Стереохимия

Наука
Стереохимия  (от др.-греч. στερεός — твёрдый, пространственный)
Предмет изучения	изучение расположения атомов в молекуле
Основные направления	химия

Введение в хиральность (видео 1) / Стереохимия / Химия // KhanAcademyRussian [6:47]

Асимметрия биологических молекул — Максим Франк-Каменецкий // ПостНаука [12:34]

Стереохимия (от др.-греч. στερεός — область химии, изучающая пространственное строение расположения атомов в молекуле и его влияния на физические свойства и реакционную способность вещества.

История

Основы Стереохимии были заложены в работах Луи Пастера в 1848 году, изучавшего изомерию винных кислот, а также Якоба Вант-Гоффа, который в 1874 выдвинул фундаментальную стереохимическую идею о том, что четыре валентности насыщенного атома углерода направлены к вершинам правильного тетраэдра. Эта модель хорошо объясняла равноценность всех четырех связей атома Стереохимии и в дальнейшем получила экспериментальное подтверждение. Если атом Стереохимии связан с четырьмя различными группами, то он асимметричен, или, по новой терминологии, хирален. Асимметричные вещества могут быть либо в правой, либо в левой форме. Для них характерна равная по величине и противоположная по знаку оптическая активность. Молекулы с двумя и более асимметричными центрами (примером может служить молекула треонина) образуют семейство диастереомеров. Большинство биомолекул асимметричны; очевидно, асимметричные системы имеют преимущества перед симметричными, избирательно взаимодействуя с молекулами окружающей среды. Цис-транс-изомерия молекул связана с положением заместителей относительно двойной связи или плоскости кольца. В 1863 году русский учёный Александр Бутлеров создал теорию строения органических веществ, и тем самым предопределившего возникновение Стереохимии как самостоятельного раздела химии. В дальнейшем тетраэдрическая модель получила прямое подтверждение при исследовании молекул физическими методами.

Области стереохимии

Важная область современной Стереохимии — конформационный анализ, рассматривающий пространственную форму молекул (конформацию). Стереохимия изучает также пространственную изомерию (стереоизомерию): изомеры, имеющие одинаковый состав молекул и одинаковое химическое строение, но отличающиеся друг от друга расположением атомов в пространстве. Стереоизомерию подразделяют на оптическую (зеркальную), проявляющуюся в существовании оптических антиподов, и диастереомерию, при которой обнаруживаются пространственные изомеры, не имеющие характера оптических антиподов. Частный случай диастереомерии — геометрическая изомерия, наблюдаемая у соединений этиленового ряда и в неароматических циклах. Специфическая задача Стереохимии — получение индивидуальных изомеров, определение их конфигурации и изучение свойств.

Методы и задачи стереохимии

В современной Стереохимии очень широко используют физические и физико-химические методы. Так, рентгено- и электронографическими методами определяют межатомные расстояния, валентные углы и тем самым находят картину расположения атомов в молекуле. Стереохимическую информацию можно получить также из измерений дипольных моментов, из спектров ядерного магнитного резонанса и данных инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии, из измерений оптической активности. Пространственное строение молекул может быть предсказано также расчётными квантово-химическими методами.

Важную роль в Стереохимии играют представления о пространственной конфигурации молекул, учитывающие вращение атомов или групп атомов около одинарных связей и изменение валентных углов. Для определения межатомных расстояний, валентных углов и конфигурации молекул используют физические методы: рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, электронную микроскопию, инфракрасную спектроскопию, поляриметрию.

Классическая Стереохимия была лишь отвлечённой теоретической областью науки. Современная Стереохимия приобрела и большое практическое значение. Так, установлено, что свойства полимеров сильно зависят от их пространственного строения. Это относится как к синтетическим полимерам (например, полистирол, полипропилен, бутадиеновый и изопреновый каучуки), так и к природным высокомолекулярным соединениям — полисахаридам, белкам, нуклеиновым кислотам, натуральному каучуку. Пространственное строение существенно влияет и на физиологические свойства веществ; от него, в частности, зависит активность многих лекарственных препаратов. Поэтому Стереохимия имеет большое значение для химии и технологии полимеров, биохимии и молекулярной биологии, медицины и фармакологии. Стереохимия помогает также решению проблем теоретической неорганической и органической химии (например, при изучении механизмов органических реакций). Так, исчезновение оптического вращения (рацемизация) при замещении у асимметричного атома служит признаком мономолекулярного нуклеофильного замещения (механизм SN1); явление вальденовского обращения — признаком бимолекулярного нуклеофильного замещения (механизм SN2). Измерение оптической активности — важный метод количественного определения оптически-активных веществ в сахарной промышленности, в производстве лекарственных препаратов, душистых веществ.

В задачи Стереохимии входит получение чистых стереоизомеров, определение их конформации и свойств. Сложная структура биомолекул является основой «молекулярного узнавания», происходящего при репликации ДНК, транскрипции, биосинтезе белков, ферментативном катализе, иммунологических реакциях. Свойство «молекулярного узнавания» используют для анализа и очистки биомолекул методом аффинной хроматографии. Данные о Стереохимии биомолекул позволяют понять механизмы биологических процессов, например действия антибиотиков, противоопухолевой активности стереоизомеров платиноорганических соединений, проведения нервного импульса и осуществить на этой основе направленный синтез лекарственных средств.

Галерея

• Основоположники стереохимии
• 

  Луи Пастер (1822—1895)

• 

  Александр Бутлеров (1828—1886)

• 

  Якоб Вант-Гофф (1852—1911)

Литература

• Стереохимия / Большая Российская энциклопедия // научно-редакционный совет: председатель — Ю. С. Осипов и др. — Москва : Большая Российская энциклопедия, Т. 31: Социальное партнерство — Телевидение. — 2016. — 766 с. — ISBN 978-5-85270-368-2
• Стереохимия / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 24. Кн. 1: Собаки-струна. — 1976. — 607 с.
• Стереохимия / Большая медицинская энциклопедия // гл. ред. акад. Б. В. Петровский; [Акад. мед. наук СССР]. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 24: Сосудистый шов — Тениоз. — 1985. — 544 с.
• Введение в теоретическую стереохимию. — Москва : Наука, 1979. — 243 с.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Стереохимия», расположенная по следующим адресам: — «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Стереохимия» — «https://znanierussia.ru/articles/Стереохимия» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».