3.2. Число стереоизомеров и тетраэдрический атом углерода

В предыдущих разделах рассматривались только метан и несколько продуктов его замещения; все эти соединения необходимы для того, чтобы начать изучение стереохимии. Любое, даже очень сложное, соединение, в

котором имеется атом углерода, связанный с четырьмя другими атомами, можно рассматривать как производное метана; кроме того, все, что известно о форме молекулы метана, можно применить к значительно более сложным молекулам.

Данные дифракции электронов, дифракции рентгеновских лучей и спектроскопии показывают, что, если атом углерода связан с четырьмя другими атомами, его связи направлены к углам тетраэдра. Еще в 1874 г., за много лет до того, как стало возможным прямое определение строения молекул, Вант-Гофф, будучи студентом Утрехтского университета, предположил, что атом углерода имеет тетраэдрическое строение. Его предположение было основано на данных о числе изомеров.

Независимо от природы атома существует только одно вещество с формулой Хлорирование метана приводит только к одному соединению с формулой бромирование также дает лишь одно вещество с формулой Аналогично известно только одно соединение и только одно соединение То же самое справедливо и для случая, когда представляет собой не атом, а группу атомов (если только эта группа не настолько сложна, что сама проявляет изомерию); существует только одно вещество лишь одно и только одно

На основании этих данных можно предположить, что все атомы водорода в метане эквивалентны, так что замещение любого из них приводит к одному и тому же продукту. Если бы атомы водорода в метане были неэквивалентны, то замещение одного из них приводило бы к веществу, отличному от продукта замещения другого атома водорода, и образовывались бы изомерные продукты замещения.

Как же расположить атомы в метане так, чтобы четыре атома водорода были эквивалентны? Существует три таких расположения: плоское (I), когда атом углерода находится в центре прямоугольника (или квадрата), а атомы водорода в его углах; пирамидальное (II), когда атом углерода находится в вершине пирамиды и атомы водорода в углах квадратного основания, и тетраэдрическое (III), когда атом углерода находится в центре тетраэдра, а атомы водорода в его углах.

Как же установить, что каждое из этих расположений может привести только к одному веществу с формулой Для ответа на подобные вопросы следует использовать молекулярные модели. (Чтобы получить структуры I и II, для которых не подходят углы связей обычных молекулярных моделей, можно использовать шарики из пластилина и палочки.) Строят две идентичные модели В одной модели на атом заменен верхний правый атом водорода, который можно представить шариком другого цвета, а в другой модели заменен правый нижний атом водорода. Далее смотрят, одинаковы ли эти модели, т. е. можно ли какими-либо манипуляциями, кроме разрыва и образования связей, совместить их. Если две модели совместимы, то они представляют две молекулы одного и того же соединения; если модели несовместимы, то они представляют молекулы различных соединений, которые, поскольку они имеют одинаковые молекулярные формулы, обозначаются как

изомеры (стр. 36). Независимо от того, какой атом водорода замещается в структуре I (или II, или III), получается одно и то же соединение. При любом другом расположении атомов, кроме этих трех, при замещении образуется больше одной структуры.

Когда речь идет о соединениях формулы данные о числе изомеров ограничивают выбор структуры метана только одной из этих трех возможностей.

(см. скан)

Для любого атома и для любого атома было найдено только одно вещество с формулой Галогенирование метана, например, дает только одно соединение с формулой одно соединение и одно соединение

Из трех возможных структур метана только одна — тетраэдрическая — соответствует этим данным.

(см. скан)

Таким образом, только тетраэдрическая структура метана согласуется с данными о числе изомеров. Правда, это отрицательное доказательство, поскольку возможно, что существуют изомеры, которые не были выделены или обнаруж из-за недостаточно высокого уровня эксперимента. Но, как уже говорил ось выше, любое соединение, содержащее углерод, связанный с четырьмя другими атомами, можно рассматривать как производное метана; при нтезе сотен тысяч соединений такого типа число получаемых изомер всегда соответствовало концепции тетраэдрического атома углерода.

Имеется еще дополнительное положительное доказательство тетраэдрического строения углеродного атома, а именно существование изомеров, энантиомеров, которые были предсказаны для соединений с формулой Именно существование энантиомеров подтвердило теорию Вант-Гоффа о тетраэдрическом строении атома углерода. Чтобы понять, что же предста вляют собой энантиомеры, необходимо сначала познакомиться со свойством, называемым оптической активностью.