ИЗОМЕРИЯ

Изомерия (греч, isos равный, одинаковый + meros доля, часть) — явление, заключающееся в том, что некоторые вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав и одинаковую молекулярную массу, могут обладать различным строением (т. е. порядком соединения атомов в молекуле) или различным пространственным расположением атомов или атомных групп; такие различия являются причиной разных физико-химических и биологических свойств этих веществ, называемых изомерами. Пространственное строение молекулы решающим образом влияет на свойства и биологические функции органических веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности: это относится к белкам и образующим их аминокислотам, нуклеиновым кислотам, сахарам, стероидным гормонам, природным оксикислотам, ферментам, витаминам и др. Напр., фотохимические процессы, происходящие в сетчатке глаза, включают в себя обязательный переход ретиналя в свой стереоизомер (см. Зрительные пигменты). Для ресинтеза зрительного пигмента необходимо, чтобы сетчатка получала цис-изомер витамина A. Ни один вопрос мед. или биол, химии не может быть решен без учета стереохимических факторов, т. е. без учета явления Изомерии.
Впервые Изомерию наблюдал Ю. Либих, который в 1823 г. обнаружил, что серебряная соль гремучей к-ты того же хим. состава, что и серебряная соль циановой к-ты, полученная в 1822 г. Ф. Велером, обладает совершенно другими свойствами, в частности свойством взрываться. Сам термин «изомерия» был введен И. Берцелиусом в 1830 г. Сущность Изомерии получила правильное объяснение лишь после создания А. М. Бутлеровым теории хим. строения, согласно к-рой свойства вещества зависят не только от природы и количества атомов, входящих в состав его молекулы, но и от порядка их соединения .
Различают два основных вида И.: структурную, обусловленную различным порядком соединения атомов, и пространственную (стереоизомерию), к-рая характеризуется тем, что при одинаковой последовательности соединения атомов в молекуле их расположение в пространстве различно.
Структурная Изомерия наблюдается при различии углеродного скелета молекул (цепь C-атомов может быть прямой или разветвленной), а также при разном положении той или иной функциональной группы по отношению к одинаково построенной цепи C-атомов. Напр., три изомера гексана с общей формулой C6H14 имеют такое строение:

С увеличением числа атомов в углеродной цепи число возможных изомеров быстро возрастает. В ароматическом ряду углеводородов производные бензола с двумя и тремя заместителями имеют по три изомера:

Непредельные углеводороды могут быть изомерными как вследствие И. углеродной цепи, так и вследствие различного положения —C=C— или —C=C— связи, напр.:

Существует особый род И.— метамерия, к-рая определяется различием радикалов, связанных с многовалентным атомом-органогеном, напр.:
CH3CH2-O-CH2-CH3 [диэтиловый («серный») эфир];
CH3-O-CH2CH2CH3 [метил-пропиловый эфир].
Физ. и хим. свойства изомеров различны. Для изомеров, относящихся к одному гомологическому ряду, напр, непредельных углеводородов, наиболее характерны отличия в физ. свойствах. Если же изомеры отличаются по положению функциональной группы, то и их хим. свойства различны, причем эти отличия могут быть ярко выражены, как, напр., у гликокола и амида гликолевой к-ты:
NH2-CH2-COOH [гликокол] и HO-CH2CONH2 [амид гликолевой к-ты] Особым видом И. является таутомерия (см.), к-рая характеризуется тем, что два (или более) изомера (таутомера) самопроизвольно переходят друг в друга до тех пор, пока между ними не установится равновесие.
Пространственная И. (стереоизомерия) включает в себя два основных вида: геометрическую, или цис-транс-изомерию, и оптическую, или зеркальную, И.
Цис-транс-изомеры отличаются друг от друга различным расположением атомов или групп атомов по отношению к плоскости двойной связи или плоскости кольца (цикла). В том случае, когда определенные атомы или группы атомов находятся по одну сторону двойной связи (или кольца), соединение является цисизомером, когда же аналогичные атомы или группы атомов находятся по разные стороны от двойной связи (кольца),— транс-изомером. Цис-транс-изомеры отличаются друг от друга по физ. и хим. свойствам, однако обычно один из них менее устойчив и переходит в другой под влиянием ультрафиолетового облучения, нагревания и т. п.
Одной из форм стереоизомерии является син-антиизомерия, наблюдаемая среди органических соединений, в молекуле которых трехвалентный азот соединен двойной связью с атомом углерода, т. e. С=N—. Примером таких изомеров служат альдоксимы и кетоксимы.
Среди альдоксимов синизомерами считаются те, у которых гидроксильная группа (OH—) и водород находятся по одну сторону двойной связи:

Синизомеры отличаются от антиизомеров стабильностью. Этот вид И. имеет место и тогда, когда в молекуле содержатся два атома азота, связанные двойной связью, напр, у азосоединений (см.) и диазосоединений (см.).

Схематическое изображение оптических (зеркальных) изомеров молочной кислоты — D (а) и L (б).
При оптической, или зеркальной, И. молекулы изомеров похожи друг на друга, как зеркальные отображения, но не могут быть совмещены (рис.). Такие вещества обладают оптической активностью, т. е. могут вращать плоскость поляризации света вправо [D-, или (+)-изомеры] или влево [L-, или (—)-изомеры]. Т. к. молекулы таких изомеров похожи друг на друга, как правая и левая рука, и так же несовместимы, их называют еще хиральными (греч, cheir рука). Все оптические изомеры содержат асимметрический атом углерода, т. е. атом, соединенный с четырьмя различными атомами или группами атомов. При написании формул такие C-атомы отмечают звездочкой (C*). Обычно оптические изомеры обладают сходными физ. и хим. свойствами, за исключением направления вращения плоскости поляризации света; кроме того, в определенных условиях такие вещества образуют кристаллы, похожие друг на друга, как зеркальные отображения. Это явление носит название «энантиоморфизм»; оптические же антиподы называют соответственно энантиоморфными формами. Смесь равных количеств оптических антиподов называют рацемической смесью или рацематом, а вещества, ее составляющие,— рацематами.
При определенных условиях один оптический антипод может превратиться в другой. Это превращение было впервые изучено Вальденом (P. Walden) в 1895 г. на яблочных к-тах и впоследствии получило название вальденовского обращения. Оно явилось первым наблюдением из области динамической стереохимии реакций.
По мере увеличения числа известных оптически активных соединений возникла необходимость найти какой-то критерий, по к-рому их можно было бы сравнивать. Оказалось удобным, по предложению М. А. Розанова (1906), принять за эталон расположение атомов и их групп вокруг асимметрического C-атома в молекуле глицеринового альдегида (см.):

Вещества, имеющие расположение атомов или их групп у С*-атома, соответствующее таковому у D-глицеринового альдегида, стали считать веществами D-ряда, или D-конфигурации, а вещества, имеющие расположение атомов у С*-атома, близкое к таковому у С*-атома L-глицеринового альдегида, было предложено относить к веществам L-ряда, или L-конфигурации (лат. dexter правый и laevus левый). Не всегда D-изомер вращает плоскость поляризации света вправо, а L-изомер влево, т.к. направление вращения определяется всеми группами, a D- или L-принадлежность определяется в основном по расположению H- и OH-групп. Могут встретиться такие обозначения, как D (—)-пентоза или L (+)-гексоза. Поэтому строчные буквы «d»- и «1»-применяют в тех случаях, когда речь идет только о направлении вращения, а конфигурация либо не известна, либо не важна.
В том случае, если в соединении имеется два центра асимметрии, оно может образовывать трео- и эритро-изомеры. Названия «эритро» и «трео» происходят от названий углеводов эритроза и треоза:

Tрео-изомеры имеют одинаковые боковые заместители на разных сторонах стандартной проекционной формулы, а у эритро-изомеров два одинаковых боковых заместителя стоят в проекционной формуле на одной стороне (справа или слева). Два эритро-изомера представляют пару оптических антиподов, при смешении которых образуется рацемат; то же относится и к трео-изомерам.
При дальнейшем увеличении числа асимметрических центров число пространственных изомеров возрастает, причем каждый новый асимметрический центр вдвое увеличивает число изомеров, к-рое равно 2n, где n — число асимметрических центров.
Роль пространственных факторов в биохим, процессах впервые отметил Л. Пастер в 1857 г., наблюдая преимущественное разрушение нек-рыми микроорганизмами правовращающей формы винной к-ты. Оказалось, что если подвергнуть действию таких микроорганизмов рацемат винной к-ты, то можно накопить значительное количество левовращающего антипода.
П. Эрлих в начале 20 в. описал такое же явление для аминокислот: некоторые дрожжи в процессе брожения (см.) перерабатывали преимущественно L-аминокислоты, а их оптические антиподы накапливались в культуральной жидкости. Т.о. удалось получить с выходом до 60—70% оптически чистые D-изомеры аланина, валина, лейцина, изолейцина, изовалина, серина, фенилаланина и др.
Решающую роль в стереоспецифичности биохим, процессов играет наличие в живом организме пространственно избирательных ферментов, катализирующих превращения только определенных стереоизомеров. Дейкин (H. D. Dakin) в 1903 г. наблюдал стереоспецифическое действие липазы, выделенной из печени свиньи, при гидролизе эфиров миндальной к-ты и родственных соединений. Стереоспецифичность фосфатазы обнаружил в 1905 г. К. Нейберг. Ферменты способны катализировать асимметрические синтезы, в результате чего из рацематов получаются оптически активные продукты реакции. Эта способность ферментов показывает путь, по к-рому в живых организмах сохраняется, воспроизводится и «размножается» оптическая активность. Именно этим объясняется тот факт, что в живой природе встречаются определенные пространственные формы: аминокислоты (в белках) только L-ряда, сахара преимущественно D-ряда.
Неразличимые по физ. и хим. свойствам оптические антиподы часто резко отличаются по своему физиологическому действию. Так, алкалоид табака— левовращающий никотин — в несколько раз более ядовит, чем правовращающий никотин; правовращающий аспарагин имеет сладкий вкус, а его оптический антипод безвкусен. Природная L-глутаминовая к-та имеет вкус мяса и употребляется как вкусовая добавка при изготовлении пищевых концентратов, а D-глутаминовая к-та безвкусна.
Активность ростовых веществ также зачастую связана с их пространственным строением. Так, (+)-альфа-3-индолилпропионовая к-та в 30 раз активнее (—)-изомера; цис-коричная к-та способна ускорять рост растений, тогда как транс-коричная к-та в этом отношении неактивна.
Стереоспецифичностью обладают также инсектицидные препараты. Только один из восьми пространственных изомеров гексахлорциклогексана, так наз. гамма-изомер, обладает инсектицидной активностью. Такая же закономерность подмечена и в отношении пространственных изомеров ДДТ.
Большое значение имеет пространственная конфигурация и для веществ, обладающих фармакол, активностью. Напр., L-диоксифенилаланин (L-ДОФА, леводопа) с успехом используется при лечении некоторых нервных болезней (см. Диоксифенилаланин), тогда как D-ДОФА фармакол, активностью не обладает. Из двух антиподов адреналина более сильное гормональное действие также проявляет левовращающий изомер.
Только один из четырех стерео-изомеров хлоромицетина — левовращающий трео-изомер — является активным антибиотиком, остальные стереоизомеры совершенно неактивны.
Левовращающая форма сарколизина активна при лечении некоторых видов опухолей, правовращающая— неактивна.
ПАСК (пара-аминосалициловая к-та) обладает фармакол, активностью при лечении туберкулеза, тогда как ее структурные изомеры (орто- и мета-) не обладают противотуберкулезным действием.
Полученный синтетический антипод природного (—)-морфина не обладает болеутоляющим действием. Таких примеров можно привести много. Получены данные, что псориаз является болезнью обмена веществ, при к-рой нарушается изомеризация цис-изомера (фумаровой к-ты) в транс-изомер (малеиновую к-ту):

Стереоспецифичность биол, процессов в конечном итоге обусловлена тем, что живые организмы «построены» из оптически активного асимметричного материала. Образную аналогию проводил Л. Пастер: если ввинчивать в доску винты с правой и левой нарезкой, то они будут входить в доску с одинаковой легкостью, однако если ввинчивать винт в отверстие, к-рое уже имеет нарезку, то сделать это можно только в том случае, если направления обеих нарезок соответствуют друг другу.
В биол, системах взаимопревращения различных изомеров катализируют ферменты, относящиеся к классу изомераз (см.).
Поворотная изомерия — см. Конформация.
Изомерия атомных ядер обусловлена наличием у некоторых нуклидов так наз. метастабильного состояния, т. е. возбужденного состояния ядра с затрудненным переходом в основное и обладающего поэтому относительно большим временем жизни по сравнению с обычным временем жизни возбужденного состояния ядер, составляющим величину порядка 10-13 сек. Явление И. атомных ядер наблюдается, как правило, в тех случаях, когда велико различие спинов основного и возбужденного состояния. Метастабильные состояния бывают как у стабильных, так и, гл. обр., у радиоактивных нуклидов. В последнем случае нуклид в основном и метастабильном состоянии может условно рассматриваться как два нуклида с одинаковым атомным номером и массовым числом, но с разными схемами радиоактивного распада — периодами полураспада, типом и энергией излучения.
Распад метастабильных состояний чаще всего происходит путем перехода с возбужденного (более высокого) на основное энергетическое состояние данного нуклида с испусканием гамма-излучения или электронов внутренней конверсии, что называют изомерным переходом.
Известно ок. 150 изомеров нуклидов с периодами полураспада от долей секунды до нескольких лет. У отдельных нуклидов имеется несколько разных метастабильных состояний, т. е. несколько изомеров, распадающихся с разными периодами полураспада (напр., 124MSb с Т1/2 1,3 мин. и 24 мин.). Многие короткоживущие нуклиды, распадающиеся путем изомерного перехода с испусканием гамма-излучения сравнительно небольшой энергией, успешно применяются в радиоизотопных клин, исследованиях.
Библиография: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 1—4, М., 1969; Блага К., Червинка О. и Ковар Я. Основы стереохимии и конформационного анализа, пер. с англ., Л., 1974, библиогр.; Голиков С. Н., Кузнецов С. Г. и Зацепин Э. П. Стереоспецифичность действия лекарственных веществ, Л., 1973, библиогр.; Клабуновский Е. И. Асимметрический синтез, М., 1960, библиогр.; Потапов В.М. Стереохимия, М., 1976; Степаненко Б. H. Курс органической химии, ч. 1—2, М., 1976.