Как считать стереоизомеры: правило 2ⁿ, мезосоединения, энантиомеры и диастереомеры

Основные определения

• Стереоизомеры состоят из тех же атомов, соединённых в том же порядке, но по-разному расположенных в пространстве.
• Стереоцентр (хиральный центр) — обычно атом углерода с четырьмя разными группами. Обозначается R или S.
• Стереогенная двойная связь имеет две разные группы при каждом атоме углерода. Обозначается E или Z.
• Энантиомеры — несовместимые зеркальные отражения. Все стереоцентры обращены.
• Диастереомеры — стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отражениями. Цис-/транс-изомеры — диастереомеры.
• Мезосоединение имеет стереоцентры, но ахирально, потому что у него есть внутренняя плоскость симметрии.

Правило 2ⁿ и когда оно не работает

У каждого стереоэлемента два варианта, поэтому n элементов дают не более 2ⁿ стереоизомеров. Правило даёт точный ответ, только если у молекулы нет симметрии. Если две половины молекулы одинаковы, проверьте:

• Мезоформы: (2R,3S) в симметричной молекуле — то же самое, что (2S,3R), и является собственным зеркальным отражением.
• Одинаковые расположения: у гекса-2,4-диена (2E,4Z) — то же самое, что (2Z,4E), поэтому изомеров 3, а не 4.
• Псевдоасимметрические центры: в пентан-2,3,4-триоле C3 является стереоцентром, только если C2 и C4 имеют противоположные конфигурации. Он обозначается r или s. Всего 4, а не 8.

Быстрая формула для симметричных цепей с n стереоцентрами: если n чётное, число равно 2ⁿ⁻¹ + 2^(n/2 − 1); если нечётное — 2ⁿ⁻¹. Для винной кислоты (n = 2): 2 + 1 = 3.

Как пользоваться перечислителем стереоизомеров

1. Откройте перечислитель стереоизомеров.
2. Нарисуйте молекулу в редакторе или вставьте SMILES в поле и нажмите Enter. Можно также нажать пример, например Винная кислота, Глюкоза (открытая цепь) или Гекса-2,4-диен. Нажмите Найти стереоизомеры, чтобы запустить снова.
3. Посмотрите подсчёт: число стереоцентров и связей E/Z, предел 2ⁿ и реальное число.
4. Посмотрите группы: Enantiomer pairs (mirror images) (пары энантиомеров), Meso compounds (мезосоединения) и Achiral stereoisomers (cis/trans, E/Z) (ахиральные стереоизомеры). На каждом рисунке есть метки R/S и E/Z.
5. По таблице How each pair is related смотрите, какие пары — энантиомеры, а какие — диастереомеры.
6. Если в вашем SMILES некоторые центры заданы через @ или @@, подходящие изомеры отмечаются как your input. Нажмите Открыть в MolDraw под любой структурой, чтобы её отредактировать.

Инструмент перебирает все расположения и сравнивает их по каноническому коду с учётом стереохимии, поэтому никогда не считает одну и ту же молекулу дважды.

Разобранные примеры

1. Бутан-2-ол: 2

C2 несёт H, OH, CH₃ и CH₂CH₃. Один стереоцентр, 2¹ = 2: (R) и (S) — пара энантиомеров.

2. 2,3-Дибромбутан: 3

Два стереоцентра с одинаковыми группами. (2R,3R) и (2S,3S) — энантиомеры. У (2R,3S) есть плоскость симметрии: мезоформа. Всего 3.

3. 2,3-Дибромпентан: 4

Концы различаются (CH₃ и CH₂CH₃), поэтому мезоформа невозможна. 2² = 4: две пары энантиомеров.

4. Глюкоза в открытой форме: 16

C2, C3, C4 и C5 — стереоцентры, а концы (CHO и CH₂OH) различаются. 2⁴ = 16 альдогексоз: 8 D и 8 L. D-глюкоза — (2R,3S,4R,5R).

5. 1,2-Диметилциклогексан: 3

Цис-изомер имеет плоскость симметрии (мезо, (1R,2S)). Транс-изомер хирален: (1R,2R) и (1S,2S). Для сравнения, у 1,4-диметилциклогексана есть только цис и транс, и ни один не хирален.

Сводная таблица

Частые ошибки

• Давать 2ⁿ для симметричной молекулы, не проверив мезоформы.
• Забывать, что двойные связи E/Z входят в n.
• Считать стереогенной связь C=C в малом цикле или атом углерода CH₂ или C(CH₃)₂.
• Называть (2R,3S) и (2S,3R) двумя соединениями, когда молекула симметрична.
• Думать, что у всех диастереомеров есть стереоцентры. Цис- и транс-бут-2-ен — тоже диастереомеры.
• Считать атом азота амина стереоцентром. Он слишком быстро инвертируется.

Советы к экзамену

• ЕГЭ, JEE и NEET: в вопросах «общее число стереоизомеров» часто спрятана мезоформа или связь E/Z. Выпишите комбинации R/S и вычеркните повторы.
• AP и A-level: для оптических изомеров нужен хиральный центр; мезосоединение оптически неактивно, хотя имеет хиральные центры.
• Вузовская органическая химия: судите о хиральности по точечным группам: молекула с плоскостью симметрии (σ) или центром инверсии (i) ахиральна. Определитель точечной группы показывает эти элементы в 3D.
• У энантиомеров одинаковые температуры плавления и спектры ЯМР, у диастереомеров — нет. Поэтому диастереомеры можно разделить кристаллизацией или хроматографией.

Похожие инструменты и руководства

Связанные инструменты

Полезные руководства