Стереоизоме́ры (от др.-греч. «объёмный, пространственный»), также пространственные изомеры — химические соединения , имеющие одинаковое строение, но отличающиеся пространственным расположением атомов . Стереоизомеры имеют одинаковую конституцию, но различные конфигурацию и/или конформацию .

Классификация

В классической стереохимии стереоизомеры подразделялись на оптические изомеры, диастереомеры и геометрические изомеры. Современная классификация, предложенная Мислоу в 1965 году, основана на симметрии и энергетических параметрах.

Согласно энергетическому критерию , стереоизомеры делят на:

• конфигурационные стереоизомеры (взаимопревращение затруднено, энергетический барьер > 100 кДж/моль)
• конформационные стереоизомеры (взаимопревращение осуществляется относительно легко, энергетический барьер < 60 кДж/моль)

Существуют также стереоизомеры промежуточного типа, которые легко превращаются друг в друга при повышенной температуре, но медленно — при охлаждении. В этом случае говорят об остаточной стереоизомерии .

Данные классификации не являются взаимоисключающими: энантиомеры и диастереомеры могут быть конфигурационными или конформационными стереоизомерами в зависимости от того, высокий или низкий энергетический барьер их разделяет . Как правило, при рассмотрении энантиомеров и диастереомеров принимаются во внимание конфигурационные различия, а конформеры рассматривают как отдельный тип пространственных изомеров.

Энантиомеры

Энантиомеры (оптические изомеры, зеркальные изомеры, оптические антиподы) — это стереоизомеры, представляющие собой зеркальные отражения друг друга, не совмещаемые в пространстве .

Поскольку у предмета может быть лишь одно зеркальное отражение, энантиомеры существуют парами ( эпимерами ). Энантиомерные молекулы обладают свойством хиральности , то есть не совпадают в пространстве со своим зеркальным отражением. Как правило, элементом хиральности в молекуле является центр хиральности, то есть атом углерода , связанный с четырьмя различными заместителями. Например, молочная кислота CH ₃ CH(OH)COOH имеет атом углерода, связанный с атомом водорода , метильной , карбоксильной и гидроксильной группами , поэтому она может существовать в виде двух энантиомеров: (+)-молочной кислоты, образующейся в мышечной ткани в результате биохимических процессов , и (−)-молочной кислоты — продукта анаэробного брожения глюкозы .

Большинство физических свойств для энантиомеров одинаковы, например, они кипят и плавятся при одинаковой температуре, имеют одинаковую растворимость , плотность , показатель преломления , УФ-, ИК-, ЯМР-спектры .

Отличительным свойством энантиомеров является — способность вращать плоскость поляризации света . Для противоположных энантиомеров величина удельного оптического вращения равна по модулю, но противоположна по направлению (по этой причине их также называют оптическими изомерами , или оптическими антиподами ). Однако, в последнее время эти названия становятся менее употребимыми, поскольку некоторые энантиомеры (например, R - или S - н -бутил- н -гексил- н -пропилэтилметан) не проявляют заметного оптического вращения ( ) .

Различить энантиомеры можно также по их реакционной способности в присутствии хиральных реагентов или катализаторов, по спектрам ЯМР в хиральных растворителях, а в некоторых случаях по форме кристаллов .

Диастереомеры

К диастереоизомерам относят все стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, то есть зеркальными отражениями друг друга . Диастереомеры молекулы возникают при наличии в ней нескольких стереоцентров (или других элементов хиральности). В этом случае стереоизомеры, у которых различаются конфигурации всех соответствующих стереоцентров, являются энантиомерами. Если же стереоизомеры различаются конфигурациями лишь некоторых стереоцентров, то они являются диастереомерами. Такие диастереомеры называются σ-диастереомерами .

К диастереомерам относятся также стереоизомеры, отличающиеся конфигурацией двойной связи (π-диастереомеры, или геометрические изомеры) .

В отличие от энантиомеров, диастереомеры различаются по физическим свойствам, в том числе по . Это связано с тем, что энантиомеры идентичны по всем скалярным свойствам, то есть расстояние между двумя любыми атомами в них одинаково. Диастереомеры в этом смысле неидентичны, поэтому их свойства различаются .

Число стереоизомеров

В общем случае, n стереоцентров в одной молекуле будут давать 2 ⁿ стереоизомеров. Иногда число стереоизомеров уменьшается за счёт того, что какой-нибудь из стереоизомеров обладает такой симметрией, что совпадает со своим отражением (является мезоформой ). Таким образом, в данном случае два энантиомера представляют собой одно и то же соединение .

Конформеры

Стереоизомеры, различающиеся лишь конформацией, называются конформерами . Частным случаем таких стереоизомеров являются ротамеры — конформеры, возникающие в результате затруднённого вращения вокруг одинарной химической связи .

Остаточная стереоизомерия

Концепция остаточной стереоизомерии рассматривает стереоизомерные формы молекулы, которые можно различить, исследуя молекулу определёнными методами и в особых условиях, в то время как при обычных условиях эти стереоизомеры неразличимы, поскольку быстро превращаются друг в друга. Например, хлорциклогексан имеет два стереоизомера с аксиальным и экваториальным положением атома хлора, которые различаются при анализе ИК-спектроскопией или ЯМР-спектроскопией при −100 °С. При выделении же или анализе ЯМР при комнатной температуре хлорциклогексан является одним соединением, поэтому не имеет стереоизомеров в обычном понимании .

Примечания

Литература

• Илиел Э., Вайлен С., Дойл М. Основы органической стереохимии = Basic Organic Stereochemistry / Пер. с англ. З. А. Бредихиной, под ред. А. А. Бредихина. — М. : Бином. Лаборатория знаний, 2007. — 703 с. — ISBN 978-5-94774-370-8 .
• Потапов В. М. Стереохимия. — М. : Химия, 1988. — ISBN 5-7245-0376-X .
• Nasipuri D. . — New Age International, 1994. — 564 p. — ISBN 81-224-0570-3 .