Учебные материалы/ органическая химия
В.П.Дядченко "Введение в стереохимию"

Современная органическая химия  немыслима   без предсавлений о пространственном строении молекул и его влиянии на ход химических реакций, что составляет предмет стереохимии. В стереохимии используются определенные способы изображения молекул, а также стереохимическая коменклатура. Цель настоящего пособия - познакомить читателя с основными понятиями, которыми оперирует стереохимия.  Элементарные сведения по стереохимии изложены в разделах  I-IX. В разделе X помещен дополнительный материал,  знание которого также поможет успешному изучению курса органической химии.

I.  Элементы симметрии.

Для описания пространственного строения молекул важно знание элементов симметрии. Термин "симметрия" интуитивно понятен. Обычно это слово ассоциируется с огрненным камнем, архитектурным сооружением и т.п. Симметричный объект содержит один или ннесколько элементов симметрии, для которых  можно дать строгое математическое определение. Ниже приведены простейшие сведения об элементах симметрии.

Центр симметрии (центр инверсии),i

Центром симметрии объекта называется точка   i , удовлетворяющая следующим условиям. Для любой точки А, принадлежащей объекту, всегда найдется точка А', также принадлежащая данному объекту такая, что:
а)точки А, i , А'  лежат на одной прямой;
б)точки А и А'  равноудалены от точки   i .

Примеры централъно-симметричных объектов:

квадрат	правильный шестиугольник	круг

Плоскость симметрии 

Плоскостью симметрии называется плоскость удовлетворяющая следющим условиям. Для любой точки А, принадлежащей  объекту, всегда найдется точка А, также принадлежащая этому объекту такая, что:
а)прямая, проведенная через точки А и А', перпендикулярна плоскости ;
б)точки А и А' равноудалены от плоскости ,

равнобедренный треугольник     прямоугольник

(плоскости симметрии перпендикулярны плоскости чертежа и переслкают ее по пунктирным линиям)

Простая ось симметрии n-го порядка C_n 

Осью симметрии  n-ного порядка называется ось, проходящая через данной объект, при повороте вокруг которой на угол 360°/n   объект совмещается сам с собой.

равнобедренный треугольник: ось симметрии С2	правильный шестиугольник : показаны две оси С2, лежащие в  плоскости чертежа; ось С6 перпендикулярна плоскости чертежа

Ось Симметрии С₁ (поворот на 360°) называется тривиальным элементом симметрии. Существует также ось симметрии бесконечного порядка С. Поворот вокруг этой оси на любой угол приводит к coвмещению объекта  с самим собой (ось, проходящая через центр круга и  перпендикулярная  его плоскости; любая ось, проходящая через центр   шара).

Зеркально-поворотная ось симметрии n - ого порядка S_n.

Это сложный элемент симметрии, включающий две операции: поворот вокруг оси на угол 360°/n   и отражение в плоскости, перпендикулярной данной оси. При выполнении операций, соотвктствующих оси   Sn, объект совмещается сам с собой.

Примером объекта, в котором имеется зеркально-поворотная ось, может служить деревянный квадрат, по углам которого вбиты четыре гвоздя: два сверху и два снизу. Ось  S₄ перпендикулярна плоскости квадрата и проходит через его центр. Одного поворота вокруг оси   S₄ на 90° недостаточно, чтобы данный объект совпал сам с собой. Для этого необходико последующее отражение в плоскости, перпендикулярной оси   S₄ и рассекающей квадрат пополам (нижняя часть квадрата при отражении переходит вверх, верхняя - вниз);

Помимо оси  S₄ в данном объекте присутствует также простая поворотная ось C₂ (поворот на 180°), совпадающая с осью   S₄.
Следует земетить, что плоскость симметрии эквивалентна заркально-поворотной оси первого порядка (поворот на 360° и отражение в плоскости );         ,

Аналогично, центр симметрии эквивалентен оси симметрии  S₂(поворот на 180⁰ и отражение в плоскости, перпендикулярной оси):
'Гаким образом, элементы симметрии  составляют группу зеркально-поворотных осей.

П. Способы изображения пространственного строения молекул

Обычный способ изображения молекул в органической химии - это  структурные формулы.Они передают порядок связи,атомов:

В случае молекул, имеющих плоское или линейное строение, с помощью таких формул можно адекватно описать также геометрию молекул, например:  
            

Если же в состав молекулы входят: sp³-гибридизованные атомы углерода, имеющие тетраэдрическое окружение, структурная формула не может передать реальную  геометрию молекул, то есть расположение атомов в пространстве.  Этой цели лучше всего отвечают пространственные модели.

Полусферические модели Стюарта - Бриглеба:

Шаро - стержневые модели:

Однако, часто возникает необходимость изобразить пространственное  строение молекулы на плоскости. Понятно, что пользоваться рисунками моделей неудобно, да и не всем это под силу. В таких случаях прибегают к помощи различных проекционных формул, которые представляют собой, по существу, проекции шаро-стержневых моделей в том или ином ракурсе.                              

Дня этана и его производных можно использовать перспективные формулы.  Это рисункишаро-стержневых моделей, в которых шары, символизирующие  атомы, заменены на символы химических элементов. В перспективных формулах связь С-С как бы удаляется от наблюдателя:

Однако, этот способ не подходит для более сложных молекул, например, бутана. В таких сяучаях наглядность теряется:

Перспективные формулы используют чаше всего для изображения циклических молекул (см. ниже, раздел X). Обычно для изображения пространственного строения молекул на плоскости используют клиновидную проекцию, проекционные формулы Ньюмена и Фишера. Наиболее наглядной является клиновидная проекция.

1. Клиновидная проекция.

С принципом построения этой проекции познакомимся на примере молекулы метана.

Мысленно расположим молекулу так, чтобы связи СН¹ и СН²  оказались  в плоскости чертежа (две пересекающиеся прямые  задают плоскость). Тогда атом  Н³   будет возвышаться над плоскостью чертежа, закрывая собой атом Н⁴, расположеный под плоскостью. Изобразим связь С-Н³ с помощью  клина, широким концом направленного в сторону атома Н³.

По существу, мы получим проекцию молекулы СН₄   на плоскость чертежа, которая в данном случае является плоскостью симметрии  молекулы. Для того, чтобы одновременно были видны атомы  Н³ и Н⁴, слегка исказим проекцию. Оставив неизменными связи углерода с Н¹ и Н², немного сместим атом Н³ вниз, а атом Н⁴ - вверх. Связь СН⁴, расположенную под   плоскостью чертежа, изобразим пунктиром (I) или  штриховым клином, сужающимся в сторону   удаленного атона ( I '):

Рисунки (I) и ( I ') являются клиновидными проекциями молекулы метана. При пользовании этими проекциями необходимо помнить, что связи, изображенные отрезком прямой, находятся в плоскости чертежа. Сплошные клинья символизируют связи, направленные к наблюдателю, а штриховые линии - связи, "уходящие" за плоскость чертежа.

Клиновидную проекцию можно поворачивать на любой угол относительно любой оси, например:

Проекция (I'') соответствует такому расположению молекулы метана, при котором ни один из атомов водорода не лежит в плоскости чертежа.
Клиновидную проекцию метана можно использовать для построения проекций других углеводородов, например:

Обратите внимание на то, что в проекциях (2) и (3) связи С-С находятся в плоскости чертежа. В этой же плоскости расположены только две связи С-Н. Иногда клиновидную проекцию этана изображают для такого расположения молекулы относительно плоскости чертежа, при котором ни одна из связей С-Н не находится в этой плоскости (2'):

Клиновидные проекции неразветвленных углеводородов обычно изображают в виде зигзагообразной цепи, все связи С-С и две концевые связи С-Н которой расположены в плоскости чертежа. При этом окружение  каждой связи С-С должно быть таким же, как я в проекции молекулы этана (2). Сами же атомы углерода можно не изображать. Они подразумеваются в углах зигзага:

Разумеется, клиновидную проекцию можно использовать для изображения не только неразветвленнах углеводородов, но г других органических соединений, например:

В настоящее время широкое распространение получил сокращенный вариант проекций молекул в виде зигзагов, в углах и на концах которых подразумеваются атомы углерода. Связи С-Н при этом не изображают:

Связи заместителей с атомами углерода цепи помещают на продолжении биссектрисы соответствующего угла зигзага: