На перший погляд відповідь мала б бути очевидною: якщо перед нами одна й та сама молекула, то й властивості в неї мають бути однаковими. Однак тут і ховається маленька пастка. Молекулярна формула розповідає нам, які атоми і в якій кількості входять до складу речовини. Проте вона не завжди розповідає, як саме ці атоми сполучені між собою. А іноді навіть знання всіх зв’язків між атомами ще не дає повної картини, тому що потрібно врахувати, як саме ці атоми розташовані в просторі. Саме тому в органічній хімії існують молекулярні «близнюки». Це сполуки з однаковим набором атомів, які водночас є різними речовинами. Таке явище називається ізомерією. Ізомери можуть бути схожими майже як близнюки. Але, як і в людей, схожість не означає повної ідентичності. Що ближче ми придивляємося до молекули, то більше відмінностей можемо помітити.
Щоб зрозуміти, звідки береться така різноманітність, потрібно познайомитися з головним героєм органічної хімії – атомом Карбону. Органічну хімію часто також називають хімією Карбону. І це не випадково. Атом Карбону має чотири електрони на зовнішньому електронному рівні. Для нього дуже вигідно утворювати чотири ковалентні зв’язки, тобто зв’язки, у яких атоми спільно використовують електронні пари, тому Карбон може приєднувати до себе чотири інших атоми або групи атомів. Причому ці «сусіди» можуть бути абсолютно різними. Наприклад, Карбон може утворювати зв’язки з Гідрогеном, Оксигеном, Нітрогеном, Сульфуром, Галогенами та багатьма іншими елементами. Але особливо важливо те, що він може зв’язуватися сам із собою.
Уявімо, що атоми Карбону – це деталі конструктора, які можна з’єднувати одна з одною. З чотирьох таких деталей можна побудувати прямий ланцюжок. Але ті самі чотири деталі можна розташувати й інакше. Наприклад, створити розгалуження чи замкнути у цикл.
Якщо додати більше атомів Карбону, можливостей стає набагато більше, що дозволяє створювати довгі ланцюги, розгалуження, кільця, складні комбінації різних функціональних груп.
Саме тому органічних речовин настільки багато. І тут дуже важлива властивість Карбону утворювати не лише одинарні, а й подвійні та потрійні зв’язки. Умовно одинарний зв’язок можна уявити як спільну електронну пару між двома атомами. У подвійному зв’язку між атомами вже є дві спільні електронні пари, а в потрійному – три. Такі ненасичені (їх ще називають кратні) зв’язки змінюють геометрію молекули та її реакційну здатність. Вони також створюють нові можливості для ізомерії. Саме тому органічну хімію називають хімією атома Карбону, бо це велике розмаїття органічного світу починається із дуже простої речі: Карбон може утворювати складні конструкції з самого себе та інших атомів.
А далі починається найцікавіше. Візьмемо до прикладу дуже просту речовину – бутан. Його молекулярна формула С4Н10, що означає, що в молекулі містяться чотири атоми Карбону і десять атомів Гідрогену. Але чи достатньо цього запису, щоб зрозуміти, як виглядає молекула? На перший погляд відповідь очевидна, але давайте розглянемо цю ситуацію детальніше. Чотири атоми Карбону можна сполучити в один прямий ланцюг. Але ті самі чотири атоми Карбону можна розташувати інакше, утворивши формулу 2-метилпропану, який часто називають ізобутаном.
Атоми ті самі, їх кількість однакова. Однак, зв’язки між цими атомами організовані інакше, що означає, що перед нами дві різні речовини з однаковою молекулярною формулою. Це і є структурні ізомери.
Структурна ізомерія виникає тоді, коли молекули мають однаковий склад, але атоми сполучені між собою по-різному.
Саме тому для хіміків-органіків молекулярна формула не дозволяє однозначно сказати що це за речовина.
Однак, в молекулах може змінюватися не лише карбоновий скелет, як ми вже розглянули, а і може змінюватися положення кратного зв’язку. Звісно, за умови що такий зв’язок є у молекулі. Також можуть по-різному розташовуватися функціональні групи.
Функціональна група – це атом або група атомів у складі органічної молекули, яка значною мірою визначає її характерні хімічні властивості. Наприклад, гідроксильна група –OH характерна для спиртів, карбоксильна група –COOH – для карбонових кислот.
Зміна положення такої групи може перетворити одну речовину на іншу, тому в органічній хімії навіть невелика зміна будови може мати значні наслідки для властивостей.
Але якщо зануритися глибше, то може виникнути ще цікавіше питання. Що, якщо атоми у двох молекулах сполучені однаково? Чи означає це, що тепер вони точно однакові? Уявімо, що ми намалювали складну молекулу на аркуші паперу. На двовимірному рисунку атоми з’єднані однаково. Якщо переписати формулу або намалювати всі зв’язки, ми можемо взагалі не побачити жодної різниці. Але молекула не живе на аркуші паперу, а існує у тривимірному просторі.
Атоми не лежать на сторінці, як намистини на малюнку. Вони розташовані під різними кутами, займають певне положення один відносно одного і утворюють певну просторову форму. Саме тут з’являється стереоізомерія.
Стереоізомери — це сполуки з однаковим складом і однаковим порядком сполучення атомів, але різним просторовим розташуванням цих атомів.
Тобто якщо структурна ізомерія відповідає на питання «хто з ким з’єднаний?», то стереоізомерія додає ще одне: «А де саме вони знаходяться в просторі?» І це питання іноді виявляється найважливішим.
Є дуже проста річ, яка допомагає зрозуміти одну з найцікавіших форм стереоізомерії. Подивіться на свої руки. Ліва і права рука мають однаковий набір частин: долоню, п’ять пальців, нігті, суглоби. За складом вони однакові. За загальною будовою – також. Але вони є дзеркальними відображеннями одна одної. Спробуйте покласти праву руку на ліву так, щоб усі пальці й долоня повністю збіглися.
Якщо ви як і я багато років тому витратили щойно на це хвилин 10 і експериментальним способом дійшли висновку, що, виявляється, зробити це неможливо. Як би ви не повертали руку, права залишатиметься правою, а ліва лівою.
Будова деяких молекул є подібною до наших рук. Молекула та її дзеркальне відображення можуть мати абсолютно однаковий склад і однакові зв’язки, але не суміщатися в просторі. Такі молекули називають енантіомерами, а саму властивість, за якої молекула і її дзеркальне відображення не можуть бути суміщені – хіральністю. Саме слово «хіральність» походить від грецького слова, пов’язаного з рукою, тому в подальшому, під час вивчення хімії ви ще стикнетесь із цією аналогією з руками.
Однак, постає логічне запитання: звідки ж береться ця хіральність?
Хіральність виникає тоді, коли атом Карбону з’єднаний із чотирма різними замісниками. Замісником у хімії називають атом або групу атомів, приєднаних до певного атома в молекулі.
Уявімо Карбон у центрі, навколо якого розташовані чотири різні атоми: Гідроген, Бром, Флуор та Хлор. Оскільки ці чотири групи різні, їх можна розташувати навколо Карбону двома способами, які є дзеркальними відображеннями один одного.
Важливе уточнення: не кожна хіральна молекула обов’язково має саме такий атом Карбону, а хіральність може виникати й з інших причин. Але для першого знайомства з темою – хіральний атом Карбону є дуже зручним прикладом.
І ось тут виникає одна з головних загадок органічної хімії. Дві такі молекули мають однакову молекулярну формулу, однаковий порядок сполучення атомів, однакові функціональні групи та майже однакові більшість фізичних властивостей. І все ж вони не є однією і тією самою речовиною.
Навіщо ж хіміки так ускладнюють собі життя і для них недостатньо просто намалювати молекулу? У звичайній лабораторній реакції дві молекули-енантіомери можуть поводитися дуже схоже. Якщо провести реакцію в середовищі, яке саме не має хіральних властивостей, часто буде складно побачити різницю між ними. Але якщо ми перейдемо від лабораторних реакцій до вивчення живих організмів, то виявиться що просторове розташування атомів вирішує буквально все.
Наш організм складається із складних молекул: білків, ферментів, рецепторів, вуглеводів, нуклеїнових кислот, ліпідів. І дуже багато з цих молекул самі мають певну просторову організацію. Уявімо замок і ключ. Ключ може мати правильний розмір, правильну кількість виступів і загалом нагадувати потрібний. Але якщо він дзеркальний, він може просто не підійти для замка. Для молекулярних взаємодій працює приблизно той самий принцип.
Рецептор «бачить» не просто формулу CxHyOz. Він взаємодіє з конкретною просторовою формою молекули. Саме тому два енантіомери можуть поводитися як два різні ключі, з яких один добре підходить до певного рецептора, а інший –ні. Також вони можуть взаємодіяти з різними рецепторами або ж один може бути активним, а другий – значно менш активним. Саме тому стереохімія має таке велике значення для фармацевтики.
Хорошим прикладом тут буде аскорбінова кислота. Ми звикли називати її просто вітаміном C і знаємо як речовину, необхідну для нормальної роботи організму. Але аскорбінова кислота існує у стереоізомерних формах. Вітамінною формою є саме L-аскорбінова кислота.
Її дзеркальний енантіомер – D-аскорбінова кислота має той самий склад. З погляду звичайної хімічної формули між ними не видно різниці. Але наш організм є хіральною системою і тому ці дві форми взаємодіють із біологічними процесами по-різному.
Однак, стереохімія впливає не лише на ліки та біохімію. Існують молекули, енантіомери яких людина сприймає як запахи, що сильно відрізняються. Відомим таким прикладом є карвон.
Два його енантіомери мають однакову молекулярну формулу і дуже схожу будову, але наш нюх сприймає їх по-різному. Один асоціюється із запахом кмину, інший – із запахом м’яти. Все тому, що рецептори у носі – це також конкретні молекулярні структури. Один енантіомер може добре взаємодіяти з рецепторами одним способом, а його дзеркальний близнюк – трішки інакше.
Просторова будова молекули може впливати не лише на її хімічні реакції, а й на те, як її сприймає живий організм.
А що станеться, якщо молекула матиме декілька таких центрів? Тут органічна хімія стає ще цікавішою, бо якщо в молекулі є один хіральний центр –можна отримати пару енантіомерів. Але якщо хіральних центрів кілька, кількість можливих просторових варіантів може дуже швидко зростати. Для молекули з n незалежними стереогенними центрами теоретично може існувати до 2n стереоізомерів. Наприклад, для двох таких центрів можливі до чотирьох просторових варіантів, для трьох – до восьми, для чотирьох – до шістнадцяти. Однак, не варто передчасно лякатися, бо це лише максимальна оцінка можливої кількості ізомерів, тому що в деяких молекул через симетрію частина варіантів виявляється ідентичною. Однак, це не скасовує того факту, що достатньо кількох атомів із правильною просторовою організацією щоб кількість потенційних «близнюків» різко збільшилася. Саме тому у складних органічних молекулах стереохімія може стати справжнім лабіринтом.
Додаткової складності «хімічним близнюкам» додає той факт, що не всі стереоізомери є дзеркальними. Стереоізомери можуть відрізнятися між собою і в інший спосіб. Наприклад, якщо в молекулі є подвійний зв’язок, навколо якого неможливе вільне обертання, різні групи можуть розташовуватися по різні боки від нього. Так виникає геометрична ізомерія, яку часто описують за допомогою позначень цис- і транс-, а в систематичній номенклатурі – Z- та E-.
Уявімо подвійний зв’язок як своєрідну жорстку планку. Біля одинарного зв’язку частини молекули можуть обертатися, а біля подвійного такого вільного обертання немає, тому молекула може мати два різних просторових варіанти, які не переходять один в одного простим обертанням.
Але не варто плутати стереоізомерію з тим, що молекула просто змінює форму. У багатьох молекулах одинарні зв’язки можуть обертатися. Через це одна й та сама молекула може тимчасово набувати різних просторових форм. Такі форми називають конформаціями, а самі перетворення між ними – конформаційними переходами.
Наприклад, молекула етану може повертатися навколо зв’язку між двома атомами Карбону, через що Гідрогени та інші групи змінюють своє взаємне положення. Однак, обертання навколо одинарного зв'язку не є абсолютно вільним. Молекулі етану потрібно подолати певний енергетичний бар'єр (близько 3 ккал/моль), щоб перейти від однієї просторової форми до іншої.
На графіку добре видно, що молекула має найвищу енергію у "затіненій" (eclipsed) конформації, де атоми Гідрогену розташовані найближче один до одного і відштовхуються. Тому більшу частину часу молекула прагне перебувати у найбільш енергетично вигідній, "загальмованій" (staggered) формі (у мінімумах на графіку). Це не означає, що щоразу утворюється нова речовина.
Тут важливо відрізняти:
ізомери — різні сполуки, які не можна просто перетворити одну на одну звичайним обертанням навколо одинарного зв’язку;
конформації — різні форми тієї самої молекули, між якими вона може переходити завдяки такому обертанню.
Для першого знайомства з органічною хімією це може здатися дрібницею. Насправді саме такі відмінності лежать в основі того, як працює просторова будова біомолекул.
Якщо ми повернемось до фармацевтики та уявимо, що ми, як вчені, синтезуємо молекулу, яка має хіральний центр. Під час деяких реакцій можуть утворитися обидва енантіомери.
Якщо обидва енантіомери присутні приблизно в однакових кількостях – таку суміш називають рацемічною.
На перший погляд проблема невелика: формула правильна, молекула правильна, реакція відбулася. Але якщо потрібний лікувальний ефект дає переважно один енантіомер, наявність іншого може мати значення, тому хіміки розробляють способи одержання переважно одного із стереоізомерів уже під час синтезу, досліджують способи розділення суміші енантіомерів, вдосконалюють методи визначення сполук для того щоб швидко з’ясовувати який саме ізомер утворився та застосовують контроль просторової будови молекул на різних етапах виробництва. Це цілий напрям сучасної хімії – стереоселективний синтез. Його мета дуже проста за формулюванням, але складна на практиці: навчитися будувати молекулу так, щоб вона утворювалася переважно у потрібній просторовій формі.
Найчастіше в контексті синтезу стереоізомерів згадують історію талідоміду, що стала одним із найвідоміших прикладів того, наскільки серйозними можуть бути наслідки нерозуміння або недооцінки стереохімії. Талідомід використовували як лікарський препарат, зокрема як заспокійливий засіб і засіб проти нудоти, що і спричинило його популярність серед вагітних жінок, які страждали на нудоту. Однак, згодом стало зрозуміло, що застосування талідоміду було пов’язане з тяжкими порушеннями розвитку ембріона і великою кількістю вроджених вад у дітей, народжених у жінок, які приймали цей препарат. Сьогодні ця історія є одним із символів необхідності ретельно досліджувати лікарські речовини та їхні взаємодії з організмом.
Однак, щодо стереохімії талідоміду важливо не повторювати популярний міф у спрощеній формі. Часто можна зустріти твердження, ніби один енантіомер був «лікувальним», а другий – «небезпечним». Проте насправді в організмі енантіомери талідоміду можуть взаємоперетворюватися, а механізм його тератогенної дії значно складніший. На жаль, ця історія не зводиться до простого правила «правий близнюк – хороший, лівий – поганий». Але вона чудово показує інше: досліджуючи лікарську молекулу, не можна ігнорувати її просторову будову.
Тепер, повертаючись до питання з якого ми почали – чому органічна хімія настільки різноманітна – ми можемо дати відповідь. Тому що Карбон дає хімікам надзвичайно великий конструктор: чотири зв’язки, велика кількість можливих партнерів, здатність утворювати ланцюги та цикли, одинарні, подвійні й потрійні зв’язки, розгалуження, стереоізомерія, хіральність, конформації…
Уявімо, що ми маємо кілька десятків різних деталей конструктора. Якщо просто переставляти їх місцями, вже отримуємо величезну кількість комбінацій. А якщо кожну деталь можна ще й повертати під різними кутами, можливостей стає ще більше. Приблизно так і виникає величезне розмаїття органічного світу. Саме тому існує неймовірна кількість різних органічних сполук – від найпростішого метану до складних молекул ДНК, білків, лікарських препаратів і природних пігментів.
Однак, наостанок, хотілося б все-таки визначитися: чи справді одна молекула може бути «двома різними речовинами»? Тут важливо бути точними тому, що з погляду хімії – енантіомери не є однією й тією ж речовиною. Це різні сполуки, хоча вони мають однакову молекулярну формулу та однаковий порядок сполучення атомів. Можна уявити їх як двох однояйцевих близнюків. Вони походять із того самого «генетичного набору» – у нашій аналогії це склад і структура молекули. Але вони все одно є окремими особами. Так само і два енантіомери мають один і той самий набір атомів, але відрізняються їхньою просторовою організацією, тому слово «близнюки» тут не означає «абсолютно однакові». Навпаки, воно означає, що молекули настільки схожі, що різницю можна помітити лише тоді, коли знаєш, де саме шукати.
То що нам насправді розповідає молекулярна формула? Молекулярна формула – це дуже корисна інформація, але вона лише початок. Наприклад, запис C4H10 говорить нам, що в молекулі є чотири атоми Карбону і десять атомів Гідрогену. Але він не говорить нам, як ці атоми сполучені. Для цього потрібна структурна формула. А структурна формула все ще може не показати повністю просторову будову. Для цього потрібні стереохімічні записи та тривимірні моделі, тому, шлях від формули до властивостей можна уявити так:
молекулярний склад → структура → просторова будова → взаємодія з іншими молекулами → властивості.
І саме тому теорія Бутлерова не суперечить існуванню ізомерів, а показує наскільки глибоким є поняття «будова речовини». Будова для хіміка-органіка це не просто список атомів. Це те, хто з ким з’єднаний, яким зв’язком, у якому порядку і де саме розташований у просторі.
І що ж тоді виявляється найважливішим? Можливо, найбільш дивовижна річ в органічній хімії полягає в тому, що іноді надзвичайно маленька зміна може призвести до дуже великої різниці. Переставили один зв’язок – отримали інший структурний ізомер. Змінили просторову орієнтацію – отримали інший енантіомер. Повернули одну частину молекули в іншу конформацію – змінили її форму. Для людини, яка тільки починає знайомитися з хімією, все це може здаватися зайвими деталями. Навіщо взагалі знати, чи замісник спрямований «сюди» чи «туди»? Але саме з таких деталей і складається молекулярний світ. Наші ферменти розрізняють молекули за формою. Наші рецептори розпізнають просторові конфігурації. Наше нюхове сприйняття залежить від того, як молекули взаємодіють із рецепторами. Лікарські препарати мають працювати саме там і саме так, де потрібно. А хімікам потрібно вміти створювати молекули з потрібною будовою, а не просто речовини з правильною формулою, тому органічну хімію можна розглядати як величезну науку про молекулярний конструктор, у якому важлива не лише кількість деталей, а й те, як саме вони зібрані.
Іноді два молекулярні «близнюки» настільки схожі, що навіть хіміку доводиться докласти чимало зусиль, щоб побачити різницю, однак, для живої клітини ця різниця може бути очевидною. Один молекулярний близнюк може пахнути м’ятою, інший – кмином. Один може взаємодіяти з певним рецептором, а другий – ні. Одна форма може бути потрібна організму як вітамін, а інша не виконуватиме тієї самої ролі. Саме тому в органічній хімії варто пам’ятати просте правило:
одна формула – це ще не обов’язково одна речовина.
А якщо дуже пощастить, то, придивившись до молекули уважніше, ви можете виявити, що перед вами не одна, а ціла родина її «органічних близнюків».
Література:
- Ластухін Ю. О. Хімія природних органічних сполук : Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. Львів : "Інтелект-Захід", 2005. 560 с.
- Ashenhurst J. Staggered vs eclipsed conformations of ethane - master organic chem. Master Organic Chemistry.
URL: https://www.masterorganicchemistry.com/2020/02/28/staggered-vs-eclipsed-conformations-of-ethane/. - Chemical stability of ascorbic acid integrated into commercial products: a review on bioactivity and delivery technology / X. Yin et al. Antioxidants. 2022. Vol. 11, no. 1. P. 153. URL: https://doi.org/10.3390/antiox11010153
- De Sousa D. P., De Farias nóbrega F. F., De Almeida R. N. Influence of the chirality of (R)-(−)- and (S)-(+)-carvone in the central nervous system: a comparative study. Chirality. 2007. Vol. 19, no. 4. P. 264–268. URL: https://doi.org/10.1002/chir.20379
- Rehman W., Arfons L. M., Lazarus H. M. The rise, fall and subsequent triumph of thalidomide: lessons learned in drug development. Therapeutic advances in hematology. 2011. Vol. 2, no. 5. P. 291–308. URL: https://doi.org/10.1177/2040620711413165
Аліна Сікач
![Вони першими застосували атомну енергію [2]](/images/202608/atom.jpg#joomlaImage://local-images/202608/atom.jpg?width=850&height=587)
Засновник та видавець