереоізомерія, форма ізомерії, заснована на тривимірному розташуванні атомів у молекулах, може бути класифікована на два основні підтипи: конформаційна ізомерія та конфігураційна ізомерія. Конфігураційна ізомерія, у свою чергу, може бути додатково розділена на два підтипи: геометрична ізомерія (також відома як цис-транс-ізомерія) та оптична ізомерія (енантіомерія).

1. Конформаційна ізомерія: Конформаційна ізомерія виникає внаслідок обертання одинарних зв’язків у молекулі, що призводить до різних просторових розміщень, які називаються конформаціями. Ці конформації швидко взаємоперетворюються при кімнатній температурі. Конформаційні ізомери не вважаються окремими стереоізомерами, оскільки їх можна легко перетворювати без розриву зв’язків. Натомість вони представляють різні конформації однієї молекули. Конформаційна ізомерія зазвичай спостерігається в молекулах з гнучкими структурами, такими як циклогексан, де конформації стільця та човна є прикладами різних конформерів.
2. Конфігураційна ізомерія: Конфігураційна ізомерія включає стереоізомери, які не можуть взаємоперетворюватися без розриву або утворення хімічних зв’язків. Конфігураційні ізомери мають чітке просторове розташування та демонструють різні хімічні та фізичні властивості.
   • a) Геометрична ізомерія (цис-транс-ізомерія): геометрична ізомерія, також відома як цис-транс-ізомерія або EZ-ізомерія, зустрічається в сполуках з обмеженим обертанням навколо подвійного зв’язку або в циклічних сполуках із замісниками. Він характеризується взаємним розташуванням атомів або груп по обидва боки від подвійного зв’язку або в циклічній структурі. У цис-ізомерах подібні замісники знаходяться на одній стороні молекули, тоді як у транс-ізомерах вони знаходяться на протилежних сторонах. Цей тип ізомерії зазвичай спостерігається в алкенах і циклічних сполуках. Наприклад, цис-2-бутен і транс-2-бутен є геометричними ізомерами.
   • b) Оптична ізомерія (енантіомерія): оптична ізомерія, також звана енантіомерією, виникає, коли молекули мають хіральний центр, атом вуглецю, зв’язаний із чотирма різними замісниками. Енантіомери є дзеркальними відображеннями один одного, які не накладаються, і мають властивість хіральності. Вони мають ідентичні фізичні властивості, такі як температура кипіння та розчинність, але відрізняються своєю взаємодією з плоскополяризованим світлом, обертаючи його або за годинниковою стрілкою (правообертальний), або проти годинникової стрілки (лівообертальний). Енантіомери часто мають різну біологічну активність через їх чітку взаємодію з хіральними рецепторами в живих системах. Добре відомим прикладом оптичної ізомерії є енантіомери препарату ібупрофен.

Ці підтипи стереоізомерії демонструють різні способи, якими тривимірне розташування атомів може призвести до різних ізомерних форм. Конформаційна ізомерія пояснює різні конформації в межах однієї молекули, тоді як конфігураційна ізомерія охоплює геометричну ізомерію, яка передбачає відносне розташування замісників навколо подвійного зв’язку або в циклічній структурі, і оптичну ізомерію, яка виникає через форми дзеркального відображення, які не накладаються, відомі як енантіомери. Розуміння цих типів стереоізомерії має важливе значення в таких галузях, як хімія, біохімія та фармакологія, оскільки це дозволяє комплексно аналізувати різноманітні поведінки та властивості ізомерних сполук.

Енантіомери

• Енантіомери, які також називають оптичними ізомерами, є типом стереоізомерів, які демонструють унікальний зв’язок один з одним — вони є дзеркальними відображеннями, які не накладаються. Уявіть свої руки як макроскопічну аналогію: вони мають однакову загальну структуру, але їх неможливо покласти одна на одну ідеально. Енантіомери мають таку властивість хіральності, коли кожен стереогенний центр в одному енантіомері має протилежну конфігурацію в іншому.
• Що стосується фізичних властивостей, енантіомери мають багато подібностей. Вони мають однакову температуру плавлення, температуру кипіння, розчинність і хімічну реакційну здатність. Однак є одна важлива відмінність: енантіомери відрізняються напрямком, у якому вони обертають плоскополяризоване світло, і тим, як вони взаємодіють з іншими оптичними ізомерами сполук. Це явище відоме як оптична активність.
• Енантіомери можуть проявляти оптичну активність у двох формах: D-(+) і L-(−). Ці позначки стосуються обертання поляризованого світла. D-(+) енантіомери обертають поляризоване світло за годинниковою стрілкою, тоді як L-(-) енантіомери обертають його проти годинникової стрілки. Ця домовленість про найменування базується на латинських словах dexter (праворуч) і laevus (ліворуч) відповідно.
• Унікальне просторове розташування енантіомерів відіграє значну роль у їхніх біологічних ефектах. Завдяки наявності хіральних рецепторів у живих системах енантіомери можуть по-різному взаємодіяти з біологічними мішенями. Це означає, що два енантіомери сполуки можуть мати різну біологічну активність. Наприклад, один енантіомер лікарського засобу може проявляти терапевтичний ефект, тоді як його дзеркальний енантіомер може бути неактивним або навіть мати шкідливі ефекти.
• Поділ енантіомерів є критично важливим завданням у фармацевтичній та хімічній промисловості. Оскільки енантіомери мають ідентичні фізичні властивості, їх розділення вимагає використання хірального агента або хіральної хроматографічної колонки, яка може диференціювати енантіомери на основі їх взаємодії. Цей процес розділення необхідний для забезпечення виробництва чистих енантіомерів для досліджень, розробки ліків і терапевтичного застосування.
• Варто зазначити, що в природі зазвичай зустрічається лише один енантіомер більшості хіральних біологічних сполук. Наприклад, у живих організмах амінокислоти знаходяться переважно в одній енантіомерній формі (за винятком гліцину, який є ахіральним). Це явище, відоме як гомохіральність, залишається захоплюючою областю дослідження в галузі астробіології, оскільки воно піднімає питання про походження життя та поширеність хіральної асиметрії у Всесвіті.
• Підсумовуючи, енантіомери є дзеркальними стереоізомерами, які не можуть накладатися один на одного. Хоча вони мають багато спільних фізичних властивостей, їх взаємодія з поляризованим світлом та іншими хіральними сполуками може відрізнятися. Різне просторове розташування енантіомерів може призвести до значних відмінностей у їхній біологічній активності. Розуміння енантіомерів і методів їх розділення має вирішальне значення в таких галузях, як фармацевтика, де терапевтичний ефект і безпека ліків можуть залежати від їх хіральності.

Що таке діастереомери?

• Діастереомери – це тип стереоізомерів, які не демонструють дзеркального відображення. На відміну від енантіомерів, вони не пов’язані через операцію відображення і мають чітке тривимірне розташування. Діастереомери включають різні типи ізомерів, такі як мезосполуки, цис-транс ізомери, EZ ізомери та неенантіомерні оптичні ізомери. Ці діастереомери часто мають різні фізичні властивості.
• Одним із прикладів діастереомерів є винна кислота. Винна кислота існує в трьох формах: L-винна кислота, D-винна кислота та мезовинна кислота. L-винна кислота та D-винна кислота є енантіомерами, тобто вони є дзеркальними відображеннями один одного та демонструють протилежні оптичні обертання. З іншого боку, мезовинна кислота є діастереомером як L-винної кислоти, так і D-винної кислоти. Мезовинна кислота має внутрішню площину симетрії, що робить її оптично неактивною, незважаючи на наявність хіральних центрів.
• Діастереомери, включаючи мезосполуки, цис-транс ізомери, EZ ізомери та неенантіомерні оптичні ізомери, можуть мати істотно різні фізичні властивості. Це може включати відмінності в точках плавлення, температурах кипіння, розчинності та реакційній здатності. Різне просторове розташування діастереомерів сприяє їх різноманітній хімічній і фізичній поведінці.
• Щоб розрізнити D- і L-ізомери в проекції Фішера, розглядається розміщення замісників на передостанньому вуглеці. У D-цукрах водень зображений ліворуч, а гідроксильна група – праворуч. Навпаки, L-цукри показані з воднем праворуч і гідроксильною групою ліворуч. Цей спосіб маркування допомагає розрізнити два типи діастереомерів.
• Оптичне обертання є ще однією властивістю, яка може відрізняти діастереомери. Оптичне обертання відноситься до обертання площини поляризації світла. Діастереомери можуть демонструвати різні типи оптичного обертання. Правообертальні (d-обертальні) сполуки обертають площину поляризації вправо (+) за годинниковою стрілкою. Лівообертальні (l-обертальні) сполуки обертають площину поляризації вліво (−) проти годинникової стрілки. Домінування одного стереоізомера над іншим визначає напрямок оптичного обертання. Наприклад, сахароза і камфора є d-роторними, тоді як холестерин є l-роторними.
• Таким чином, діастереомери є стереоізомерами, які не мають дзеркального відображення. Вони охоплюють різні типи ізомерів, включаючи мезосполуки, цис-транс ізомери, EZ ізомери та неенантіомерні оптичні ізомери. Діастереомери часто мають відмінні фізичні властивості, а їх різне розташування в просторі сприяє їх різноманітній поведінці. Диференціація між D- і L-ізомерами може бути досягнута за допомогою проекцій Фішера, тоді як оптичне обертання може визначити напрямок обертання площини поляризації світла.

Цис–транс та EZ ізомерія

Цис-транс і EZ ізомерія є типами стереоізомерії, які виникають через обмежене обертання навколо подвійного зв’язку. Коли замісники принаймні на одному кінці подвійного зв’язку різні, подвійний зв’язок стає стереоцентром і може демонструвати цис-транс- або EZ-ізомерію. Однак, якщо два замісники на одному кінці подвійного зв’язку однакові, стереоізомерії немає.

Традиційно цис-транс-ізомерія використовувалася для опису відносних положень замісників по обидві сторони подвійного зв’язку. Термін цис (лат. «по цей бік») використовувався, коли замісники знаходилися по одну сторону подвійного зв’язку, а термін транс (лат. «поперек») використовувався, коли замісники були по різні боки. Наприклад, у 1,2-дизаміщених етенах, таких як дихлоретен (C2H2Cl2), молекула I є цис-1,2-дихлоретеном, а молекула II є транс-1,2-дихлоретеном.

Щоб забезпечити більш сувору та однозначну систему, IUPAC запровадив систему EZ. У цій системі пріоритет призначається заступникам на кожному кінці подвійного зв’язку на основі їхніх атомних номерів. Визначаються групи з найвищим пріоритетом, і якщо вони знаходяться на одній стороні зв’язку, їм присвоюється Z (від німецького слова «zusammen», що означає разом). Якщо групи з найвищим пріоритетом знаходяться на протилежних сторонах зв’язку, їм присвоюється Е (від німецького слова «entgegen», що означає протилежність). Ця система усуває випадкову неоднозначність, пов’язану з цис-транс номенклатурою.

Наприклад, у випадку молекули фторметилпентену правильною назвою може бути або транс-2-фтор-3-метилпент-2-ен (що стосується положень алкільних груп у подвійному зв’язку), або (Z)-2 -фтор-3-метилпент-2-ен (відноситься до груп з найвищим пріоритетом, які знаходяться по той самий бік подвійного зв’язку). Група фтору є групою з найвищим пріоритетом зліва від подвійного зв’язку, а група етилу є групою з найвищим пріоритетом з правого боку.

Терміни цис і транс також можна використовувати для опису відносних положень замісників у кільці. Якщо замісники знаходяться на одній стороні кільця, це називається цис, а якщо вони знаходяться на протилежних сторонах, це називається транс.

Таким чином, цис-транс та EZ ізомерія виникають у подвійних зв’язках, коли обертання навколо зв’язку обмежене. Цис-транс-номенклатура традиційно описує відносне положення замісників по обидва боки від подвійного зв’язку, тоді як система EZ забезпечує більш точний і однозначний спосіб визначення конфігурації подвійного зв’язку на основі пріоритету замісників. Ці терміни також можна використовувати для опису відносних положень замісників у кільці.

Функції стереоізомерії

1. Біологічна активність: Стереоізомерія відіграє вирішальну роль у визначенні біологічної активності ліків, природних сполук і біомолекул. Енантіомери, які є дзеркальними стереоізомерами, часто виявляють різні взаємодії з біологічними рецепторами та ферменти. Це явище відоме як енантіоселективність. Різне просторове розташування енантіомерів може призвести до відмінностей у їх фармакологічних, токсикологічних і фізіологічних ефектах. Фармацевтичні компанії часто виробляють і вивчають енантіомери окремо, щоб зрозуміти їх специфічну діяльність і потенційне терапевтичне застосування.
2. Хіральність і життя: багато біологічних молекул демонструють хіральність, тобто вони існують як енантіомери. Хіральність є фундаментальною характеристикою життя, і вона впливає на поведінку та взаємодію біомолекул у біологічних системах. Наприклад, амінокислоти, що входять до складу білки є хіральними, і їхнє специфічне розташування як L-амінокислот є важливим для білок структура і функція. Розуміння хіральності біомолекул допомагає розгадати їх роль у біологічних процесах і в розробці ліків і терапії.
3. Стереохімія в органічному синтезі: Стереоізомерія відіграє вирішальну роль в органічному синтезі. Хімікам часто доводиться контролювати стереохімію реакцій, щоб отримати певні стереоізомери. Це особливо важливо в синтезі натуральних продуктів, фармацевтичних препаратів і агрохімікатів, де стереохімія може значно впливати на бажані властивості та активності цільових молекул. Селективне утворення стереоізомерів вимагає ретельного планування реакцій і відповідного вибору хіральних каталізаторів або реагентів.
4. Фізичні властивості та матеріалознавство: Стереоізомерія може впливати на фізичні властивості сполук, такі як точки кипіння, точки плавлення, розчинність і оптична активність. Різні стереоізомери можуть проявляти варіації цих властивостей через відмінності в їхньому молекулярному розташуванні та міжмолекулярних взаємодіях. Ця різноманітність властивостей є цінною в матеріалознавстві та може бути використана для розробки матеріалів із певними характеристиками, наприклад полімерів із спеціальними властивостями або каталізаторів із підвищеною селективністю.
5. Аналітичні методи та методи розділення: Стереоселективні аналітичні методи використовуються для аналізу та кількісного визначення стереоізомерів у складних сумішах. Такі методи, як хіральна хроматографія, хіральний капілярний електрофорез і хіральна спектроскопія, дозволяють розділяти та ідентифікувати стереоізомери. Ці методи широко використовуються у фармацевтичному, екологічному та судово-медичному аналізі, де визначення стереоізомерного складу є вирішальним для оцінки якості, безпеки та впливу сполук на навколишнє середовище.
6. Їжа та смаки: Стереоізомерія відіграє значну роль у сприйнятті смаків та ароматів. Багато природних сполук, відповідальних за смак і запах їжі, напоїв і спецій, існують у вигляді стереоізомерів. Специфічне розташування стереоізомерів може призвести до різних сенсорних переживань. Наприклад, обидва енантіомери карвону присутні в природі, але мають різні аромати: (+)-карвон пахне м’ятою, тоді як (-)-карвон має запах, що нагадує запах кмину. Розуміння стереохімії ароматичних сполук допомагає в розробці харчових продуктів і формулюванні синтетичних ароматизаторів.

Таким чином, стереоізомерія виконує важливі функції в різних галузях, таких як медицина, хімія, біологія, матеріалознавство та харчова наука. Він впливає на біологічну активність, уможливлює синтез специфічних стереоізомерів, впливає на фізичні властивості, допомагає в аналітичних методах і розділенні, а також сприяє сприйняттю смаків і ароматів. Здатність контролювати та маніпулювати стереохімією має вирішальне значення для широкого спектру застосувань і дослідницьких зусиль.

FAQ

Що таке стереоізомерія?

Стереоізомерія — це форма ізомерії, коли молекули мають однакову молекулярну формулу та послідовність зв’язаних атомів, але відрізняються своїм тривимірним просторовим розташуванням.

Яка різниця між стереоізомерами та структурними ізомерами?

Стереоізомери мають однакову молекулярну формулу та сполучність атомів, але відрізняються своїм просторовим розташуванням, тоді як структурні ізомери мають однакову молекулярну формулу, але відрізняються зв’язністю атомів.

Що таке енантіомери?

Енантіомери є типом стереоізомерів, які є дзеркальним відображенням один одного і не можуть накладатися. Вони мають однакові фізичні властивості, за винятком взаємодії з поляризованим світлом та іншими хіральними сполуками.

Як енантіомери впливають на біологічну активність?

Енантіомери можуть мати різну біологічну активність завдяки їх взаємодії з хіральними рецепторами та ферментами в біологічних системах. Вони можуть виявляти різні фармакологічні, токсикологічні та фізіологічні ефекти.

Яка різниця між цис-транс-ізомерією та EZ-ізомерією?

Цис-транс-ізомерія відноситься до відносних положень замісників по обидві сторони подвійного зв’язку або кільця. EZ-ізомерія, з іншого боку, є більш строгою системою, заснованою на призначенні пріоритету замісникам з кожного боку подвійного зв’язку, використовуючи атомний номер. Він дає більш точний опис просторового розташування.

Що таке діастереомери?

Діастереомери — це стереоізомери, які не є дзеркальним відображенням один одного. Вони мають різні фізичні властивості та можуть включати мезосполуки, цис-транс ізомери, EZ ізомери та неенантіомерні оптичні ізомери.

Наскільки стереохімія важлива в органічному синтезі?

Стереохімія має вирішальне значення в органічному синтезі, оскільки вона дозволяє хімікам контролювати виробництво конкретних стереоізомерів. Бажана стереохімія може значно впливати на властивості та активність синтезованих сполук.

Як розділяються та аналізуються стереоізомери?

Методи хірального розділення, такі як хіральна хроматографія, хіральний капілярний електрофорез і хіральна спектроскопія, використовуються для розділення та аналізу стереоізомерів. Ці методи використовують відмінності у взаємодії стереоізомерів з хіральними стаціонарними фазами або хіральними селекторами.

Чи можуть стереоізомери мати різні фізичні властивості?

Так, стереоізомери можуть мати різні фізичні властивості, такі як точки кипіння, точки плавлення, розчинність і оптична активність. Ці відмінності виникають через варіації їх молекулярного розташування та міжмолекулярних взаємодій.

Де можна знайти стереоізомерію в повсякденному житті?

Стереоізомерія поширена в різних аспектах повсякденного життя. Він впливає на смак і аромат їжі та напоїв, дію ліків і фармацевтичних препаратів, властивості матеріалів і навіть сприйняття натуральних і синтетичних ароматизаторів. Розуміння стереоізомерії допомагає нам зрозуміти ці аспекти та маніпулювати ними для практичних цілей.

6.9: Стереохімія молекул з трьома або більше асиметричними вуглецями

Загалом структура з n стереоцентрами матиме 2 n різних стереоізомерів. (Ми поки що не розглядаємо стереохімію подвійних зв’язків — це настане пізніше). Для прикладу розглянемо молекулу глюкози в її формі з відкритим ланцюгом (нагадаємо, що багато молекули цукру можуть існувати як в відкритій, так і в циклічній формі). Існує два енантіомери глюкози, звані D-глюкозою і L-глюкозою. D-енантіомер – це загальний цукор, який наш організм використовує для отримання енергії. Він має n = 4 стереоцентрів, тому існує 2 n = 2 4 = 16 можливих стереоізомерів (включаючи саму D-глюкозу).

У L-глюкози всі стереоцентри інвертовані щодо D -глюкози. Це залишає 14 діастереомерів D-глюкози: це молекули, в яких хоча б один, але не всі, стереоцентри інвертовані щодо D-глюкози. Один з цих 14 діастереомерів, цукор під назвою D -галактоза, показаний вище: у D-галактози один з чотирьох стереоцентрів інвертований щодо D-глюкози. Діастереомери, які відрізняються лише одним стереоцентром (з двох і більше), називаються епімерами. D-глюкозу і D-галактозу, таким чином, можна віднести до епімерів, а також діастереомерів.

Епімерний термін корисний тим, що в біохімічних шляхах сполуки з декількома хіральними центрами ізомеризуються в одному конкретному центрі ферментами, відомими як епімерази. Нижче наведено два приклади реакцій, що каталізуються епімеразою.

Тепер давайте поширимо наш аналіз на молекулу цукру з трьома хіральними центрами. Перебираючи всі можливі комбінації, придумуємо вісім загальних стереоізомерів – чотири пари енантіомерів.

Давайте намалюємо стереоізомер R R R . Обережно, щоб правильно намалювати клинові зв’язки, щоб вони відповідали конфігураціям R R R R , отримуємо:

Тепер, використовуючи вищевказаний малюнок в якості нашої моделі, намалювати будь-який інший стереоізомер легко. Якщо ми хочемо намалювати енантіомер R R R , нам не потрібно намагатися візуалізувати дзеркальне відображення, ми просто починаємо з структури R R R і інвертуємо конфігурацію в кожному хіральному центрі до отримати S S S .

Спробуйте зробити моделі R R R і S S і підтвердіть, що вони насправді є непереборними дзеркальними відображеннями один одного.

Існує шість діастереомерів R R R R . Щоб намалювати один з них, ми просто інвертуємо конфігурацію хоча б одного, але не всіх трьох, хіральних центрів. Давайте інвертуємо конфігурацію в хіральному центрі 1 і 2 , але залишимо хіральний центр 3 без змін. Це дає нам конфігурацію S S R .

Ще одне визначення на цьому етапі: діастереомери, які відрізняються лише в одному хіральному центрі, називаються епімерами. Наприклад, R R R і S R R – це епімери :

Стереоізомери R R і S S R , показані раніше, є діастереомерами, але не епімерами, оскільки вони відрізняються у двох з трьох хіральних центрів.

1. Намалюйте структуру енантіомеру стереоізомеру S R S цукру, використовуваного в попередньому прикладі.
2. Перерахуйте (використовуючи формат X X X , не малюючи структури) всі епімери S R S .
3. Перерахуйте всі стереоізомери, які є діастереомерами, але не епімерами, S R S .

Цукор нижче – один із стереоізомерів, які ми обговорювали.

Єдина проблема полягає в тому, що він малюється вуглецевим хребтом в іншій орієнтації, ніж ми бачили. Визначте конфігурацію в кожному хіральному центрі, щоб визначити, який стереоізомер це.

Намалюйте енантіомер ксилулозо-5-фосфатної структури на попередньому малюнку.

Будова амінокислоти D-треонін, намальована без стереохімії, показано нижче. D-треонін має конфігурацію (S) в обох своїх хіральних центрах. Намалюйте D-треонін, це енантіомер, і два його діастереомери.

Порівняння стереоізомерії зі структурною ізомерією

D-глюкоза і D-фруктоза не є стереоізомерами, оскільки мають різну зв’язувальну зв’язність: глюкоза має альдегідну групу, тоді як фруктоза має кетон. Однак два цукру мають однакову молекулярну формулу, тому за визначенням вони є конституційними ізомерами.

D-глюкоза і D-рибоза не є ізомерами будь-якого виду, оскільки мають різні молекулярні формули.

Вправа 5: Визначте взаємозв’язок між кожною парою структур. Ваш вибір: не ізомери, конституційні ізомери, діастереомери, але не епімери, епімери, енантіомери або та сама молекула

Вправа 6: Визначте взаємозв’язок між кожною парою структур. Підказка – з’ясувати конфігурацію кожного хірального центру.

Відеоурок Академії Кан про стереоізомерні відносини

Callstack: at (Хімія/Органічна_хімія/Карта:_Органічна_хімія_(Wade)/06:_Стереохімія_та_тетраедричні_центри/6.09:_Стереохімія_молекул_з_трьома_або_більше_асиметричними_вуглецями), /content/body/div[3]/p[11]/span, line 1, column 1 

ІЗОМЕРІЯ

Структурна Ізомерія — явище існування сполук, які мають однакові молекулярні формули, але відрізняються порядком сполучення атомів у молекулі. Структурна ізомерія поділяється на ізомерія ланцюга, положення та ізомерія функціональних груп.

Ізомерія ланцюга зумовлена різною послідовністю зв’язування атомів, які утворюють вуглецевий кістяк молекули. Напр., бутан та ізобутан:

Для органічних сполук циклічної будови І. ланцюга може бути спричинена розміром циклу. Напр., циклогексан і метилциклопентан:

Ізомерія положення зумовлена різним положенням функціональних груп, замісників чи кратних зв’язків у молекулі.

Ізомерія функціональних груп зумовлена присутністю в ізомерах однакового складу різних за природою функціональних груп: етанол — диметиловий етер:

Просторова ізомерія— явище, яке полягає в існуванні сполук з однаковими молекулярними формулами, однаковою послідовністю сполучення атомів у молекулі, але з різним розташуванням атомів у просторі. Просторові ізомери називають також стереоізомерами (грец. stereos — просторовий). Просторова І. поділяєтся на конфігураційну і конформаційну.

Конфігураційна ізомерія включає оптичну та геометричну.

У 1815 р. Ж. Біо відкрив існування оптичної активності для органічних сполук. Було встановлено, що деякі органічні сполуки мають здатність обертати площину поляризації поляризованого світла. Речовини з такою здатністю називають оптично активними. Оптичну активність вимірюють за допомогою приладів, які називають поляриметрами. Під час проходження поляризованого променя крізь оптично активну речовину площина поляризації обертається на певний кут [α] ліворуч чи праворуч. Якщо речовина відхиляє площину поляризації праворуч (при спостереженні назустріч променю), її називають правообертальною (+), якщо ліворуч — лівообертальною (–).

Явище оптичної активності поширене серед органічних речовин, особливо природних (гідрокси- й амінокислот, білків, вуглеводів, алкалоїдів). Оптична активність більшості органічних сполук зумовлена їх будовою. Однією з причин виникнення оптичної активності органічних молекул є наявність у структурі sp 3 -гібридизованого атома карбону, зв’язаного з чотирма різними замісниками. Такий атом карбону називається хіральним або асиметричним (хіральний центр). У структурних формулах асиметричний атом вуглецю позначають зірочкою — С*:

Асиметричними можуть бути й інші атоми, напр. атом нітрогену, сульфуру, фосфору. Оптичну активність виявляють також сполуки, які не містять асиметричного атома — це похідні алену, адамантану, фероцену, ізомерія яких викликана відсутністю обертання навколо простого зв’язку, так звана атропізомерія. Оптична активність характерна також для спіральних конформацій білків, нуклеїнових кислот, гексагеліценів.

Сполуки, які містять один асиметричний атом карбону, існують у вигляді двох ізомерів, котрі співвідносяться як предмет до свого дзеркального відображення. Такі ізомери називають енантіомерами:

Моделі енантіомерних молекул бромйодхлорметану

Для відображення просторової будови оптичних ізомерів на площині можуть бути використані стереохімічні формули — енантіомери бутанолу-2:

Частіше оптичні ізомери зображують на площині за допомогою проекційних формул Фішера:

Енантіомери схожі між собою, але не тотожні, вони мають однаковий склад і послідовність зв’язування атомів у молекулі, але відрізняються один від одного відносним розташуванням атомів у просторі, тобто конфігурацією. Здатність молекул не суміщуватися зі своїм дзеркальним відображенням називають хіральністю (грец. cheir — рука), а такі молекули називають хіральними. Молекули, сумісні зі своїм дзеркальним відображенням, називають ахіральними. Хіральність молекул є обов’язковою умовою для виявлення речовиною оптичної активності. Оскільки молекула — тривимірне утворення, її будову можна розглядати з погляду симетрії геометричних фігур. Основними елементами симетрії є площина, центр і вісь симетрії. Якщо у молекулі відсутня площина симетрії, то така молекула хіральна. Енантіомери мають однакові фізичні і хімічні властивості, обертають площину поляризації поляризованого променя на один і той же за величиною, але протилежний за напрямком кут; вони з різною швидкістю реагують з іншими хіральними сполуками і відрізняються за фізіологічною дією.

Для порівняльної оцінки оптичної активності різних сполук використовують значення питомого обертання [α]. Питоме обертання є константою оптично активної речовини, яке характеризує оптичну активність розчину з концентрацією оптично активної речовини 1 г/мл при товщині шару 1 дм.

Для речовин у розчині [α]= α·100/l·c, де α — виміряний кут обертання, град.; l — товщина шару, дм; с — концентрація оптично активної речовини, г/100 мл розчину.

Якщо молекула має декілька асиметричних атомів карбону, то кількість можливих ізомерів збільшується. Кількість оптичних ізомерів визначають за формулою: N=2 n , де N — кількість ізомерів; n — кількість асиметричних атомів карбону. Для бромяблучної кислоти, що містить два асиметричних атоми, існує чотири стереоізомери (I–IV).

Стереоізомери I та II, а також III та IV є енантіомерами; стереоізомери I та III, I та IV, а також II та III, II та IV не є дзеркальними відображеннями один одного, вони відрізняються за конфігурацією при одному з асиметричних атомів карбону. Такі стереоізомери називають діастереомерами. На відміну від енантіомерів, діастереомери мають різні фізичні і хімічні властивості. Для сполук, які містять два хіральних атоми вуглецю, пов’язаних з однаковими замісниками, загальна кількість стереоізомерів зменшується до трьох.

Напр., винна кислота має існувати у вигляді чотирьох стереоізомерів (2 2 =4), а їх відомо лише три:

Стереомери I та II є енантіомерами. Стереоізомер III (мезо-форма) є оптично неактивним. Молекула мезовинної кислоти ахіральна. Кожен енантіомер винної кислоти щодо мезо-форми є діастереомером.

Номенклатура оптичних ізомерів. При формуванні назв оптично активних сполук поряд з назвою сполуки вказують також конфігурацію і знак обертання. Для позначення конфігурації оптичних ізомерів існують D,L- і R,S-стереохімічні системи.

D,L-система позначення конфігурації. Встановити абсолютну конфігурацію молекул вперше вдалося лише в 1951 р. методом рентгеноструктурного аналізу. До цього часу конфігурацію оптичних ізомерів встановлювали методом порівняння зі спеціально підібраною стандартною речовиною. Така конфігурація одержала назву відносної. У 1906 р. російським ученим М.А. Розановим як стандарт для встановлення відносної конфігурації був запропонований гліцериновий альдегід:

У формулі Фішера правообертальний ізомер містить гідроксильну групу у хірального атома карбону праворуч, а лівообертальний — ліворуч. Конфігурація правообертального ізомера позначається буквою D, а лівообертального — L. D,L-систему в основному застосовують у разі багатоатомних спиртів, гідрокси-, амінокислот і вуглеводів.

Для сполук з декількома асиметричними атомами карбону віднесення до D- чи L-ряду визначають за конфігурацією при верхньому асиметричному атомі карбону (амінокислоти, винні кислоти та ін.), у вуглеводах — за конфігурацією при нижньому.

R,S-система позначення конфігурації була запропонована Р. Каном, К. Інгольдом і В. Прелогом (абсолютна конфігурація). R,S-система побудована на визначенні старшинства замісників у хірального центру.

Згідно з R,S-системою старшинство замісників визначається атомними номерами елементів. Чим більшим є атомний номер, тим старше замісник:

Після встановлення старшинства молекулу орієнтують так, щоб замісник з найменшим порядковим номером знаходився якнайдалі від спостерігача. Якщо старшинство трьох інших замісників зменшується за годинниковою стрілкою, то молекула має конфігурацію R (лат. rectus — правий), а якщо старшинство замісників зменшується проти годинникової стрілки, конфігурацію позначають буквою S (лат. sinister — лівий):

Старшинство замісників для більш складних молекул встановлюється шляхом підрахунку атомних номерів елемента, спочатку безпосередньо зв’язаних з хіральним центром, а потім, якщо це необхідно, — елементів наступних елементних шарів. Суміш еквімолекулярної кількості енантіомерів називають рацемічною сумішшю (рацематом). Рацемати відрізняються від індивідуальних енантіомерів фізичними властивостями — вони можуть мати різну температуру плавлення, розчинність, відрізнятися за спектральними характеристиками.

Для розподілу рацематів на енантіомери використовують три методи:

1. Механічний. У результаті кристалізації деяких оптично активних сполук можуть утворюватися дві форми кристалів, схожих одна на одну як предмет та його дзеркальне відображення. Їх можна відокремити під мікроскопом препаративною голкою (механічно);
2. Біохімічний метод базується на тому, що певні види мікроорганізмів віддають перевагу одній з енантіомерних форм та з’їдають її, а інша залишається і може бути легко виділена;
3. Хімічний, в основі якого лежить переведення енантіомерів за допомогою оптично активних реагентів у діастереомери, що відрізняються за фізичними властивостями.

Геометрична ізомерія характерна для сполук, які містять подвійний зв’язок, та сполук аліциклічного ряду. Геометричні ізомери — це сполуки, що мають однакову молекулярну формулу, однакову послідовність зв’язування атомів, але відрізняються одна від одної різним розташуванням атомів або атомних груп у просторі відносно площини подвійного зв’язку або циклу. Причиною виникнення такої ізомерії є неможливість вільного обертання навколо подвійного зв’язку або σ-зв’язків, які утворюють цикл. Напр., бутен-2 СН₃–СН=СН–СН₃:

Для позначення конфігурації геометричних ізомерів, крім цис- та транс-, використовують E,Z-систему. E,Z-система є більш загальною, вона використовується для геометричних ізомерів з будь-яким набором замісників. В основі цієї системи лежить старшинство замісників, які визначають біля кожного атома карбону окремо. Якщо старші замісники з кожної пари розташовані по один бік від подвійного зв’язку, конфігурація позначається буквою Z (нім. zusammen — разом), якщо по різні боки — буквою E (нім. entgegen — навпроти):

Геометричні ізомери мають різні фізичні і хімічні властивості, спектральні характеристики. Така різниця дозволяє досить легко установити їх конфігурацію за допомогою фізичних і хімічних методів.

Конформаційна І. Конформаційна (поворотна) І. зумовлена обертанням атомів або атомних груп навколо одного чи декількох простих σ-зв’язків, у результаті чого молекули можуть мати різні просторові форми, які називають конформаціями. Напр., молекула етану внаслідок обертання навколо С–С зв’язку може мати безліч конформацій, кожна з яких характеризується певним значенням потенційної енергії. Дві крайні конформації називають заслоненою і загальмованою.

Заслонена конформація має максимальну енергію, а загальмована — мінімальну. Енергетична нерівноцінність конформацій пояснюється існуванням у молекулі торсійної напруги (напруги Пітцера), зумовленої взаємодією (відштовхуванням) електронних хмар протилежних зв’язків. Різниця енергій заслоненої і загальмованої конформації називається енергетичним бар’єром обертання. Для етану енергетичний бар’єр невеликий, становить близько 12 кДж/моль і легко переборюється молекулою за звичайних температур за рахунок енергії теплового руху.

При обертанні навколо С 2 –С 3 зв’язку в н-бутані можливі 4 крайні конформації, з яких 2 загальмовані та 2 заслонені:

Загальмована конформація, у якій метильні групи максимально віддалені одна від одної, називається антиконформацією. Інша загальмована конформація називається гош-конформацією. Загальмована гош-конформація має дещо більшу потенційну енергію (за рахунок метил-метильної взаємодії), ніж антиконформація. Конформації з найменшим запасом енергії називають конформерами чи конформаційними (поворотними) ізомерами. На відміну від конфігураційних ізомерів, конформери перетворюються один в одного без розриву хімічних зв’язків і не піддаються розподілу. Їх виявляють тільки фізико-хімічними методами.

Біологічна дія природних сполук (білків, вуглеводів, ліпідів, гормонів), яка відіграє важливу роль у життєдіяльності організму, тісно пов’язана з просторовою будовою, адже саме вона забезпечує стереоспецифічність біохімічних процесів.

Практично всі амінокислоти, що складають структуру білка, крім гліцину і β-аланіну, мають однакову конфігурацію і належать до L-ряду. Елементарною ланкою вуглеводів є молекули моносахаридів. У природі знайдені моносахариди переважно з D-конфігурацією.

До складу жирів можуть входити як насичені, так і ненасичені жирні кислоти, які містять один чи кілька подвійних зв’язків у вуглецевому ланцюгу, що приводить до існування геометричних ізомерів. Експериментально встановлено, що зазвичай більш стійкими є Е- (транс-) ізомери. Природні ж ненасичені жирні кислоти — структури з Z- чи цис-конфігурацією. Вважають, що Z-конфігурація надає вуглеводневому ланцюгу компактної структури, що важливо при побудові біологічних мембран, до складу яких входять ліпіди.

Каталізаторами біохімічних процесів у живому організмі є такі оптично активні сполуки, як ферменти і гормони, що мають білкову природу. Біологічну активність ЛП пов’язують із суворою відповідністю структури препарату і певних рецепторів, що дозволяє їм взаємодіяти один з одним в організмі. Стереоспецифічність дії препаратів розглядають з урахуванням обох видів стереоізомерії: конфігураційної і конформаційної. Найчастіше відмічають взаємодію ЛП з одним із стереоізомерів біологічної молекули. У цьому разі говорять про стереоспецифічність дії БАР.

Відомо, що перший синтетичний антибіотик левоміцетин, який широко застосовують у медичній практиці, — один з чотирьох існуючих оптичних ізомерів п-нітрофеніл-2-дихлорацетиламінопропандіолу-1,3; лівообертальний ізомер адреналіну (гормон надниркової залози) у 12 разів активніший порівняно зі своїм правообертальним ізомером, а з енантіомерів природного алкалоїду ефедрину як ЛП застосовують D-(–)-ефедрин, а правообертальний ізомер (псевдоефедрин) як ЛП не застосовують. У деяких випадках знаходять застосування обидва стереоізомери. Напр., у медичній практиці використовують як природну правообертальну, так і синтетичну лівообертальну камфору.

Асиметрично побудовані молекули відрізняються не тільки ступенем своєї фізіологічної дії, але й токсичністю. Напр., молекула алкалоїду нікотину має хіральний атом карбону й існує у вигляді двох ізомерів. Виявилося, що правообертальний ізомер у 3 рази менш токсичний порівняно з лівообертальним; у листі тютюну синтезується більш отруйний лівообертальний енантіомер.

Стереоспецифічність дії ЛП виявляється не тільки під час взаємодії з рецепторами. Перш ніж відбудеться ця взаємодія, ЛР проходить складний шлях у живому організмі, на якому зустрічається з цілою низкою біологічних молекул, проникає крізь біологічні мембрани, а те, що стереоізомер реагує тільки з певними рецепторами, вказує на специфічність дії ЛП.

Днепровский А.С., Темникова Т.И. Теоретические основы органической химии. — Л., 1979; Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии. В 2 кн. — М., 1975; Ногради М. Стереохимия: основные понятия и приложения. — М., 1984; Потапов В.М. Стереохимия. — М., 1976; Черных В.П., Зименковский Б.С., Гриценко И.С. Органическая химия / Под общ. ред. В.П. Черных. — 2-е изд. — Х., 2007.