Стереохи́мия (от стерео... и химия), отрасль химии, исследующая пространственное строение молекул и его влияние на их физические и химические свойства.

Историческая справка

История стереохимии началась с открытия Ж.-Б. Био в 1815 г. оптической активности органических соединений в растворах. В 1840-х гг. Л. Пастер разработал первые химические и биохимические методы разделения рацематов на энантиомеры и впервые высказал мысль, что оптическая активность веществ есть следствие асимметрии молекул. Якоб Вант-Гофф. 1904.Якоб Вант-Гофф. 1904.В 1874 г. Я. Х. Вант-Гофф и Ж. А. Ле Бель (независимо друг от друга) сформулировали теорию тетраэдрического углеродного атома, в 1893 г. A. Вернер предположил октаэдрическое строение комплексов металлов и объяснил их оптическую активность. Исследование стереохимического хода реакций началось с открытия П. Вальденом в 1896 г. обращения конфигурации при бимолекулярном нуклеофильном замещении (т. н. вальденовское обращение). В 1930-х гг. К. К. Инголд совместно с английским химиком Э. Д. Хьюзом широко применяли стереохимический подход к изучению механизмов химических реакций. Ряд исследователей, начиная с французского физика Э. Коттона, развили методы кругового дихроизма и дисперсии оптического вращения. Таким образом, представления об оптической активности молекул с самого начала явились центральными в стереохимии. В 1960-х гг. сформировалось представление о хиральных элементах и значении топологии для стереохимии (В. Прелог). В 1966 г. разработана универсальная стереохимическая номенклатура и введено понятие о хиральности (Р. С. Кан, К. К. Инголд, В. Прелог). Параллельно, начиная с середины 20 в., развивался конформационный анализ, широкое применение которого в значительной степени обязано работам О. Хасселя, В. Прелога, Д. Бартона. Математические подходы в стереохимии развиты в работах К. Мислоу, В. Прелога, немецких учёных И. Уги и Э. Руха в 1980–1990-х гг. Авторы работ по стереохимии дважды удостоены Нобелевской премии по химии: О. Хассель и Д. Бартон за развитие конформационного анализа (1969), В. Прелог за исследования в области стереохимии органических молекул и реакций и Дж. У. Корнфорт за исследование стереохимии реакций ферментативного катализа (1975).

Основы стереохимии

Стереохимический подход применим ко всем молекулярным объектам, используется во всех разделах химии (органическая, неорганическая, координационная, металлоорганическая, химия высокомолекулярных соединений и т. д.). Можно выделить четыре основных раздела стереохимии. Статическая (конфигурационная) стереохимия имеет своей главной задачей определение абсолютных конфигураций энантиомеров хиральных молекул и установление зависимости хироптических свойств от структуры. Конформационный анализ концентрирует внимание на «внутренней жизни» молекул в отсутствие химических реакций, исследует конформации молекул, их взаимопревращения и зависимость физических и химических свойств от конформационных характеристик. Динамическая стереохимия представляет собой составную часть современной теории механизмов химических реакций, изучает влияние пространственного строения молекул на скорости и направление реакций, в которых они участвуют. Теоретическая стереохимия имеет дело с основными понятиями и концепциями, математическими основаниями и описанием формализма стереохимических процессов.

Стереохимия включает в себя как теоретические представления, так и экспериментальные методы, в том числе стереоспецифический синтез. В области теории стереохимия широко применяет аппарат квантовой химии, а также таких математических дисциплин, как теория групп, алгебра, теория графов, топология, теория множеств. В экспериментах стереохимия использует все инструментальные методы исследования; особое место занимают хироптические методы, специфические для стереохимии (дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм), хроматография на хиральных колонках для аналитического и препаративного разделения энантиомеров, а также спектроскопия ядерного магнитного резонанса, в которой установлены специальные эффекты, имеющие чисто стереохимическое происхождение: энантиотопия и диастереотопия.

В основе стереохимии лежит фундаментальная триада понятий: конформация, хиральность, конфигурация. Конформация – моментальное состояние молекулы; каждая молекула есть совокупность всех достижимых конформаций. Хиральность свойственна любым объектам, которые несовместимы со своим отображением в плоском зеркале. Хиральность присуща не всем молекулам, а только тем, которые имеют один или более хиральных элементов. Хиральные молекулы существуют в виде пар энантиомеров, имеющих различную конфигурацию. Если соотношение энантиомеров 1:1, то вещество оптически неактивно и называется рацемическим. Степень энантиомерной чистоты (от 0 до 100 %) может быть измерена. Если молекула содержит n хиральных элементов, то она существует в виде диастереомеров, число которых 2ⁿ. Для диастереомеров аналогично определяется диастереомерная чистота.

Молекулы с различными элементами хиральности. Архив БРЭ.Молекулы с различными элементами хиральности. Архив БРЭ.Стереохимию хиральных молекул называют хиральной стереохимией. Хиральная стереохимия оперирует понятиями элементов хиральности, т. е. наименьших структурных фрагментов молекулы, обладающих хиральностью. Различают центральную, осевую, планарную, винтовую хиральность. Установление абсолютной конфигурации хирального фрагмента молекулы производится посредством корреляции (соотношения) с другими молекулами, конфигурация которых известна. Существует единственный метод, который позволяет отличить «правую» конфигурацию от «левой», – аномальное рассеяние рентгеновских лучей. Важное практическое значение имеет получение чистых энантиомеров, поскольку они обладают рядом полезных свойств, в первую очередь биологической активностью, причём взаимодействие различных энантиомеров с организмом, по причине хиральности всех его частей, может быть разным. Специальное направление составляют энантиоселективный синтез и катализ, которые разрабатывают методы получения энантиомерно обогащённых соединений. Высокой энантиоселективностью отличаются природные катализаторы – ферменты. Интересное направление представляет абсолютный асимметрический синтез, происходящий под действием асимметризующего физического воздействия (поляризованное излучение, энантиоморфный кристалл), а не асимметризующего химического реагента.

Пространственную координацию атома в молекуле анализируют на основе сведéния конфигурации молекулы к форме геометрической фигуры – полиэдра, что удобно для анализа хиральности и конфигурации. Геометрические фигуры явились образцом для синтеза таких молекул, как кубан, додекаэдран и др. Лента Мёбиуса легла в основу классификации (Хюккель – Мёбиус) замкнутых π-электронных систем, а также синтеза молекулы в форме односторонней поверхности. Вместе с катенанами, ротаксанами, узлами они составили основу топологической стереохимии. Наиболее сложным является анализ пространственного строения ансамблей, составленных из двух и более молекул, к ним относятся, в частности, катенаны и ротаксаны. Ещё более важны широко распространённые, в том числе и в природе, соединения включения, когда фиксируется энергетически выгодная конформация, в которой одна молекула («гость») прочно входит в полость другой молекулы («хозяина»).

Сравнение конфигураций начальной и конечной молекул в какой-либо химической реакции даёт важную информацию о механизме этой реакции, поскольку предположение об элементарном акте и переходном состоянии содержит один из трёх вариантов: сохранение конфигурации хирального фрагмента, изменение на противоположную (обращение) или рацемизацию, т. е. равновероятное образование обеих конфигураций. Определение действительного стерического результата позволяет отбросить те гипотетические механизмы, которые предсказывают его неправильно.

Возросло значение стереохимически направленного синтеза, в особенности энантиоселективного, предпочтительнее в каталитическом варианте, в связи с широким применением оптически активных соединений в качестве лекарств, которые в идеале должны применяться в энантиомерно чистом виде, чтобы избежать возможных побочных эффектов из-за примеси другого энантиомера.