Select Page

Стереохимия sp3-гибридного углерода – один центр

Геометрическая фигура, соотвествующая этому типу гибридизации, – тетраэдр, то есть штука принципиально неплоская. И в этом есть существнная проблема, так как связи у таких атомов не могут быть одновременно представлены на одной плоскости, и невозможно обойтись или без различных проекций, и некоторой доли пространственного воображения. Необходимо уметь легко преобразовывать различные типы проекций друг в друга. Обойтись только какой-то одной очень трудно, так как разные типы проекций приспособлены для различных задач, и в химических текстах встречаются вперемешку. Проекция Фишера чрезвычайно удобна для определения конфигурации и простых манипуляций со структурой, но малопригодна собcтвенно для химии, для изображения стереохимии реакций. Как бы это странно ни звучало, но изобретение и существование проекций Фишера полностью объясняется не задачами химии, а возможностями полиграфии в эпоху, когда книги и журналы печатали, набирая и текст и схемы из стандартных свинцовых литер. Любые более хитрые картинки приходилось отдельно гравировать, что было невероятно дорого и тщательно избегалось. Поэтому в значительной степени проекции Фишера в 21 веке, когда книги печатают чеез компьютерную верстку, для которой вообще нет никаких препятствий, – анахронизм, почти наверняка обреченный на вымирание. Но люди так долго не живут, и неизвестно, кто или что вымрет первым. Уж больно сильна привычка к этим странным “крестикам”. В наше время не существует никаких других причин пользоваться проекциями Фишера кроме банальной привычки. Но это – очень сильная вещь. Поэтому пока приходится их изучать и даже находить в них массу достоинств.

Безусловно удобнее пользоваться естественной проекцией, в которой молекулу рисуют приблизительно так, как она (точнее ее модель) была бы видна глазом, применяя простые и понятные условности:

  •  пренебрегают перспективным сокращением, то есть все буквы и связи рисуют приблизительно одинакового размера, а пустые клинышки или зебры не пытаются изобразить сужающимися – гораздо чаще рисуют так, как на первой структуре со связью назад, которая расширяется к дальнему атому, чем так как на второй структуре, хотя с точки зрения перспективы правильнее было бы именно так. Тем не менее, такой тип изображения тоже иногда встречается, но главный орган, выпускающий правила и рекомендации в химии – ИЮПАК совершенно недвусмысленно не рекомендует выпендриваться и пытаться изобразить зебру в перспективе. ИЮПАК даже рекомендует вообще никак не показывать разной длиной штрихов направление зебры и считает допустимым и даже предпочтительным штрихи одинаковой длины. Увы, создатели компьютерных программ химической графики про это не знают, и в большинстве программ зебра рисуется расширяющейся наружу. Когда рисуете формулы от руки, не тратьте время на эту ерунду и рисуйте зебру одинаковой ширины в полном соответствии с рекомендациями ИЮПАК;
  • две связи, лежащие в условной плоскости (в какой плоскости? – да в любой, просто лежат и все, – есть какая-то плоскость, в которой они лежат, так уж геометрия устроена со времен Евклида, что любой треугольник лежит в плоскости) – обозначают простыми черточками;
  • остальные связи обозначают одну клинышком (в компьютерной картинке зачерненным, в рукописном допустимо любым способом обозначить клинышек, чернить или штриховать не обязательно); вторую – зеброй (париться с правильной перспективой не обязательно, вполне допустимо сделать ее также расширяющейся от центра или вообще просто )

Вот как это будет в рукописном варианте (проекции “две связи в плоскости”):

Некоторая двусмысленность есть с тем, как рисовать зебру и клин – что должно быть сверху. Интуитивно кажется, что клин, как на первой структуре, которая хорошо! А структура, обозначенная тоже хорошо! кажется странноватой – разве так может быть? Еще как может. Когда мы рисуем проекцию тетраэдра, мы никогда не смотрим на него строго на уровне глаз, потому что в этом случае передняя связь заслонит заднюю. Мы смотрим на него или немного снизу вверх или немного сверху вниз. Если смотрим немного снизу вверх (под донышко), как на первой структуре, то видим как раз ситуацию, когда связь вперед (клин) находится над связью назад (зеброй). А если посмотрим на тетраэдр немного сверху вниз, то получим более привычную и интуитивно более комфортную ситуацию, когда зебра выше клина, как на второй структуре. Понятно, что и то, и другой совершенно правильно и уместно. Вполне правильно рисовать тетраэдр связями в плоскости слева, как на третьей структуре и на верхней и на нижней картинках.

И еще два типа хороших проекций с связями в плоскости, изображенными сверху или снизу. Вот как они соотносятся с реальным тетраэдром. И еще раз, посмотрите, что никто не пытается при этом изобразить перспективное сокращение – все связи, и те, что в плоскости, и те, что не в плоскости, рисуются приблизительно одинаковой длины.

А вот такими проекциями пользоваться нужно как можно реже, хотя они формально правильные – почему бы, действительно, не посмотреть на тетраэдр со стороны одной из вершин или одного из ребер. Ответ простой – это неудобно, потенциально чревато ошибками и к тому же весьма уродливо. Просто избегайте таких проекций.

Вот каким положениям тетраэдра в пространстве это соответствует. Еще раз – все это правильно, но неудобно. Человек интуитивно всегда пытается любую объемную вещь расположть так, чтобы она максимально оказалась в плоскости, перпендикулярной взгляду. Все эти структуры этому не соответствуют – в них или ни одна или только одна связь оказываются в плоскости. 

Еще один фокус. Если разных заместителей три, то оставшийся атом водорода часто вообще не показывают. Особенно удобно расположить проекцию так, чтобы этот атом был сзади. R/S-обозначения конфигурации в этом случае просто соответствуют направлению убывания старшинства в нарисованной тройке заместителей. Обратите внимание, что такая проекция элементарно получается из любой другой при прокрутке треножника вокруг оси (любой оси). И даже если попадается настоящий четвертичный углерод со всеми четырьмя разными заместителями, старайтесь расположить проекцию так, чтобы младший заместитель смотрел назад. R/S обозначения будут видны сразу по старшей тройке.

 

Тогда преобразование от Фишера к естественной проекции выглядит просто – сначала рисуем крест так, чтобы обозначить связи идущие назад и вперед согласно определению проекции Фишера – вертикальные связи уходят от центра назад, а горизонтальные вперед. Потом просто проворачивают это относительно вертикальной оси, проходящей через центр на 90 градусов. Обратно – то же самое, но в обратном порядке. Не останавливайтесь на промежуточной проекции (два клинышка – две зебры), доводите дело до проекции “две связи в плоскости”

Самый простой способ быстро переделать Фишера в обычную проекцию – просто запомнить шаблон: нижний заместитель убираем назад, три верхних рисуем в том же порядке, отгибая правый вперед. В конкретных случаях просто подставляем реальные группы. Отсюда легко понятно, почему так удобно располагать водород (или самый младший заместитель) снизу прокции Фишера, – при преобразовании в естественную проекцию спереди остается тройка более важных заместителей точно в том же порядке. Применять R/S-правила в этом случае совершенно элементарно.