Стереохимия

Изомерия зеркального отображения в молочной кислоте

Стереохимия является филиалом химии , которая имеет дело с двумя аспектами в первую очередь:

  • Теория трехмерной структуры молекул, которые имеют одинаковую химическую связь и состав, но другое расположение атомов , согласно которой строение , конфигурация и конформация определяют трехмерную структуру молекулы (стереохимическая изомерия)
  • изучение пространственной последовательности химических реакций стереоизомерных молекул (стереохимическая динамика).

Изучение стереохимических явлений охватывает всю область органической , неорганической , физической и супрамолекулярной химии, а также биохимии .

историческое развитие

Луи Пастер

После развития теории атома Джоном Дальтоном , рассуждения перешли к тому, как атомы могут быть расположены в пространстве. Еще в 1808 году Уильям Хайд Волластон постулировал тетраэдрическое расположение соединений типа AB 4 . В 1814 году Андре-Мари Ампер также широко занимался трехмерным расположением атомов в молекулах, особенно в кристаллах, объясняя различные формы, сталкивая тетраэдры и октаэдры друг с другом. Леопольд Гмелин разработал основную теорию структуры органических соединений в 1840-х годах. Согласно этому, «этен» был ядром стебля с кубической структурой, из которого были получены другие соединения. По крайней мере, своей теорией он стимулировал дальнейшие серьезные дискуссии о пространственной структуре органических соединений.

Луи Пастеру удалось первое разрешение в 1848 году, отсортировав энантиомерные кристаллы зубного камня. Пастер также был первым, кто заподозрил, что явление оптического вращения , обнаруженное Жаном-Батистом Био в 1813 году, было связано с присутствием зеркально отображаемых молекул.

И Арчибальд Скотт Купер, и Фридрих Август Кекуле постулировали в 1858 году, что атомы углерода также могут быть связаны друг с другом, и создали соответствующие формулы, которые были очень похожи на сегодняшние конституционные формулы .

Дискуссия о формуле бензола , начавшаяся после 1865 г., носила стереохимический характер, поскольку также учитывались трехмерные структуры. Йоханнес Вислиценус в 1860-х годах занимался изомерами молочной кислоты , их оптической активностью и трехмерной структурой.

Фактическая теория пространственного расположения атомов была предложена Вант Хоффом и Джозефом Ле Белом в 1874 году и основана на трех выводах атомной теории и тетраэдрической связи углерода, структурной теории химической связи и оптического вращения, разработанной в 19 веке. Итак, Вант Хофф продолжил дискуссию, которую вели Эмиль Эрленмейер и Йоханнес Вислиценус о строении молочной кислоты. Он также предложил различные структурные формулы для изомерных соединений ( углеводородов , спиртов , органических кислот ) с асимметричными атомами углерода, при этом модель тетраэдра была важной основой для этого. Он также разработал концепцию двойной связи между атомами углерода, в которой два тетраэдра имеют общее ребро.

Работа Эмиля Фишера по структуре углеводов и описанию их стереохимии с использованием проекции Фишера представляет собой следующую веху . Работа Фишера была удостоена Нобелевской премии по химии в 1902 году .

Исследования Альфреда Вернера по стереохимии координационных соединений кобальта, которые также были удостоены Нобелевской премии по химии в 1913 году, также можно рассматривать как начало сложной химии .

Даже Владимир Прелог за исследования стереохимии органических молекул и реакций был удостоен Нобелевской премии 1975 года. Конвенция Кана-Ингольда-Прелога , которую он помог разработать, используется для стереохимического описания органических молекул.

Изомерия

Классификация различных типов изомерии

Изомерия возникает, когда молекулы с одной и той же эмпирической формулой могут иметь разные пространственные структуры. Конформация основан на вращении вокруг одной связью в молекуле , так что заместители атомов , соединенных одинарной связи может принимать различные позиции по отношению друг к другу. Молекулы, которые различаются только этим конкретным расположением атомов, называются конформерами . Изомерия зеркального отображения возникает в химических соединениях, которые связаны с аналогом, например, с его зеркальным отображением. Соответствующие химические соединения называются энантиомерами или оптическими антиподами. Этот тип изомерии может быть основан на стереоцентре , хиральной оси или плоской или спиральной хиральности. Из теории групп следует, что отсутствие оси вращающегося зеркала является необходимым и достаточным условием возникновения энантиомеров. Диастереомерия возникает, когда молекулы с несколькими стереоцентрами находятся частично в одной и частично в разных конфигурациях.

Функциональная изомерия возникает, когда молекулы с одной и той же эмпирической формулой имеют разные функциональные группы . Как Skelettisomerie относится к существованию различных структур. Позиционная изомерия возникает в молекулах, в которых одна и та же функциональная группа находится в разных положениях в каркасе. Цис-транс-изомерия или ( Z ) - ( E ) изомерия представляет собой особую форму позиционной изомерии. Это происходит в соединениях, в которых два или более различаются положением заместителей относительно плоскости отсчета . В связи изомерии или валентной изомеризации определяется как наличие различных чисел сг - и & pi связей в молекулах.

Стереохимические термины

Свойства и операции симметрии

Стереохимия занимается свойствами симметрии молекул. Молекулярная симметрия может иметь ось симметрии, центр симметрии или плоскость симметрии. Есть четыре основных операции симметрии: зеркальное отображение, вращение и инверсия, а также перенос твердых тел.

Ось симметрии C n

Ось симметрии или вращения описывает ось в молекуле, в которой новое расположение атомов в молекуле конгруэнтно предыдущему, путем поворота молекулы на угол вращения 360 ° / n. Примером молекулы точечной группы C 2 является вода, примером точечной группы C 3 является аммиак. Бензол имеет как ось C 2, так и ось C 6 .

Плоскость симметрии σ

Плоскость симметрии или зеркало описывает плоскость в молекуле, которая делит молекулу на две симметрично совпадающие половины. В зависимости от того, где находится плоскость симметрии молекулы, различают плоскости вдоль главной оси молекулы, обозначаемые как σ v (от вертикали). Если плоскость проходит перпендикулярно главной оси молекулы, она называется σ h (от горизонтали), плоскости, которые проходят по диагонали, называются σ d .

Центр инверсии i

Центр инверсии или симметрии преобразует все атомы в атомы, эквивалентные симметрии, отражая их в центральной точке. Молекулы с центром инверсии неполярны. В случае молекул с четным номером центр инверсии не лежит на атоме молекулы, например в бензоле , в случае молекул с нечетным номером центр инверсии падает на атом, например, атом углерода в случае диоксида углерода .

Ось вращения зеркала Sn

Вращающаяся ось зеркала преобразует атомы в молекуле в атомы, эквивалентные симметрии, вращая их на угол 360 ° / n и затем отражая их. Плоскость зеркала перпендикулярна оси вращения. Элемент симметрии S 1 соответствует плоскости симметрии σ, элемент S 2 симметрии соответствует центру инверсии i.

Смотри тоже

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Курт Германн: Стереохимия до Ван'т Хоффа и Ле Бел . В кн . : Химия в наше время . лента 8 , вып. 5 , 1974, с. 129-134 , DOI : 10.1002 / ciuz.19740080502 .
  2. ^ Отто Крац: Портрет: Вант-Гофф 1852-1911 . В кн . : Химия в наше время . лента 8 , вып. 5 , 1974, с. 135-142 , DOI : 10.1002 / ciuz.19740080503 .
  3. ↑ Нобелевская лекция Прелога (PDF; 663 kB)
  4. ↑ Поворотные оси Cn
  5. ^ Карл-Хайнц Hellwich: стереохимия: Основные понятия ., Р 96 ( ограниченный просмотр в Google поиск книг).

литература

веб ссылки