Стереохимия

Стереохимия, или химия в пространстве (la chimie dans l’espace), является той частью теоретической химии, которая изучает так называемую геометрическую изомерию или стерео изомерию, основанную на учении о пространственном расположении атомов в частицах (молекулах) химических соединений. Она главным образом касается органических (углеродистых) тел, но принципиально приложима и к неорганическим соединениям, содержащим многовалентные элементы. Уже Демокрит (в V столетии до н. э.), основатель атомистической теории строения вещества, снабжал атомы формой, движением и различной группировкой. Гассенди и Декарт, возрождая в XVII в. атомистическое учение, снова приписывают атомам (корпускулам) форму и величину, а Лемери объясняет химические взаимодействия и свойства тел формой атомов. Когда Дальтон и Волластон в начале XIX в. создали современное учение об атомах (1808), они снова остановились на вопросе о величине и форме атомов, а последний ученый прямо-таки писал, что в будущем необходимо будет считаться «с геометрическим представлением относительной группировки атомов во всех трех измерениях пространства», и что, например, атому углерода можно приписать форму тетраэдра. Опытная химия, однако, еще не нуждалась в пространственном факторе атомов, она первоначально изучала относительный их вес (см. атом), и лишь с половины XIX в., по мере накопления новых фактов в органической химии, стала подходить и к форме атомов.

Выдающуюся роль в этой эволюции химии играет Луи Пастер, давший своими классическими работами (1848—1860) новые опытные материалы и методы. Исходя из двух известных, изомерных кислот, виноградной и винной, из которых первая не вращает плоскости поляризованного света, а вторая отклоняет вправо (правовращающая или d-винная кислота), Пастер впервые показал, что виноградная кислота может быть расщеплена на эту правую и еще на новую, левую (1-) винную кислоту, и что каждая из этих двух оптически деятельных кислот при нагревании обратно переходит в виноградную (рацемическую, оптически недеятельную), но что, кроме того, образуется еще четвертая изомерная форма или модификация, мезовинная кислота, которая является оптически недеятельной, но в противоположность виноградной не расщепляется на деятельные формы: виноградная  кислота

Виноградная кислота и мезовинная кислота. Химическое строение всех четырех кислот идентично, но одна пара влияет на плоскость поляризованного света, а другая оказывается инактивной, или недеятельной. Причину такого различия Пастер усматривает в асимметричном строении молекул, при этом правая кислота показывает в своих кристаллах различие от левой (правая или левая гемиэдрические площадки). «Группируются ли атомы правой винной кислоты в виде правовинтовой линии, находятся ли они в углах неправильного энантиоморфного тетраэдра, или имеют какую-либо другую асимметричную группировку?» спрашивает Пастер. Рядом с новыми фактами Пастер, следовательно, подарил химии и новые идеи, причинно связав вращательную способность частицы органического соединения с ее асимметричным строением и с формой кристаллов данного вещества.

К этому же периоду относятся еще следующие факты: в 1853 г. Франкланд создает учение о валентности или атомности элементов, а в 1858 г. Купер и Кекулэ выступают с учением о четырехатомности углерода, — углерод, как центральный элемент органической химии, следовательно, присоединяет к своему атому С четыре атома одновалентного элемента Х, давая соединение СХ₄. Одновременно Купер предпринимает первую попытку графического изображения химических соединений в зависимости от валентности входящих в частицу атомов. В 1861 г. впервые Бутлеров формулирует вопрос о «химическом строении» молекулы, в 1862 г. он же рассматривает атомы углерода «в виде тетраэдра, у которого каждая из 4-х плоскостей способна связать один пай водорода», а лишь в 1867 г. Кекулэ следует за ним, перенося «четыре сродства углерода из одной плоскости в 4 плоскости тетраэдра. Уже в 1868 г. Патерно впервые применяет эти идеи, говоря о «более тонкой изомерии в пространстве» и выражая определенные воззрения на тетраэдрическую группировку в  изомерных галоидопроизводных этана. Наконец, в 1869 г. появляется работа Вислиценуса о трех изомерных молочных кислотах, не предусмотренных теорией; он впервые употребляет название «геометрической изомерии» и предполагает, что изображение последней возможно будет посредством моделей, ибо вопрос здесь идет о «различном расположении атомов в пространстве». Работа Вислиценуса  послужила прямым поводом к появлению теории Вант-Гоффа и вместе   с тем к основанию современной стереохимии. В сентябре 1874 г. вышла на голландском языке маленькая брошюра Вант-Гоффа: о взглядах на перенесение структурных формул в пространство, в 1875 г.. она вышла на французском языке под  заглавием: J. Н. van‘t Hoff, «La chimie dans l’espace» («Химия в пространстве»).  Независимо от этого появилась в  ноябре 1874 г. в журнале Парнасского Химического Общества небольшая статья J. А. Lе Веl’я: «Об отношениях, существующих между атомными формулами органических соединений и вращательной способностью их растворов».  Оба автора сходятся в главном принципе, но взгляды Вант-Гоффа развиты, в более стройной и последовательной форме и представляют собой непосредственное развитие вышеуказанных идей о четырехатомности углерода и пространственной группировке   этих атомностей. В химии оба ученых считаются основателями стереохими, поэтому обыкновенно говорят об учении Вант-Гоффа и Ле-Беля.

Основным представлением является тетраэдрическая группировка: четыре между собой одинаковые сродства углеродного атома С направлены к вершинам правильного тетраэдра, центр которого занят самим углеродом; если эти четыре сродства насыщены четырьмя различными атомами или группами атомов R_I, R_II, R_III, R_IV, тогда получается асимметрический углерод С (R_I, R_II, R_III, R_IV), и его пространственное изображение приводит к следующим двум тетраэдрам:

Очевидно, что оба тетраэдра не совместимы и изображают два изомера, по своему пространственному строению (или конфигурации) похожих на предмет и его зеркальное изображение (или на правую и левую руки). Оба тетраэдра не заключают в себе плоскости симметрии, следовательно, на основании кристаллооптики, представляют собой химические соединения, вращающие плоскость поляризованного света в противоположные стороны (вправо или влево), но на одинаковую величину. Эти два оптических или зеркальных изомера будут обладать одинаковыми физическими свойствами, например, одинаковой точкой плавления и кипения, одинаковой растворимостью, одинаковым удельным весом и т. д. По отношению к асимметрической среде, однако, они будут обнаруживать различное отношение. Действительно, уже Пастер установил это различие при исследовании правой и левой винных кислот, например, по отношению к микроорганизмам, к оптически деятельным основаниям (алкалоидам) или в физиологическом действии. Если оба изомера или оптических антипода (d и l) в эквивалентных количествах соединить, тогда должна получиться оптически недеятельная форма того же вещества, как смесь или химический индивидуум [например, рацемическая модификация, наподобие виноградной кислоты =  acide racémique, г = (d + l)]. Эту модификацию «расщеплением» можно обратно превратить в отдельный правый и левый изомер, применяя классические методы Пастера, например, кристаллизацию двойных солей, комбинацию с алкалоидами и воздействие микроорганизмов. Своеобразный и прямой переход от одной оптически деятельной формы в другую, противоположную открыл П. Вальден (1893—1898), применяя простые реакции замещения, например: l-яблочная кислота ( + РСl₅) → d- хлороянтарная кислота (+ Ag₂О) → d-яблочная кислота ( +РСl₅) → l-хлороянтарная кислота. Это «Вальденово обращение» является вполне неожиданным и не нашло еще удовлетворительного объяснения. В связи с расщеплением рацемических соединений находится открытый П. Вальденом феномен «ауторацемизации», или добровольного перехода оптически деятельных d и l форм в недеятельную r = (d + l); так например, эфиры l-или d-бромоянтарной кислоты рацемизируются при продолжительном стоянии по реакции: 2l (или 2d)→(d+l). Для веществ, содержащих два асимметрических углерода С (abcd).С(аbсd), существует четыре изомера: правый d, левый l, рацемический (d+l) и изомер нерасщепляемый (по Пастеру corps inactif du type indédoublable) или мезовинный тип = (d.l), — в нем один углерод является право-, другой—левовращающим. К этой группе веществ принадлежат: 1) правая винная кислота, 2) ее левый изомер, 3) виноградная (рацемическая) кислота и 4) мезовинная кислота. При синтетических работах из оптически недеятельных исходных материалов получается лишь недеятельное вещество; так, например, синтетическая яблочная кислота (из бромоянтарной кислоты) есть рацемическая; синтетическая винная кислота (из дибромоянтарной кислоты) есть смесь виноградной и мезовинной кислот. Равным образом синтетические симметричные ди-алкилзамещенные янтарные, глутаровые, пимелиновые и адипиновые кислоты, добытые Н. Зелинским, К. А. Вишофом и др., получаются в двух оптически недеятельных модификациях, соответствующих присутствию двух асимметрических углеродов, а согласно теории одна из этих модификаций оказывается рацемической и расщепляемой на оба оптических антипода (А. Вернер, 1913; В. А. Нойс, 1910).

Кроме вышеизложенной оптической изомерии насыщенного атома углерода существует еще геометрическая или цис- и транс-изомерия ненасыщенных атомов углерода с двойной связью. Уже Вант-Гофф предвидел для тел С(ab):С(аb) две конфигурации, например:

Типичными примерами этой категории стереоизомеров являются кислоты малеиновая (I) и фумаровая (II) (и алкилпроизводные их); из них малеиновая кислота (НС.СООН)₂ соответствует цис-форме и характеризуется своей способностью давать кольцеобразные производные, а фумаровая кислота есть транс-модификация, обладающая меньшей растворимостью и более высокой точкой плавления. При соответствующих условиях обе модификации превращаются друг в друга. Подробным исследованием цис-трансизомерии занимался И. Виелиценус; из русских химиков следует назвать А. Альбицкого, К. А. Бишофа, П. Вальдена, А. Горбова, А.Зайцева, П. Меликова, И. Осипова, В.Семенова, С. Танатара и др.

Стереохимия азота. Разработанная и проверенная на углероде стереохимическая гипотеза априорно может быть перенесена и на другие многоатомные элементы, например, на азот. Ведь азот действует как трех- и пятиатомный элемент. Если эти три или пять валентностей (или сродств) атома азота не действуют в плоскости, а в пространстве, тогда получаются случаи изомерии, с формальной стороны сходящиеся с цис- и трансизомерией и оптической изомерией асимметричного углерода, например:

Эта геометрическая изомерия касается трехатомного азота с двойной связью и характеризуется различной пространственной группировкой остатков b и с; син- и антиизомерия азота подробно изучена на оксимах

(Бекман, В. Мейер и Ауверс, А. Ганч и А. Вернер) и применена также к диазосоединениям (А. Ганч). Оптическая изомерия азота относится к пятиатомному асимметрическому атому, типа

Впервые Ле-Бель нашел, что аммониевые соли с асимметрическим азотом получаются в двух различных кристаллографических модификациях, а Э. Ведекинд установил, что в зависимости от порядка введения радикалов получаются два химических изомера одной и той же соли; наконец, Попу (Pope и Peachey, 1899) удалось расщепление одного из этих изомеров на обе противоположно вращающие модификации: (d+l) → d+l. Впоследствии Э. Ведекинд, а равно О. Аскан и Э. Фрелих увеличили число таких оптически деятельных соединений пятиатомного (асимметрического) азота. В 1908 г. Мейзенгеймер прибавил еще новый тип активных соединений азота, а именно (R_I, R_II, R_III) N = О.

Стереохимия элементов серы, селена, олова, кремния и фосфора. После удачного расщепления соединений асимметрического атома азота английский химик Поп приступил также к синтезу соединений асимметрического четырехвалентного атома серы, селена и олова. Солеобразные соединения типа (abсd) Е, где Е = атом S, Se или Sn, фактически являются рацемическими, так как они расщепляются на два противоположно вращающих антипода (Поп, 1900-1902); равным образом возможно получение оптически деятельных соединений асимметрического кремния Si (а b с d) (Китинг, 1907). Из соединений пятиатомного асимметрического фосфора получены активные формы типа (а b с) Р = О, т. е. окиси фосфина (Киппинг, Мейзенгеймер 1911).

Стереохимия металлов кобальта, хрома, платины, железа, родия и иридия. Стереоизомерия (цис -и транс-изомерия) обнаружена А. Вернером в рядах комплексных солей кобальта (кроцео- и флавосоли) и платины, а Пфейффером при комплексных солях хрома. Кроме того, А. Вернеру удалось (начиная с 1911 г.) осуществить также оптическую (зеркальную) изомерию на соединениях с асимметрическим атомом кобальта, железа, хрома и родия; расщеплением рацемических форм получаются оптические антиподы, обладающие большой вращательной способностью и ауторацемизацией.

Рассмотренная нами часть стереохимии касалась вопроса о молекулярной асимметрии атомов углерода, азота и т. д. В частности стереохимия углерода оказалась чрезвычайно плодотворной, а в ее разработке приняли выдающееся участие: Вислиценус, Бэйер, В. Мейер, Э. Фишер (классические синтезы сахаров и белковых веществ), А. Ганч, П. Вальден, В. И. Поп, А. Вернер и др. Нельзя, однако, не указать на ряд стереохимических вопросов, не нашедших еще удовлетворительного объяснения; к числу таких вопросов принадлежит, например, существование большего числа изомеров коричной и метилированной мочевой кислоты, чем это предусматривается теорией, а равно Вальденово обращение и ауторацемизация; недостаточно разработан еще вопрос о зависимости между величиной оптического вращения и величиной и природой остатков (элементов), связанных с асимметрическим атомом, а равно о влиянии растворителей и концентрации на величину вращения; дальнейшей обработки ждет еще вопрос о влиянии стереохимических факторов на ход химических реакций, например, так называемое стерическое «тормозящее действие»; не решен еще вопрос о прямом синтезе оптически деятельных соединений из недеятельных компонентов.

Последнее десятилетие, однако, внесло в стереохимию ряд выдающихся новых фактов и теоретических взглядов. Было осуществлено расщепление на оптические антиподы, наконец, при наличии лишь одного атома углерода, т. е. в соединениях (Н) (Сl) (Вr).С(SO₃Н) и (Н) (Cl) (J).С(SO₃Н), Pope и Read (1914 и 1925); было произведено оптическое расщепление пиперазина

Kipping и Pope (1924), и равно диаминоянтарной, дибромадипиновой и других кислот.

Одновременно развилось учение о стереоизомерии и оптической изомерии при отсутствии асимметрического атома углерода, т. е. наряду с классической стереохимией создалось учение о молекулярной асимметрии. Главные примеры этого рода оптической изомерии, относятся к классу циклических соединений и спиро-циклических (Spirane: Leuchs, 1922; Mills и Nodder, 1924).

Кроме соединений с асимметричным углеродом было особенно успешно и вполне неожиданно обогащено учение о металлических комплексных соединениях.

Исторически знаменательную роль играют в этой новой отрасли стереохимии работы А. Вернера. За первым удачным расщеплением комплексной кобальтовой соли, не имеющей асимметрического атома (1911), Вернером было осуществлено расщепление на оптические изомеры солей хрома, железа, родня, платины (1917) и иридия (1920), а Gharonnat (1924) достиг этого и при солях рутения.

Недавно были получены оптические изомеры и в ряду комплексных соединений бора (Hermans, Böeseken, Meulenhoff, 1925), а равно мышьяка (А. Rosenheim, 1925), между тем как и асимметрические As-соединения, например,

могли быть расщеплены (Mills и Paper, 1925).

Явления оптического обращения (Вальденовское обращение) продолжали привлекать научный интерес исследователей. Новые материалы были внесены исследованиями ученых: А. Мс Kenzie, В. Homberg, G. Senter, а в новейшее время (1925): H. Phillips, R. Kuhn, Levene и др.

Вращательную способность оптически деятельных соединений, в зависимости от природы растворителя, концентрации, рода света (дисперсия вращения), особенно успешно изучали: Н. Rupe, Т. М. Lowry, R. H. Pickard и др.

В заключение укажем еще на значение рентгеновских лучей при изучении стереохимических явлений. С одной стороны, исследования Дебая (Debye) показали, что «имеются только два химических вида углерода: тетраэдрически структурная решетка алмаза — первоначальный прототип алифатических соединений углерода, и шестиугольная решетка графита — прообраз всех ароматических соединений» (1917). С другой стороны, однако, было обнаружено, что кристаллы пента-эритрита С (СН₂OН)₄ не показывают — при рентгеновском анализе — тетраэдрической конфигурации (1923, 1926). Новейшее учение о кристаллическом строении отводит симметрии универсальное значение при строении молекул и стремится создать стереохимию на новых началах (К. Weissenberg, А. Reis, 1926).

ГЛАВНАЯ ЛИТЕРАТУРА. J. Н. Van't Hoff, «La chimie dans l’espace», 1875; его же, «Die Lagerung der Atome im Raume», III изд. 1908. J. А. Le Bel. «Note sur les travaux scientifiques», Paris, 1891. А. W. Stewart, «Stereochemistry», London, 1907. А. Werner, «Lehrbuch der Stereochemie», 1904. J. Wislicenus, «Räumliche Anordnung der Atome», 2 изд., 1889. Ш. Безредка и Н. Зелинский, «Опыт истории развития стереохимических воззрений», 1892. С. А. Bischhoff и Р. Walden, «Handbuch der Stereochemie», 1893/4. С. А. Bischoff, «Маterialien  der Stereochemie», I и II том, 1904. Е. Wedekind и Е. Fröhlich, «Zur Stereochemie des fünfwertigen Stickstoffs», 1907. П. Вальден, «Материалы к изучению оптической изомерии», 1898 (докт. дисс.). Н. Landolt, «Das optische Drehungsvermögen organischer Snbstanzen», 1898. Мамлок, «Стереохимия», Одесса, 1911. A. Hantzsch, «Grundriss der Stereochemie», 1896. Р. Walden, «Optische Umkehrerscheinungen (Waldenische Umkehrung)», 1919. F. М. Jaeger, «Lectures on the Principle of Symmetrie», 1920. Е. Wedekind, «Stereochemie», III Aufl. (Sammlung Göschen), 1923. П. Вальдек, «Прошлое и настоящее стереохимии», с приложением статьи профессора Ал. Успенского, Ленингр., 1926.

П. Вальден.