Конфигурация молекул

КОНФИГУРАЦИЯ МОЛЕКУЛ, относительное пространственное расположение атомов или групп атомов в молекуле; одно из основных понятий стереохимии.

В простейших случаях под конфигурацией молекул подразумевается характеристика геометрической фигуры или многогранника, образованного атомами молекулы. Так, например, говорят о тетраэдрической конфигурации молекул метана СН₄ или о тригонально-бипирамидальной конфигурации молекул пентахлорида фосфора РСl₅. Для предсказания конфигурации молекул в этом случае часто применяется модель отталкивания электронных пар - теория Гиллеспи, согласно которой для достижения стабильности электронные пары валентных орбиталей центрального атома молекулы должны находиться на максимальном расстоянии друг от друга.

Наиболее часто термин «конфигурация молекул» используется для характеристики расположения заместителей при двойной связи, относительно цикла или элемента хиральности (например, вокруг асимметрического атома). Различные конфигурации молекул связаны с существованием геометрических и оптических изомеров (смотри в статье Изомерия). Конфигурация заместителей относительно двойной связи может быть цис- или транс(Z- или Е- по более общей номенклатуре), как, например, в изомерах 2-бутена (формула I - Z- или цис-2-бутен; II - Е- или транс-2-бутен). Конфигурация асимметрического (имеющего четыре различных заместителя) атома углерода может быть R- или S-, как в энантиомерах 2-бутанола (формула III - R-2-бутанол; IV - S-2-бутанол); молекулы, не совпадающие со своим зеркальным отражением, называются хиральными. В ходе химических реакций конфигурации молекул, содержащих асимметрический атом углерода, либо сохраняется, либо изменяется на зеркально противоположную - обращение конфигурации. Аналогичное изменение конфигурации молекул, содержащих трёхкоординированный пирамидальный атом, например N, Р, As, С-, Si-, принято называть пирамидальной инверсией. Пирамидальная инверсия осуществляется через промежуточную форму с плоской конфигурацией.

Сравнение между собой конфигураций асимметрических атомов углерода в различных структурах называют корреляцией конфигураций, а определённые таким образом конфигурации - относительными конфигурациями. Методом аномального рассеяния рентгеновских лучей были доказаны конфигурации асимметрических атомов углерода в энантиомерах винной кислоты - (2R, 3R)-винной кислоте (формула V) и (2S,3S)-винной кислоте (VI). Относительные конфигурации, определённые путём сравнения с установленными конфигурациями энантиомеров винной кислоты (или продуктов их химической модификации), называют абсолютными конфигурациями. Для углеводов и α-аминокислот используют отнесение к L- или D-ряду путём сравнения конфигурации асимметрического атома с конфигурацией L-глицеринового альдегида (формула VII) и D-глицеринового альдегида (формула VIII). Природные аминокислоты, входящие в состав белков, имеют L-конфигурацию, как в L-аланине (формула IX). При наличии двух связанных между собой асимметрических атомов в молекуле рассматриваются мезо-, трео- и эритро-конфигурации либо используется R,S-номенклатура, которая применима для любого количества асимметрических атомов в молекуле. Для определения конфигурации молекул, помимо рентгеноструктурного метода, используют хироптические методы, ИК-, УФ- и ЯМР-спектроскопию и другие методы исследования.

Понятие о конфигурации энантиомерных молекул связывает её с анализом молекулярной топологической формы - геометрической фигуры (в топологическом смысле), характеризующей пространственное расположение ядер в сочетании с особыми точками, такими как, например, центр инверсии. Конфигурация молекул сохраняется при деформациях молекулы до тех пор, пока не исчезает хиральность и пока сохраняется молекулярная топологическая форма.

Химические соединения, обладающие R- и S-конфигурацией, имеют одинаковые физико-химические свойства (за исключением реакций с оптически активными веществами и физических свойств в хиральной среде), но разный знак вращения плоскополяризованного света и, как правило, различную физиологическую активность.

Учёт конфигурации молекул играет важную роль при синтезе природных соединений, фармакологических препаратов, молекулы которых должны иметь строго определённую конфигурацию, регулярных полимеров, жидких кристаллов, материалов для нелинейной оптики и ряда других материалов.

Лит.: Илиел Э. Основы стереохимии. 2-е изд. М., 2005.