Les isomères optiques ont-ils les composés suivants. Isomérie spatiale. Substances optiquement actives

Les isomères spatiaux (stéréoisomères) ont la même composition qualitative et quantitative et le même ordre de liaison des atomes (structure chimique), mais une disposition spatiale différente des atomes dans la molécule.

Il existe deux types d'isomérie spatiale : optique et géométrique.

Isomérie optique

En isomérie optique, différents fragments de molécules sont situés différemment par rapport à un certain atome, c'est-à-dire avoir différents configuration. Par exemple:

De telles molécules ne sont pas identiques, elles se réfèrent les unes aux autres en tant qu'objet et son image miroir et sont appelées énantiomères.

Les énantiomères ont des propriétés de chiralité. Le cas le plus simple de chiralité est dû à la présence dans la molécule centre de chiralité(centre chiral), qui peut être un atome contenant quatre substituants différents. Un tel atome manque d'éléments de symétrie. Pour cette raison, il est également appelé asymétrique.

Pour établir si une molécule est chirale, il faut construire son modèle, un modèle de son image miroir (Fig. 3.1 , une) et découvrez s'ils s'emboîtent dans l'espace. Si elles ne correspondent pas, la molécule est chirale (Fig. 3.1, b), si elles correspondent, elle est achirale.

Riz. 3.1.

Toutes les propriétés chimiques des énantiomères sont identiques. Leurs propriétés physiques sont également les mêmes, à l'exception de l'activité optique : une forme fait pivoter le plan de polarisation de la lumière vers la gauche, l'autre du même angle vers la droite.

Un mélange de quantités égales d'antipodes optiques se comporte comme un composé chimique individuel, dépourvu d'activité optique et très différent en propriétés physiques de chacun des antipodes. Une telle substance est appelée melange racemique, ou racémate.

Pour toutes les transformations chimiques dans lesquelles de nouveaux atomes de carbone asymétriques sont formés, des racémates sont toujours obtenus. Il existe des méthodes spéciales pour séparer les racémates en antipodes optiquement actifs.

Dans le cas de la présence de plusieurs atomes asymétriques dans une molécule, une situation est possible où les isomères spatiaux ne sont pas des antipodes optiques. Par exemple:

Les isomères spatiaux qui ne sont pas des énantiomères les uns par rapport aux autres sont appelés diastéréomères.

Un cas particulier de diastéréoisomères est géométrique (cistrais-) isomères.

Isomérie géométrique

Isomérie géométrique (cis-trans) est caractéristique des composés contenant des doubles liaisons (C = C, C = N, etc.), ainsi que des composés cycliques non aromatiques et est due à l'impossibilité de libre rotation des atomes autour d'une double liaison ou dans un cycle. Les substituants dans les isomères géométriques peuvent être situés d'un côté du plan de la double liaison ou du cycle - position ^ wc, ou sur les côtés opposés - position thirsch / c (Fig. 3.2).

Riz. 3.2. Dis isomère (a) ettranse-isomère(b)

Les isomères géométriques diffèrent généralement de manière significative par leurs propriétés physiques (points d'ébullition et de fusion, solubilité, moments dipolaires, stabilité thermodynamique, etc.)

Le terme "chiralité" signifie que deux objets sont en relation l'un avec l'autre, comme les mains gauche et droite (du grec. Chaise - main), c'est-à-dire. sont des images miroir qui ne correspondent pas lorsque l'on essaie de les combiner dans l'espace.

Le contenu de l'article

ISOMERIE OPTIQUE."Quand une molécule regarde dans un miroir" était le titre inhabituel d'un article publié dans le numéro de juin 1996 de l'American Journal of Chemical Education. Et sur la première page de la couverture de ce numéro, il y avait aussi un dessin inhabituel. Du côté du chien, remuant la queue avec bonhomie, se trouvait la formule structurelle de la pénicillamine. Le chien s'est regardé dans le miroir, et de là, une terrible bête avec une gueule à crocs dénudée et des cheveux dressés le regardait. Du côté de la bête, la même formule structurelle était représentée comme une image miroir de la première. Pourquoi alors une même substance a-t-elle des apparences si différentes ? Cela s'explique par la propriété particulière de certains composés chimiques, qui est étroitement liée à leur activité optique.

Polarisation de la lumière et activité optique.

Au début du 19ème siècle. Le physicien, astronome et médecin anglais Thomas Jung a montré que la lumière peut être considérée comme une onde. Le physicien français Augustin Fresnel a établi que les ondes lumineuses sont transversales : les vibrations en elles se produisent perpendiculairement à la direction du mouvement (comme les vagues à la surface de l'eau : l'onde avance et le flotteur sur l'eau vibre de haut en bas). Déjà au 20ème siècle. il a été constaté que la lumière est une onde électromagnétique, comme une onde radio, seule la longueur d'onde de la lumière est beaucoup plus courte. Le terme « électromagnétique » signifie que la lumière a des champs électriques et magnétiques qui oscillent périodiquement, comme des vagues à la surface de la mer. Nous ne nous intéressons plus qu'aux oscillations du champ électrique. Il s'avère que ces vibrations ne se produisent pas de manière aléatoire, mais uniquement perpendiculairement à la direction du faisceau lumineux. Dans la lumière ordinaire (elle est émise, par exemple, par le soleil, les lampes à incandescence) les vibrations se produisent de manière aléatoire, dans toutes les directions. Mais, après avoir traversé certains cristaux, par exemple la tourmaline ou le spath islandais (une variété transparente de calcite CaCO 3 ), la lumière acquiert des propriétés particulières : le cristal, pour ainsi dire, « coupe » toutes les oscillations du champ électrique, sauf pour celui situé dans un certain plan. Au sens figuré, un faisceau d'une telle lumière est comme un fil de laine, qui a été tiré à travers un espace étroit entre deux lames de rasoir tranchantes.

Le physicien français Etienne Louis Malus croyait que la lumière est constituée de particules à deux pôles - "nord" et "sud", et dans la lumière qui a traversé le longeron islandais, tous les pôles sont tournés dans la même direction. Par conséquent, il a appelé cette lumière polarisée. Il a été constaté que la lumière est partiellement polarisée, se reflétant sous certains angles à partir des surfaces brillantes des diélectriques, par exemple du verre, ou y est réfractée. La théorie de Malus n'a pas été confirmée, mais le nom est resté. L'œil humain ne peut pas distinguer la lumière ordinaire de la lumière polarisée, mais cela est facile à faire à l'aide des dispositifs optiques les plus simples - les polarimètres; Ils sont utilisés, par exemple, par les photographes : les filtres polarisants aident à éliminer l'éblouissement sur la photographie, qui se produit lorsque la lumière se réfléchit à la surface de l'eau.

Il s'est avéré que lorsque la lumière polarisée traverse certaines substances, un phénomène intéressant se produit: le plan dans lequel se trouvent les "flèches" du champ électrique oscillant tourne progressivement autour de l'axe le long duquel le faisceau se déplace. Ce phénomène a été découvert pour la première fois en 1811 par le physicien français François Dominique Arago dans des cristaux de quartz. Les cristaux de quartz naturels ont une structure irrégulière et asymétrique, et ils sont de deux types, qui diffèrent par leur forme, comme un objet de son image miroir. Ces cristaux font tourner le plan de polarisation de la lumière dans des directions opposées ; on les appelait droit et lévogyrat.

En 1815, un autre physicien français Jean Baptiste Biot et le physicien allemand Thomas Seebeck ont établi que certaines substances organiques (par exemple, le sucre ou la térébenthine) ont également cette propriété, et pas seulement à l'état cristallin, mais aussi à l'état liquide, dissous et même gazeux. Etat. Il a donc été prouvé que l'activité optique peut être associée non seulement à l'asymétrie des cristaux, mais aussi à une propriété inconnue des molécules elles-mêmes. Il s'est avéré que, comme dans le cas des cristaux, certains composés chimiques peuvent exister sous la forme de variétés droites et lévogyres, et l'analyse chimique la plus minutieuse ne révèle aucune différence entre eux ! En fait, il s'agissait d'un nouveau type d'isomérie, appelé isomérie optique. Il s'est avéré qu'en plus du droit et du lévogyrate, il existe un troisième type d'isomères - optiquement inactifs. Ceci a été découvert en 1830 par le célèbre chimiste allemand Jones Jakob Berzelius en utilisant l'exemple de l'acide (dihydroxy succinique) de raisin HOOC – CH (OH) –CH (OH) –COOH : cet acide est optiquement inactif, et l'acide tartrique est exactement le même. composition a une rotation droite en solution. Plus tard, a été découvert et non trouvé dans la nature l'acide tartrique "gauche" - l'antipode du dextrogyre.

Il est possible de distinguer les isomères optiques à l'aide d'un polarimètre, appareil qui mesure l'angle de rotation du plan de polarisation. Pour les solutions, cet angle dépend linéairement de l'épaisseur de la couche et de la concentration de la substance optiquement active (loi de Biot). Pour différentes substances, l'activité optique peut varier sur une très large plage. Ainsi, dans le cas de solutions aqueuses de différents acides aminés à 25°C, l'activité spécifique (elle est notée D et est mesurée pour la lumière avec une longueur d'onde de 589 nm à une concentration de 1 g/ml et une épaisseur de couche de 10 cm) soit –232° pour la cystine, –86, 2° pour la proline, –11,0° pour la leucine, + 1,8° pour l'alanine, + 13,5° pour la lysine, et + 33,2° pour l'asparagine. Les polarimètres modernes permettent de mesurer la rotation optique avec une très grande précision (jusqu'à 0,001°). De telles mesures permettent de déterminer rapidement et avec précision la concentration de substances optiquement actives, par exemple la teneur en sucre des solutions à toutes les étapes de sa production - des produits bruts à la solution concentrée et à la mélasse.

Découverte de Pasteur.

Les physiciens ont associé l'activité optique des cristaux à leur asymétrie ; des cristaux complètement symétriques, par exemple des cristaux cubiques de chlorure de sodium, sont optiquement inactifs. La raison de l'activité optique des molécules est restée longtemps complètement mystérieuse. La première découverte qui a fait la lumière sur ce phénomène a été faite en 1848 par Louis Pasteur alors inconnu. Alors qu'il était encore étudiant, Pasteur s'intéressait à la chimie et à la cristallographie, travaillant sous la direction du physicien Jean-Baptiste Bio et de l'éminent chimiste français Jean Baptiste Dumas. Diplômé de l'Ecole Normale Supérieure de Paris, le jeune Pasteur (il n'a que 26 ans) travaille comme laborantin pour Antoine Balard. Balar était déjà un célèbre chimiste qui, 22 ans plus tôt, était devenu célèbre pour la découverte d'un nouvel élément - le brome. Il donna à son assistant un sujet de cristallographie, sans suggérer que cela conduirait à une découverte exceptionnelle.

Au cours de ses recherches, Pasteur a obtenu le sel de sodium acide de l'acide tartrique C 4 H 5 O 6 Na, a saturé la solution en ammoniac et par lente évaporation de l'eau a obtenu de beaux cristaux prismatiques du sel de sodium-ammonium C 4 H 3 O 6 NaNH 4. Ces cristaux se sont avérés asymétriques, certains d'entre eux étaient pour ainsi dire une image miroir des autres: la moitié des cristaux avaient une face caractéristique à droite, tandis que d'autres - à gauche. Armé d'une loupe et d'une pince à épiler, Pasteur a divisé les cristaux en deux piles. Leurs solutions, comme prévu, avaient une rotation optique opposée. Pasteur ne s'est pas arrêté là. De chaque solution, il a isolé l'acide d'origine (qui était inactif). Imaginez sa surprise lorsqu'il s'est avéré qu'une solution est le bien connu acide tartrique dextrogyre, et l'autre est le même acide, mais tournant vers la gauche !

Les souvenirs de témoins oculaires témoignent de l'incroyable excitation nerveuse du jeune scientifique, qui le saisit à ce moment-là ; réalisant ce qu'il avait réussi à faire, Pasteur sortit en courant du laboratoire et, rencontrant un laborantin dans la salle de physique, se précipita vers lui et, l'embrassant, s'écria : « Je viens de faire une grande découverte ! Et cela consistait dans le fait que l'acide tartrique inactif connu depuis longtemps est simplement un mélange de quantités égales de l'acide tartrique "droit" également connu et de l'acide "gauche" jusqu'alors inconnu. C'est pourquoi le mélange n'est pas optiquement actif. Pour un tel mélange, ils ont commencé à utiliser le nom de racémate (du latin racemus - raisins). Et les deux antipodes de l'acide tartrique obtenus par Pasteur étaient appelés énantiomères (du grec enantios - le contraire). Pasteur a introduit pour eux les isomères L et D (des mots latins laevus - gauche et dextre - droite). Plus tard, le chimiste allemand Emil Fischer a associé ces désignations à la structure de deux énantiomères de l'une des substances optiquement actives les plus simples - l'aldéhyde glycérolique OHCH 2 -CH (OH) -CHO. En 1956, à la suggestion des chimistes anglais Robert Kahn et Christopher Ingold et du chimiste suisse Vladimir Prelog, les désignations S (du latin sinistre - gauche) et R (latin rectus - droite) furent introduites pour les isomères optiques ; le racémate est désigné par le symbole RS. Cependant, traditionnellement, les anciennes désignations sont également largement utilisées (par exemple, pour les glucides, les acides aminés). Il est à noter que ces lettres n'indiquent que la structure de la molécule (arrangement "à droite" ou "à gauche" de certains groupements chimiques) et ne sont pas associées au sens de rotation optique ; ce dernier est indiqué par des signes plus et moins, par exemple, D (-) - fructose, D (+) - glucose.

En plus de la "méthode manuelle", Pasteur a découvert deux autres méthodes pour séparer le racémate en deux antipodes. La méthode biochimique est basée sur la capacité sélective de certains micro-organismes à assimiler un seul des isomères. Par exemple, la moisissure fongique Penicillum glaucum poussant sur des solutions diluées d'acide tartrique ou de ses sels, "ne mange" que l'isomère droit, laissant le gauche inchangé.

La troisième méthode de séparation des racémates était purement chimique. Mais pour lui, il était nécessaire de disposer au préalable d'une substance optiquement active qui, en interagissant avec un mélange racémique, n'en "sélectionnerait" qu'un seul énantiomère. Par exemple, une base organique optiquement active formée avec de l'acide tartrique, un sel optiquement actif à partir duquel l'énantiomère correspondant de l'acide tartrique pourrait être isolé.

Théorie de l'isomérie optique.

Les travaux de Pasteur, prouvant la possibilité de « scinder » un composé optiquement inactif en antipodes - énantiomères, ont d'abord suscité la méfiance de nombreux chimistes. Même Bio lui-même n'a pas cru son assistant jusqu'à ce qu'il répète personnellement son expérience et soit convaincu que Pasteur avait raison. Ce travail et les suivants de Pasteur ont attiré l'attention des chimistes. Bientôt, Joseph Le Bel, utilisant la troisième méthode Pasteur, divise plusieurs alcools en antipodes optiquement actifs. Johann Wislicenus a établi qu'il existe deux acides lactiques : optiquement inactif, formé dans le lait aigre (acide lactique de fermentation), et dextrogyre, qui apparaît dans un muscle en activité (acide lactique). Il y avait de plus en plus d'exemples de ce genre, et une théorie était nécessaire pour expliquer comment les molécules d'antipode diffèrent les unes des autres. Cette théorie a été créée par le jeune scientifique néerlandais Van't Hoff. Selon cette théorie, les molécules, comme les cristaux, peuvent être « droitières » et « gauchers », étant des images miroir les unes des autres. L'exemple le plus simple était celui-ci. L'atome de carbone dans les composés organiques est tétravalent; quatre liaisons chimiques en sont dirigées à des angles égaux par rapport aux sommets du tétraèdre. Si tous les atomes ou groupes d'atomes situés aux sommets du tétraèdre et associés à l'atome de carbone central sont différents, alors deux structures différentes sont possibles qui ne sont pas alignées entre elles par rotation dans l'espace. Si au moins deux des quatre substituants sont les mêmes, les molécules deviendront complètement identiques (cela peut être facilement vérifié à l'aide d'un modèle d'allumettes et de pâte à modeler colorée). De telles structures, qui diffèrent les unes des autres comme la main droite de la gauche, sont appelées chirales (du grec héritier - main). Ainsi, l'activité optique est une conséquence de l'isomérie spatiale (stéréo-isomérie) des molécules.

Un atome de carbone lié à quatre substituants différents est appelé asymétrique. Les atomes d'autres éléments - silicium, azote, phosphore, soufre - peuvent également être asymétriques. Cependant, les composés sans atomes de carbone asymétriques peuvent également être optiquement actifs s'ils peuvent exister sous la forme de deux isomères miroirs. Une molécule sera asymétrique si elle ne contient aucun élément de symétrie - pas de centre, pas d'axe, pas de plan de symétrie. Un exemple est la molécule d'allène H 2 C = C = CH 2, dans laquelle il y a deux substituants différents : R 1 R 2 C = C = CR 1 R 2. Le fait est que ces substituants ne sont pas dans le même plan (comme, par exemple, dans les alcènes), mais dans deux plans mutuellement perpendiculaires. Par conséquent, l'existence de deux isomères miroirs est possible, qui ne peuvent pas être combinés entre eux par des déplacements et des rotations.

Des relations plus complexes sont trouvées dans le cas de molécules avec plusieurs atomes de carbone asymétriques. Par exemple, dans l'acide tartrique, deux groupes hydroxyle à deux atomes de carbone adjacents peuvent être disposés de sorte que la molécule soit symétrique et n'ait pas d'isomères miroir. Cela conduit à la formation d'un autre isomère optiquement inactif, appelé acide mésotartrique (ou antitartrique). Ainsi, l'acide dihydroxy succinique peut se présenter sous la forme de quatre isomères : dextrogyre (acide D-tartrique, qui est appelé acide tartrique en médecine), lévogyre (acide L-tartrique), optiquement inactif (acide méso-tartrique), et également en sous la forme d'un mélange d'isomères L et R, c'est-à-dire le racémate (i-tartrique ou acide tartrique). Les acides tartriques optiquement actifs, lors d'un chauffage prolongé de leurs solutions aqueuses, racémisent, se transformant en un mélange d'antipodes.

La situation est encore plus compliquée lorsque la molécule a de nombreux centres asymétriques. Par exemple, il y en a quatre dans une molécule de glucose. Il est donc théoriquement possible qu'il existe 16 stéréoisomères, qui forment 8 paires d'antipodes miroirs. Ils sont connus depuis longtemps des chimistes ; c'est le glucose lui-même, ainsi que l'allose, l'altrose, le mannose, le gulose, l'idose, le galactose et le talose. Beaucoup d'entre eux sont d'origine naturelle, comme le D-glucose (mais pas le L-glucose, qui a été produit synthétiquement).

S'il y a des parties égales de molécules « droite » et « gauche » dans une substance, elle sera optiquement inactive. Ce sont ces substances qui sont obtenues dans un flacon à la suite de la synthèse chimique conventionnelle. Et seulement dans les organismes vivants, avec la participation d'agents asymétriques (par exemple, des enzymes) des composés optiquement actifs se forment. Bien sûr, la question s'est immédiatement posée de savoir comment de tels composés sont apparus sur Terre, par exemple, le même acide tartrique dextrogyre naturel, ou des micro-organismes "asymétriques" se nourrissant d'un seul des énantiomères. En effet, en l'absence de l'homme, il n'y avait personne pour effectuer la synthèse dirigée des substances optiquement actives, il n'y avait personne pour diviser les cristaux en droite et gauche ! Cependant, ces questions se sont avérées si complexes qu'il n'y a toujours pas de réponse. Par exemple, personne ne sait pourquoi presque tous les acides aminés naturels à partir desquels les protéines sont construites appartiennent à la rangée L (configuration S), et leurs antipodes ne se trouvent qu'occasionnellement dans certains antibiotiques.

La théorie de Van't Hoff n'a pas été immédiatement reconnue. Ainsi, l'éminent chimiste expérimental allemand Adolf Kolbe (plusieurs réactions organiques portent son nom) publia un article cinglant en mai 1877, dans lequel il critiquait vivement la nouvelle théorie. Heureusement, Kolbe était clairement minoritaire et la théorie de Van't Hoff, qui a jeté les bases de la stéréochimie moderne, a été largement reconnue et son créateur en 1901 est devenu le premier lauréat du prix Nobel de chimie.

Cette théorie a permis d'expliquer de nombreux phénomènes chimiques. Par exemple, dans les réactions de substitution d'atomes d'halogène pour les groupes hydroxyle : dans les halogénures d'alkyle optiquement actifs R – X + OH - ® R – OH + X - (X est un atome d'halogène), dans certains cas l'activité optique disparaît, dans d'autres il est conservé, mais change de signe. Il s'est avéré que cette réaction peut se dérouler de différentes manières. Le premier mécanisme implique la dissociation de l'halogénure avec la formation d'ions intermédiaires R +, qui se combinent rapidement avec les anions OH -, donnant le produit de réaction, l'alcool. Si l'halogénure R-X initial avait une activité optique, il est perdu à la suite de cette réaction, car l'hydroxyle peut approcher le cation planaire intermédiaire de chaque côté, de sorte qu'un mélange d'énantiomères se forme. Si la réaction se déroule selon le deuxième mécanisme, l'anion OH- se rapproche de l'atome de carbone du côté opposé à la liaison C-X et « déplace » l'atome d'halogène sous la forme d'un anion. Si l'halogénure initial R 1 R 2 R 3 C – X avait une activité optique, il est retenu à la suite de cette réaction, mais le signe de la rotation optique est inversé. Cela se produit parce que trois substituants sur l'atome de carbone asymétrique R 1, R 2 et R 3, qui, comme l'atome d'halogène, sont aux sommets du tétraèdre, à l'approche de l'agent d'attaque, l'hydroxyle, changent de configuration par rapport au quatrième substituant ; un tel changement de configuration est analogue à l'inversion d'un parapluie par vent fort.

Isomérie optique et vie.

Les chimistes se réfèrent souvent aux énantiomères comme à un seul composé car leurs propriétés chimiques sont identiques. Cependant, leur activité biologique peut être complètement différente. Cela est devenu évident après l'histoire tragique de la thalidomide, une drogue qui date des années 60 du 20e siècle. les médecins de nombreux pays ont prescrit aux femmes enceintes un somnifère et un sédatif efficaces. Cependant, au fil du temps, son terrible effet secondaire s'est manifesté: la substance s'est avérée tératogène (endommageant l'embryon, du grec teratos - monstre, monstre), et de nombreux bébés atteints de malformations congénitales sont nés. Ce n'est qu'à la fin des années 1980 qu'il est devenu évident qu'un seul des énantiomères de la thalidomide, sa forme dextrogyre, était à l'origine des malheurs. Malheureusement, une telle différence dans l'action des formes posologiques n'était pas connue auparavant, et la thalidomide était un mélange racémique des deux antipodes.

Actuellement, de nombreux médicaments sont disponibles sous forme de composés optiquement purs. Ainsi, sur les 25 médicaments les plus courants aux États-Unis, seuls six sont des composés non chiraux, trois sont des racémates et les autres sont des énantiomères purs. Ces derniers sont obtenus par trois méthodes : séparation de mélanges racémiques, modification de composés naturels optiquement actifs (ceux-ci incluent les glucides, les acides aminés, les terpènes, les acides lactique et tartrique, etc.) et la synthèse directe. Par exemple, la société chimique bien connue Merck a mis au point un procédé pour la production du médicament antihypertenseur méthyldopa, qui implique la cristallisation spontanée uniquement de l'énantiomère souhaité en introduisant une petite graine de cet isomère dans la solution. La synthèse directe nécessite également des sources chirales, car toute autre méthode de synthèse conventionnelle donne les deux énantiomères en proportions égales - le racémate. C'est d'ailleurs l'une des raisons du coût très élevé de certains médicaments, car la synthèse ciblée d'un seul d'entre eux est une tâche très difficile. Par conséquent, il n'est pas surprenant que sur plus de 500 préparations chirales synthétiques produites dans le monde, seul un dixième environ soit optiquement pur. Parallèlement, sur 517 préparations obtenues à partir de matières premières naturelles, seules huit sont des racémates.

Le besoin d'énantiomères optiquement purs s'explique par le fait que souvent un seul d'entre eux a l'effet thérapeutique recherché, tandis que le deuxième antipode peut provoquer des effets secondaires indésirables voire être toxique. Il arrive aussi que chaque énantiomère ait sa propre action spécifique. Ainsi, la S (-) - thyroxine ("lévotroïde") est une hormone thyroïdienne naturelle. Et le R dextrogyre (+) - thyroxine ("dextroïde") abaisse le cholestérol sanguin. Certains fabricants proposent des noms commerciaux pour de tels cas, des palindromes, par exemple, Darvon et Novrad.

Qu'est-ce qui explique l'action différente des énantiomères ? L'homme est un être chiral. Son corps et les molécules de substances biologiquement actives qui le composent sont asymétriques. Les molécules chirales de médicament interagissant avec certains centres chiraux du corps, tels que les enzymes, peuvent agir différemment selon l'énantiomère du médicament. Le « bon » médicament s'approche de son récepteur comme la clé d'un verrou et déclenche la réaction biochimique souhaitée. L'action du "mauvais" antipode peut être assimilée à une tentative de serrer la main droite de son invité avec sa main droite.

Si le médicament est un racémate, l'un des énantiomères peut au mieux être indifférent, au pire provoquer un effet totalement indésirable. Voici quelques exemples. Ainsi, l'agent antiarythmique S (-) - anapriline agit 100 fois plus fort que la forme R (+) - ! Dans le cas du vérapamil, les deux énantiomères ont un effet similaire, mais sa forme R (+) - a un effet secondaire cardiodépresseur significativement moins puissant. Utilisée pour l'anesthésie, la kétamine peut provoquer des effets secondaires chez 50 % des patients sous forme d'agitation, de délire, etc., et cela n'est principalement inhérent qu'à l'isomère R (-), ainsi qu'au racémate. , le lévamisole est actif principalement dans S ( -) est un isomère, tandis que son antipode R (+) - provoque des nausées, de sorte qu'à un moment donné, le lévamisole racémique a été remplacé par l'un des énantiomères. Mais il s'avère que cela n'a pas toujours de sens économique de synthétiser des isomères purs. Par exemple, pour l'ibuprofène analgésique largement utilisé sous l'action d'enzymes, il est possible d'isomériser la forme thérapeutiquement inactive R (-) - en l'isomère S (+) - actif ; par conséquent, dans ce cas, un racémate beaucoup moins cher peut être utilisé.

L'effet biologique différent des isomères "droit" et "gauche" se manifeste non seulement parmi les médicaments, mais dans tous les cas lorsqu'un composé chiral interagit avec des organismes vivants. Un exemple frappant est l'acide aminé isoleucine : son isomère dextrogyre est doux, et l'isomère lévogyre est amer. Un autre exemple. La carvone est une substance à l'arôme très fort (le nez humain peut la sentir quand elle ne contient que 17 millionièmes de milligramme par litre dans l'air). La carvone est isolée des graines de carvi, dont l'huile en contient environ 60%. Cependant, on trouve exactement le même composé avec la même structure dans l'huile de menthe verte - là-bas, sa teneur atteint 70%. Tout le monde s'accorde à dire que l'odeur de menthe et de cumin n'est pas du tout la même. Il s'est avéré qu'en fait, il y avait deux carvons - "à droite" et "à gauche". La différence d'odeur de ces composés indique que les cellules réceptrices du nez responsables de l'odorat doivent également être chirales.

Revenons maintenant à la formule représentée sur le chien et le loup. La pénicillamine (3,3-diméthylcystéine) est un dérivé assez simple de l'acide aminé cystéine. Cette substance est utilisée pour les intoxications aiguës et chroniques au cuivre, au mercure, au plomb et à d'autres métaux lourds, car elle a la capacité de donner de forts complexes avec les ions de ces métaux; les complexes résultants sont éliminés par les reins. La pénicillamine est également utilisée pour diverses formes de polyarthrite rhumatoïde, pour la sclérodermie systémique et dans un certain nombre d'autres cas. Dans ce cas, seule la forme S du médicament est utilisée, car l'isomère R est toxique et peut conduire à la cécité.

Ilya Leenson

L'activité optique d'une substance est comprise comme sa capacité à dévier le plan d'un faisceau lumineux polarisé vers la droite ou la gauche selon un certain angle.

Le phénomène d'activité optique a été découvert en 1815 par le physicien J.B. Bio (France).

En 1848, Louis Pasteur, alors qu'il étudiait des cristaux d'acide tartrique, remarqua qu'il existait du tartrate de Na-ammonium optiquement inactif sous la forme de deux types de cristaux, qui étaient des images miroir l'un de l'autre. Pasteur a divisé les cristaux pour droitiers et gauchers. Leurs solutions aqueuses se sont révélées optiquement actives. La rotation spécifique des deux solutions était la même en grandeur, mais différente en signe. Étant donné que différentes rotations optiques ont été observées pour les solutions, Pasteur a conclu que cette propriété caractérise les molécules, et non les cristaux, et a suggéré que les molécules de ces substances sont des images miroir les unes des autres. Cette hypothèse a formé la base de la stéréochimie, qui étudie la structure spatiale des molécules et son influence sur les propriétés chimiques et physiques des substances.

La première théorie stéréochimique expliquant les raisons de l'activité optique des substances a été créée en 1874 par deux scientifiques simultanément - le chimiste néerlandais J.H. Van't Hoff et le Français J. Le Bel. La base de cette théorie était le concept d'un modèle tétraédrique de l'atome de carbone, c'est-à-dire les quatre valences d'un atome de carbone ne se trouvent pas dans le même plan, mais sont dirigées vers les coins du tétraèdre.

Il a été constaté que le plus souvent l'activité optique est due à la présence dans la molécule atome de carbone asymétrique, c'est à dire. C-atome, dont toutes les valences, dirigées vers les coins du tétraèdre, sont remplies de différents atomes ou groupes d'atomes (radicaux ou substituants). Les atomes C asymétriques en chimie désignent *. Par exemple:

acide malique glycéraldéhyde

Le phénomène d'activité optique est associé à la présence d'isomères optiques - des substances qui ont le même ordre de liaisons entre les atomes d'une molécule, mais leur disposition spatiale différente. En termes de structure spatiale, les isomères optiques sont comme des images miroir les uns des autres, c'est-à-dire miroirs antipodes ou énantiomères. Les énantiomères se réfèrent les uns aux autres comme main droite et main gauche. Toutes les constantes des énantiomères, à l'exception de la rotation spécifique (α), sont les mêmes.

Deux formes d'une substance aux conformations opposées au miroir font tourner un faisceau lumineux polarisé dans des directions opposées : (+) - vers la droite, (-) - vers la gauche du même angle, sont appelées antipodes optiques ou énantiomères.

La méthode de désignation conventionnelle actuellement généralement acceptée a été proposée pour la première fois par E. Fisher (1891), puis quelque peu modifiée par M.A. Rozanov (1906) et discuté en détail par Hudson (1949). L'aldéhyde glycérique est utilisé comme standard :

D (+) - glycérine L (-) - glycérine

aldéhyde aldéhyde

Cependant, il s'est avéré qu'appartenir au type de configuration D (d) -ou L (l) -ne signifie pas toujours que le sens de rotation va (+) vers la droite ou (-) vers la gauche. Il est possible que D soit une conformation et fasse pivoter le plan du faisceau polarisé vers la gauche (-), ou que L soit une conformation et tourne vers la droite (+). Par conséquent, les désignations de lettres D (d) ou L (l) déterminent l'orientation spatiale des atomes ou des groupes atomiques autour d'un atome C asymétrique, et les signes (+) - rotation à droite, (-) - rotation à gauche.

Un mélange de formes (+) et (-) (et dans la plupart des cas, il s'agit d'un mélange de formes D et L) dans un rapport 1: 1 est appelé racémate ou mélange racémique. Il est optiquement inactif (±). S'il y a plusieurs atomes C asymétriques dans un composé organique, le nombre d'isomères optiques est déterminé par la formule :

où N est le nombre d'isomères optiques ;

n est le nombre d'atomes C asymétriques.

Isomérie de l'acide lactique

D (-) - acide lactique L (+) - acide lactique

(Formé dans les muscles lors d'un travail intense) (Formé lorsque le lait aigre)

Isomérie de l'acide tartrique

Acide mésotartrique L (-) - tartrique D (+) - acide tartrique

Dans les formes méso, une moitié de la molécule a une configuration (+), l'autre configuration (-) (par exemple, l'acide méso-tartrique). Du fait de la "compensation interne" du signe de rotation, les méso-formes sont optiquement inactives et, contrairement aux racémates, elles ne peuvent pas être divisées en énantiomères.

La valeur de l'isomérie optique

Chaque substance optiquement active, lorsqu'elle est examinée dans certaines conditions, fait tourner le plan de polarisation d'un certain angle, dont la valeur est constante et caractéristique pour la substance donnée, c'est-à-dire la même constante que le point de fusion, le point d'ébullition d'une substance, la densité, etc. La constante caractérisant l'activité optique d'une substance est appelée rotation spécifique. Ainsi, en déterminant la rotation spécifique, l'authenticité de la substance peut être déterminée.

L'isomérie optique est d'une grande importance biologique. Les enzymes qui catalysent les réactions biochimiques dans les organismes vivants ont une spécificité optique, c'est-à-dire ils n'agissent que sur certains isomères optiques (par exemple, les D-monosaccharides, les L-aminoacides, etc.). Les enzymes n'agissent pas sur les antipodes optiques de ces substances ; ne les impliquez pas dans le métabolisme. En s'accumulant dans les tissus, ces isomères peuvent provoquer des processus pathologiques.

Elle se manifeste dans les cas où les isomères d'un même composé, en relation avec une disposition différente des substituants à un certain centre, pas compatible dans l'espace... Pour les dérivés de la série aliphatique, l'isomérie est associée aux caractéristiques stéréochimiques de l'atome de carbone hybride sp3.

Même Le-Bel à la fin du XVIIIe siècle a suggéré la structure tétraédrique de l'atome de carbone. Dans le cas où un atome de carbone est connecté avec quatre différents substituants, il devient possible l'existence de 2 isomères, qui sont des images miroir l'un de l'autre.

Un atome de carbone ayant tous les différents substituants est appelé asymétrique ou chiral centre ("hiros" - main).

Prenons l'exemple des formules prometteuses :

Les stéréoisomères I et II sont incompatibles dans l'espace, sont des antipodes ou des isomères optiques ( énantiomères, stéréomères).

Formules de projection de Fisher

Envisagez des formules prometteuses dans un autre plan.

Placer le centre asymétrique (atome de carbone) dans le plan de la feuille ; suppléants une et b derrière le plan de la feuille ( de observateur); suppléants F et ré au-dessus du plan de la feuille ( plus proche de observateur) - conformément aux flèches indiquant la direction du regard de l'observateur. On obtient une direction mutuellement perpendiculaire des liaisons avec le centre chiral. Une telle construction d'isomères est appelée formules de projection de Fisher.

Ainsi, dans les formules de projection de Fischer, les substituants situés horizontalement sont dirigés vers l'observateur, et verticalement - au-delà du plan de la feuille.

Lors de la construction des formules de projection, les substituants les plus volumineux sont placés verticalement. Si les substituants sont des atomes ou de petits groupes qui ne sont pas liés à la chaîne principale, ils sont alors disposés horizontalement. Pour le 2-bromobutane

il y en a deux antipode :

Les énantiomères, antipodes, stéréomères sont pratiquement indiscernables dans leurs propriétés (point d'ébullition, point de fusion, etc.), et ont également des constantes thermodynamiques similaires. En même temps, ils ont des différences:

4) - les antipodes solides se cristallisent avec formation de cristaux miroitants entre eux, mais incompatibles dans l'espace.

5) - les antipodes font tourner le plan de la lumière polarisée sous le même angle, mais dans des directions différentes. Si l'angle de rotation de la lumière est positif (sens horaire), alors l'antipode est dit dextrogyre, s'il est négatif (sens antihoraire), alors il est dit lévogyre.

L'angle de rotation optique de la lumière à polarisation plane est noté [ D]. Si [ D] = -31,2°, l'antipode lévogyre a été étudié.

Appareil polarimètre

Les substances qui peuvent faire tourner le plan de la lumière polarisée sont appelées optiquement actives ou optiquement actives.

Un mélange de deux énantiomères dans un rapport 1: 1 ne fait pas tourner le plan de la lumière polarisée et s'appelle un mélange racémique, un racémate.

Si un antipode prévaut dans le mélange sur un autre, alors on parle de sa pureté optique (ee). Elle est calculée à partir de la différence de teneur en énantiomères dans le mélange.

II - 30 %, ee = 70 - 30 = 40 (%)

Amines secondaires et tertiaires peut également être optiquement actif. Le quatrième substituant est la seule paire d'électrons sur l'atome d'azote.

5.4.1 Diastéréomères

La diastéréométrie est un phénomène qui a un effet plus important sur les propriétés des substances et est observé dans les cas où il y a deux ou plusieurs centres asymétriques dans le composé. Par exemple:

4-chloropentanol-2

Représentons tous les antipodes possibles (I-IV) pour la connexion :

Les isomères optiques (stéréoisomères) du même composé qui ne sont pas des antipodes sont appelés diastéréoisomères. C'est-à-dire que les paires d'isomères I et III, I et IV, II et III, II et IV sont des paires diastéréoisomères. Le nombre d'isomères est calculé par la formule : q = 2 n, où

q est le nombre total de stéréoisomères,

n est le nombre de centres asymétriques (C*).

Par exemple, le glucose a 4 centres chiraux, alors q = 2 4 = 16 (D-glucose - 8 isomères, L-glucose - 8 isomères).

D-glucose

Dans la nature, il existe des cas où les atomes asymétriques d'un composé ont le même environnement. Cela conduit au fait que la moitié des antipodes ne sont pas optiquement actifs.

acide de vin

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mésoforme

La mésoforme est une forme optiquement inactive résultant de la symétrie interne d'une substance optiquement active.

Contrairement aux antipodes, les diastéréoisomères diffèrent par le point d'ébullition, la densité (d 4 20), l'indice de réfraction (n 4 20), etc.

introduit le terme ISOMERIE et a suggéré que les différences proviennent de "la distribution différente des atomes simples dans un atome complexe" (c'est-à-dire une molécule). L'isomérie n'a reçu une véritable explication que dans la seconde moitié du XIXe siècle. basé sur la théorie de la structure chimique de A.M.Butlerov (isomérie structurelle) et la stéréochimie de Ya. G. Van't Hoff (isomérie spatiale).

Isomérie structurelle

L'isomérie structurelle est le résultat de différences de structure chimique. Ce type comprend :

Isomérie de la chaîne hydrocarbonée (squelette carboné)

Isomérie du squelette carboné, due à l'ordre de liaison différent des atomes de carbone. L'exemple le plus simple est le butane CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 et l'isobutane (CH 3 ) 3 CH. Dr. exemples : anthracène et phénanthrène (formules I et II, respectivement), cyclobutane et méthylcyclopropane (III et IV).

Isomérie de Valence

Isomérie de valence (un type particulier d'isomérie structurelle), dans laquelle les isomères ne peuvent se transformer les uns en les autres que grâce à la redistribution des liaisons. Par exemple, les isomères de valence du benzène (V) sont le bicyclohexa-2,5-diène (VI, "Dewar benzène"), le Prisman (VII, "Ladenburg benzene"), le benzvalène (VIII).

Isomérie de groupe fonctionnel

Diffère dans la nature du groupe fonctionnel. Exemple : éthanol (CH 3 -CH 2 -OH) et éther diméthylique (CH 3 -O-CH 3)

Isomérie de position

Un type d'isomérie structurelle caractérisée par une différence de position des mêmes groupes fonctionnels ou des doubles liaisons avec le même squelette carboné. Exemple : acide 2-chlorobutanoïque et acide 4-chlorobutanoïque.

Isomérie spatiale (stéréo-isomérie)

Enantiomérie (isomérie optique)

L'isomérie spatiale (stéréo-isomérie) résulte de différences dans la configuration spatiale de molécules ayant la même structure chimique. Ce type d'isomère est subdivisé en énantiomère(isomérie optique) et diastéréomère.

Les énantiomères (isomères optiques, isomères miroir) sont des paires d'antipodes optiques de substances caractérisées par des signes opposés et des rotations égales du plan de polarisation de la lumière avec l'identité de toutes les autres propriétés physiques et chimiques (à l'exception des réactions avec d'autres substances optiquement actives et propriétés en milieu chiral). Une raison nécessaire et suffisante de l'apparition d'antipodes optiques est l'attribution d'une molécule et de l'un des groupes de symétrie ponctuelle suivants C m, RÉ m, T, O, I (Chiralité). Le plus souvent on parle d'un atome de carbone asymétrique, c'est-à-dire d'un atome associé à quatre substituants différents, par exemple :

D'autres atomes peuvent également être asymétriques, par exemple des atomes de silicium, d'azote, de phosphore, de soufre. La présence d'un atome asymétrique n'est pas la seule raison de l'énantiomère. Ainsi, il existe des antipodes optiques dérivés de l'adamantane (IX), du ferrocène (X), du 1,3-diphénylallène (XI), de l'acide 6,6"-dinitro-2,2"-diphénoïque (XII). La raison de l'activité optique du dernier composé est l'atropisomérie, c'est-à-dire l'isomérie spatiale causée par l'absence de rotation autour d'une liaison simple. L'énantiomère se manifeste également dans les conformations hélicoïdales des protéines, des acides nucléiques, de l'hexagélicène (XIII).

(R) -, (S) - nomenclature des isomères optiques (règle de dénomination)

Les quatre groupes attachés à l'atome de carbone asymétrique C abcd se voient attribuer différentes anciennetés correspondant à la séquence : a> b> c> d. Dans le cas le plus simple, la préséance est établie par le numéro ordinal de l'atome attaché à l'atome de carbone asymétrique : Br (35), Cl (17), S (16), O (8), N (7), C ( 6), H (1) ...

Par exemple, dans l'acide bromochloroacétique :

La préséance des substituants sur un atome de carbone asymétrique est la suivante : Br (a), Cl (b), C du groupe COOH (c), H (d).

Dans le butanol-2, l'oxygène est le substituant senior (a), l'hydrogène est le junior (d) :

Il est nécessaire de résoudre le problème des substituants CH 3 et CH 2 CH 3. Dans ce cas, l'ancienneté est déterminée par le nombre ordinal ou le nombre d'autres atomes du groupe. Le leadership reste avec le groupe éthyle, puisque le premier atome C est lié à un autre atome C (6) et à d'autres atomes H (1), tandis que dans le groupe méthyle, le carbone est lié à trois atomes H portant le numéro de série 1. Dans les cas plus complexes, continuez à comparer tous les atomes jusqu'à ce qu'ils arrivent à des atomes avec des numéros de série différents. S'il y a des doubles ou des triples liaisons, alors les atomes avec eux sont comptés comme deux et trois atomes, respectivement. Ainsi, le groupe -COH est considéré comme C (O, O, H), et le groupe -COOH - comme C (O, O, OH) ; le groupe carboxyle est plus ancien que le groupe aldéhyde, car il contient trois atomes de numéro atomique 8.

Dans le D-glycéraldéhyde, le groupe OH (a) est le plus ancien, suivi de CHO (b), CH 2 OH (c) et H (d) :

L'étape suivante consiste à déterminer si la disposition des groupes est à droite, R (latin rectus), ou à gauche, S (latin sinistre). Passant au modèle correspondant, il est orienté de manière à ce que le groupe junior (d) dans la formule perspective soit en bas, puis vu de dessus selon l'axe passant par la face ombrée du tétraèdre et du groupe (d). Dans les groupes D-glycyrrhine aldéhyde

sont situés dans le sens de rotation horaire, et par conséquent, il a une configuration R :

(R)-aldéhyde glycérique

Contrairement à la nomenclature D, L, les désignations des isomères (R) - et (S) - sont mises entre parenthèses.

Diastéréomérisme

σ-diastéréomérie

Toute combinaison d'isomères spatiaux qui ne constituent pas une paire d'antipodes optiques est considérée comme diastéréoisomérique. Distinguer les diastéréomères σ et . Les -diastéréoisomères diffèrent les uns des autres par la configuration de certains des éléments de chiralité qu'ils contiennent. Ainsi, les diastéréoisomères sont (+) - l'acide tartrique et l'acide méso-tartrique, le D-glucose et le D-mannose, par exemple :

Pour certains types de diastéréomérie, des désignations spéciales ont été introduites, par exemple, thréo- et érythro-isomères - il s'agit d'un diastéréomérie avec deux atomes de carbone asymétriques et des espaces, l'arrangement des substituants sur ces atomes, rappelant le thréose correspondant (les substituants apparentés sont sur les côtés opposés dans les formules de projection de Fisher) et l'érythrose ( députés - d'un côté):

Les érythro-isomères, dont les atomes asymétriques sont liés aux mêmes substituants, sont appelés méso-formes. Ils, contrairement aux autres σ-diastéréomères, sont optiquement inactifs en raison de la compensation intramoléculaire des contributions à la rotation du plan de polarisation de la lumière à partir de deux centres asymétriques identiques de configuration opposée. Les paires de diastéréoisomères qui diffèrent par la configuration de l'un de plusieurs atomes asymétriques sont appelées épimères, par exemple :

Le terme « anomères » se réfère à une paire de monosaccharides diastéréoisomères différant par la configuration de l'atome glycosidique sous forme cyclique, par exemple le -D- et le -D-glucose anomériques.

π-diastéréomérie (isomérie géométrique)

Les π-diastéréoisomères, également appelés isomères géométriques, diffèrent les uns des autres par la disposition spatiale différente des substituants par rapport au plan de la double liaison (le plus souvent C=C et C=N) ou du cycle. Ceux-ci comprennent, par exemple, les acides maléique et fumarique (formules XIV et XV, respectivement), (E) - et (Z) -benzaldoximes (XVI et XVII), cis- et trans-1,2-diméthylcyclopentanes (XVIII et XIX) .

Conformateurs. Tautomères

Le phénomène est inextricablement lié aux conditions de température de son observation. Ainsi, par exemple, le chlorocyclohexane à température ambiante existe sous la forme d'un mélange à l'équilibre de deux conformères - avec des orientations équatoriale et axiale de l'atome de chlore :

Cependant, à moins 150°C, on distingue une forme a individuelle qui se comporte dans ces conditions comme un isomère stable.

D'autre part, les composés qui sont des isomères dans des conditions normales peuvent s'avérer être des tautomères en équilibre avec l'augmentation de la température. Par exemple, le 1-bromopropane et le 2-bromopropane sont des isomères de structure ; cependant, lorsque la température s'élève à 250°C, un équilibre caractéristique des tautomères s'établit entre eux.

Les isomères qui se transforment les uns dans les autres à des températures inférieures à la température ambiante peuvent être considérés comme des molécules non rigides.

L'existence de conformères est parfois appelée « isomérie de rotation ». Parmi les diènes, on distingue les isomères s-cis et s-trans, qui sont essentiellement des conformères résultant de la rotation autour d'une liaison simple (s-simple) :

L'isomérie est également caractéristique des composés de coordination. Ainsi, les composés isomères qui diffèrent par la méthode de coordination des ligands (isomérie d'ionisation), par exemple, isomères :

SO 4 - et + Br -

Ici, en substance, il y a une analogie avec l'isomérie structurelle des composés organiques.

Les transformations chimiques, à la suite desquelles les isomères structuraux sont convertis les uns dans les autres, sont appelées isomérisation. De tels procédés sont essentiels dans l'industrie. Par exemple, l'isomérisation des alcanes normaux en isoalcanes est réalisée pour augmenter l'indice d'octane des carburants ; le pentane est isomérisé en isopentane pour une déshydrogénation ultérieure en isoprène. Les réarrangements intramoléculaires sont également l'isomérisation, dont, par exemple, la conversion de l'oxime de cyclohexanone en caprolactame, une matière première pour la production de nylon, est d'une grande importance.

Le processus d'interconversion des énantiomères est appelé racémisation : il conduit à la disparition de l'activité optique à la suite de la formation d'un mélange équimolaire de formes (-) - et (+) -, c'est-à-dire un racémate. L'interconversion des diastéréoisomères conduit à la formation d'un mélange dans lequel prévaut une forme thermodynamiquement plus stable. Dans le cas des -diastéréomères, généralement la forme trans. L'interconversion des isomères conformationnels est appelée équilibre conformationnel.

Le phénomène d'isomérie contribue dans une large mesure à l'augmentation du nombre de composés connus (et encore plus du nombre de composés potentiellement possibles). Ainsi, le nombre possible d'alcools décyliques structurellement isomères est supérieur à 500 (environ 70 d'entre eux sont connus), les espaces, les isomères sont supérieurs à 1500.

Dans la considération théorique des problèmes d'isomérie, les méthodes topologiques se généralisent de plus en plus ; des formules mathématiques sont dérivées pour calculer le nombre d'isomères. Pour désigner les espaces, les isomères de différents types, une nomenclature stéréochimique a été développée, rassemblée dans la section E des règles de nomenclature IUPAC pour la chimie.

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