Что такое стереохимия?

Когда мы рисуем обычные структурные формулы, нам может показаться, что молекулы плоские. Или же нам может показаться, что, возможно они и неплоские, но нам это не интересно, не важно, мы же, чёрт возьми, реакцию собрались ставить, а не лепить эту штуку из пластилина. Но это – очень серьезное заблуждение. Любая молекула – трехмерный объект, имеющий форму и размер, и это очень важно. Как только мы об этом вспоминаем и пытаемся как-то описать или осмыслить, мы начинаем заниматься стереохимией. Если совсем просто, стереохимия – это 3D-химия.

В этом месте любой нормальный человек должен насторожиться. И что – это значит, что придется рисовать объемные структуры, думать о правильных проекциях, осях координат, перспективном сокращении и прочих радостях, которые до сих пор с химией не ассоциировались. Может и рисовать нужно уметь? Тревога вполне уместна – по крайней мере некоторые из этих талантов совсем не помешают, впрочем, в химии есть много несложных приемов, которые позволяют сильно упростить трехмерную мороку.

Посмотрим сначала где мы чаще всего встречаемся со стереохимией.

Стереоизомерия. Особый вид изомерии, связанный с относительным расположением атомов и групп в молекулах с одинаковой химической структурой
Представление о внутренних движениях отдельных частей молекулы относительно друг друга, о внутреннем вращении, конформационной подвижности и т.п. Сразу оговоримся, что колебания атомов в молекулах происходят всегда, но этот тип внутреннего движения явного интереса для обычной органической химии не представляет (неявный – представляет, и еще какой – все реакции вообще-то представляют собой не что иное, как слишком далеко зашедшие колебания, но так на реакции смотрят только очень крутые теоретики). Явный интерес, и очень большой интерес представляют только внутренние вращения вокруг связей. Некоторые молекулы, например такие, как метан, этилен, ацетилен, бензол являются жесткими – в них ничего не вращается (точнее, не вращается с видимыми последствиями, потому что атом водорода, конечно, вращается вокруг C-H связи, и в ацетилене все вместе крутится вокруг оси связи, но кто и как это может заметить?!). А в молекулах этана, пропилена, толуола вращение уже есть, и с этим связаны весьма важные особенности таких молекул. Ну и чем молекула сложнее, тем более сложными становятся в ней внутренние вращения частей друг относительно друга. Уже для такой немудреной молекулы как бутан, полный анализ внутренних вращений очень непрост и дал бы картину, в которой разобраться можно только в рамках отдельной и весьма громоздкой научной работы. К счастью, мы никогда не будем даже пытаться делать ничего подобного, но уметь крутить связи в непосредственной близости от реакционных центров и понимать последствия конформационной подвижности нам придется не раз.
Стерические препятствия при сближении молекул, затруднения или даже полная невозможность прямого контакта реагента и реакционного центра. Из-за этого многие реакции происходят или намного медленнее ожиданий или вообще не происходят. Поскольку органические молекулы, как правило, довольно велики и ужасны, то стерические проблемы в органических реакциях являются скорее общим правилом, чем исключением, и из 100 произвольных реакций, которые можно нарисовать на бумаге, и которые будут нормально выглядеть на бумаге, в среднем не менее половины не пойдут вообще именно по стерическим причинам, а из оставшейся половины не менее двух третей будут сильно замедлены по тем же причинам. Некоторые реакции более чувствительны к стерике, некоторые менее, но нельзя забывать о том, что практически все известные реакции, требующие взаимодействия двух или более реагентов, происходят только при возможности физического контакта реагирующих атомов. Реакции в этом смысле напоминают заболевания, передающиеся половым путём – чтобы реакция произошла, молекулы должны смочь подойти друг к другу так, чтобы осуществился непосредственный контакт реакционных центров: те атомы, между которыми возникнет новая химическая связь, должны смочь подойти на расстояние, на котором и возникает такое взаимодействие, обычно считается, что это как минимум расстояние контакта ван-дер-ваальсовых радиусов атомов. Не требуют этого только реакции переноса электрона (особый класс окислительно-восстановительных реакций), которые возможны даже на очень значительном расстоянии, и реакции переноса протона (кислотно-основные равновесия), которые допускают небольшое разделение кислотного и основного центра – с этим связано такое интересное явление, как существование стерически затрудненных оснований, не проявляющих нуклеофильных свойств.
Стереоселективность реакций. Если есть стереоизомерия, то могут существовать и реакции, которые преимущественно приводят к одному из стереоизомеров (если к одному из энантиомеров, то реакция называется энантиоселективной, если к одному из диастереомеров, то реакция называется диастереоселективной, а третьего не дано). И наоборот, стереоизомеры могут иметь разную реакционную способность и давать разные продукты в реакциях с другими реагентами. И да, такие реакции существуют, их много, и это очень важные реакции. Современная химия жить не может без таких реакций, но поскольку мы её не изучаем, то уделим стереоселективным реакциям очень скромное место в нашем курсе.