Keemia. Ruumiline isomeeria Optiliste isomeeride olemasolu on võimalik

Artikli sisu

OPTILINE ISOMEERIA. Ameerika ajakirja 1996. aasta juuninumbris avaldatud artikkel "Kui molekul vaatab peeglisse" keemiaharidus(Journal of Chemical Education). Ja selle numbri kaane esimesel lehel oli ka ebatavaline joonis. Heasüdamlikult liputava koera poolel oli penitsillamiini struktuurivalem. Koer vaatas peeglisse ja sealt vaatas talle vastu hirmus metsaline, palja kihvaga suu ja karvad püsti. Metsalise küljel oli kujutatud sama struktuurivalem esimese peegelpildi kujul. Miks on sama aine välimus nii erinev? Seda seletatakse mõne keemilise ühendi erilise omadusega, mis on tihedalt seotud nende optilise aktiivsusega.

Valguse polarisatsioon ja optiline aktiivsus.

19. sajandi alguses Inglise füüsik, astronoom ja arst Thomas Young näitas, et valgust võib pidada laineks. Prantsuse füüsik Augustin Fresnel leidis, et valguslained on põikisuunalised: võnkumised neis toimuvad risti liikumissuunaga (nagu lained veepinnal: laine jookseb edasi ja ujuk vees võngub üles alla). Juba 20. sajandil leiti, et valgus on elektromagnetlaine, nagu raadiolainegi, ainult valguse lainepikkus on palju lühem. Termin "elektromagnetiline" tähendab, et valgusel on elektri- ja magnetväljad, mis võnguvad perioodiliselt, nagu merepinnal lained. Meid huvitavad nüüd ainult kõikumised elektriväli. Selgub, et need võnkumised ei toimu juhuslikult, vaid ainult valguskiire suunaga risti. Tavalises valguses (seda kiirgab nt päike, hõõglambid) tekivad võnked juhuslikult, igas suunas. Kuid läbides mõningaid kristalle, näiteks turmaliini või Islandi sparni (läbipaistev CaCO 3 kaltsiidi sort), omandab valgus erilised omadused: kristall justkui "lõikab ära" kõik elektrivälja võnked, välja arvatud see, mis asub teatud tasapinnal. Piltlikult öeldes on selline valgusvihk nagu villane niit, mis tõmmatakse läbi kahe terava žiletitera vahelise kitsa pilu.

Prantsuse füüsik Etienne Louis Malus uskus, et valgus koosneb osakestest, millel on kaks poolust “põhja” ja “lõunapoolus” ning Islandi sparni läbivas valguses on kõik poolused ühes suunas pööratud. Seetõttu nimetas ta sellist valgust polariseeritud valguseks. On leitud, et valgus on osaliselt polariseeritud, peegeldudes teatud nurga all dielektrikute, näiteks klaasi, läikivatelt pindadelt või murdub nende poolt. Maluse teooria ei leidnud kinnitust, kuid nimi jäi. Inimsilm ei erista tavalist valgust polariseeritud valgusest, kuid seda on lihtne teha kõige lihtsamate optiliste seadmete – polarimeetrite – abil; neid kasutavad näiteks fotograafid: polarisatsioonifiltrid aitavad fotol vabaneda helkimisest, mis tekib valguse peegeldumisel veepinnalt.

Selgus, et kui polariseeritud valgus läbib mõningaid aineid, tekib huvitav nähtus: tasapind, millel asuvad võnkuva elektrivälja “nooled”, pöörleb järk-järgult ümber telje, mida mööda kiir liigub. Selle nähtuse avastas esmakordselt 1811. aastal kvartskristallides prantsuse füüsik Francois Dominique Arago. Looduslikel kvartskristallidel on ebakorrapärane asümmeetriline struktuur ja neid on kahte tüüpi, mis erinevad oma kuju poolest, nagu ese peegelpildist. Need kristallid pööravad valguse polarisatsioonitasandit vastassuundades; neid kutsuti parema- ja vasakukäelisteks.

1815. aastal tegid teine prantsuse füüsik Jean Baptiste Biot ja saksa füüsik Thomas Seebeck kindlaks, et see omadus on ka mõnel orgaanilisel ainel (näiteks suhkrul või tärpentiinil) mitte ainult kristallilises, vaid ka vedelas, lahustunud ja isegi gaasilises olekus. Seega tõestati, et optilist aktiivsust saab seostada mitte ainult kristallide asümmeetriaga, vaid ka molekulide enda tundmatu omadusega. Selgus, et nagu kristallide puhul ikka, mõned keemilised ühendid võivad eksisteerida nii parema- kui ka vasakukäeliste sortide kujul ning kõige hoolikam keemiline analüüs ei näita nende vahel mingeid erinevusi! Tegelikult oli see uut tüüpi isomeeria, mida nimetati optiliseks isomeeriks. Selgus, et lisaks paremale ja vasakule pööravatele on olemas ka kolmandat tüüpi isomeerid – optiliselt mitteaktiivsed. Selle avastas 1830. aastal kuulus saksa keemik Jens Jakob Berzelius, kasutades näitena viinamarja (dihüdroksümerevaikhapet) HOOCCH(OH)CH(OH)COOH: see hape on optiliselt inaktiivne ja täpselt sama koostisega viinhappel on õige pöörlemissagedus. lahendus. Hiljem avastati "vasakpoolne" viinhape, mida looduses ei leidu – paremale pööramise vastand.

Optilisi isomeere saate eristada polarimeetri abil, mis mõõdab polarisatsioonitasandi pöördenurka. Lahuste puhul sõltub see nurk lineaarselt kihi paksusest ja optiliselt aktiivse aine kontsentratsioonist (Bioti seadus). Erinevate ainete puhul võib optiline aktiivsus varieeruda väga laias vahemikus. Niisiis, erinevate aminohapete vesilahuste puhul temperatuuril 25 ° C eriaktiivsus (seda tähistatakse kui D ja mõõdetakse valguse jaoks lainepikkusega 589 nm kontsentratsioonil 1 g / ml ja kihi paksusega 10 cm) on tsüstiini puhul 232°, proliini puhul 86, 2°, leutsiini puhul 11,0°, alaniini puhul +1,8°, lüsiini puhul +13,5° ja asparagiini puhul +33,2°. Kaasaegsed polarimeetrid võimaldavad mõõta optilist pöörlemist väga suure täpsusega (kuni 0,001°). Sellised mõõtmised võimaldavad teil kiiresti ja täpselt määrata optiliselt aktiivsete ainete kontsentratsiooni, näiteks suhkrusisaldust lahustes selle valmistamise kõikides etappides, alates toortoodetest kuni kontsentreeritud lahuste ja melassini.

Pasteuri avastus.

Uuringu käigus sai Pasteur viinamarjahappe C 4 H 5 O 6 Na happelise naatriumisoola, küllastas lahuse ammoniaagiga ja vee aeglaselt aurustades saadi ilusad prismalised naatriumammooniumsoola C 4 H 3 O 6 kristallid. NaNH4. Need kristallid osutusid asümmeetrilisteks, mõned neist olid justkui teiste peegelpildid: pooltel kristallidest oli üks iseloomulik tahk paremal, teistel aga vasakul. Suurendusklaasi ja pintsettidega relvastatud Pasteur jagas kristallid kaheks hunnikuks. Nende lahendustel oli ootuspäraselt vastupidine optiline pöörlemine. Pasteur sellega ei peatunud. Igast lahusest eraldas ta algse happe (mis oli inaktiivne). Milline oli tema üllatus, kui selgus, et üks lahendus on tuntud paremale pöörav viinhape ja teine sama hape, aga pöörleb vasakule!

Pealtnägijate meenutused annavad tunnistust noore teadlase uskumatust närvilisest erutusest, mis teda sel hetkel haaras; Saades aru, millega oli hakkama saanud, jooksis Pasteur laborist välja ja kohtus füüsikakabinetis laborandiga, tormas tema juurde ning hüüdis teda embates: "Ma tegin just suure avastuse!" Ja see seisnes selles, et ammu tuntud mitteaktiivne viinhape on lihtsalt segu võrdsetes kogustes ka tuntud “parempoolsest” ja senitundmatust “vasakpoolsest”. Seetõttu puudub segul optiline aktiivsus. Sellise segu kohta hakati kasutama nimetust ratsemaat (ladina keelest racemus viinamarjad). Ja kahte Pasteuri saadud viinhappe antipoodi nimetati enantiomeerideks (kreekakeelsest enantiosest vastupidi). Pasteur võttis nende jaoks kasutusele tähised L- ja D-isomeerid (ladina sõnadest laevus left ja dexter right). Hiljem seostas saksa keemik Emil Fischer need nimetused ühe kõige lihtsama optiliselt aktiivse aine, glütseraldehüüdi OHCH 2 CH(OH)CHO, kahe enantiomeeri struktuuriga. 1956. aastal võeti inglise keemikute Robert Kahni ja Christopher Ingoldi ning Šveitsi keemiku Vladimir Prelogi ettepanekul optiliste isomeeride jaoks kasutusele tähised S (ladina keelest sinister left) ja R (ladina rectus right); Ratsemaati tähistatakse sümboliga RS. Traditsiooni kohaselt kasutatakse aga laialdaselt ka vanu nimetusi (näiteks süsivesikute, aminohapete kohta). Tuleb märkida, et need tähed näitavad ainult molekuli struktuuri (teatud keemiliste rühmade "paremale" või "vasakule" paigutus) ega ole seotud optilise pöörlemissuunaga; viimast tähistatakse pluss- ja miinusmärkidega, näiteks D()-fruktoos, D(+)-glükoos.

Lisaks "käsitsi meetodile" avastas Pasteur veel kaks meetodit ratsemaadi eraldamiseks kaheks antipoodiks. Biokeemiline meetod põhineb mõnede mikroorganismide selektiivsel võimel absorbeerida ainult ühte isomeeri. Näiteks seen Penicillum glaucum, kasvades viinhappe või selle soolade lahjendatud lahustel, "sööb" ainult paremat isomeeri, jättes vasaku muutumatuks.

Kolmas viis ratsemaatide eraldamiseks oli puhtalt keemiline. Kuid tema jaoks oli vaja eelnevalt optiliselt aktiivset ainet, mis ratseemilise seguga suhtlemisel "valiks" sellest ainult ühe enantiomeeri. Näiteks optiliselt aktiivne orgaaniline alus andis viinhappega optiliselt aktiivse soola, millest sai eraldada vastava viinhappe enantiomeeri.

Optilise isomeeria teooria.

Pasteuri töö, mis tõestas optiliselt inaktiivse ühendi "tükeldamise" võimalust antipoodide enantiomeerideks, äratas paljudes keemikutes esialgu umbusku. Isegi Biot ise ei uskunud oma assistenti, kuni ta kordas oma kogemust oma kätega ja veendus, et Pasteuril on õigus. See ja järgmised Pasteuri teosed äratasid keemikute suurt tähelepanu. Peagi jagas Joseph Le Bel, kasutades kolmandat Pasteuri meetodit, mitu alkoholi optiliselt aktiivseteks antipoodideks. Johann Wislicenus tegi kindlaks, et piimhapet on kaks: optiliselt inaktiivne, mis moodustub hapupiimas (fermenteeritud piimhape) ja paremale pöörav, mis ilmneb töölihases (liha-piimhape). Selliseid näiteid tuli aina juurde ja vaja oli teooriat, mis selgitaks, kuidas antipoodide molekulid üksteisest erinevad. Sellise teooria lõi noor Hollandi teadlane Van't Hoff. Selle teooria kohaselt võivad molekulid, nagu ka kristallid, olla "parempoolsed" ja "vasakpoolsed", olles üksteise peegelpildiks. Lihtsaim näide oli selline. Süsinikuaatom orgaanilistes ühendites on neljavalentne, sellest on suunatud neli keemilist sidet võrdse nurga all tetraeedri tippude suhtes. Kui kõik tetraeedri tippudes paiknevad ja keskse süsinikuaatomiga seotud aatomid või aatomirühmad on erinevad, siis on võimalikud kaks erinevat struktuuri, mis ei ole ruumis pöörlemise teel omavahel kombineeritud. Kui neljast asendajast vähemalt kaks on samad, muutuvad molekulid täiesti identseks (seda on tikkude ja värvilise plastiliini mudeli abil lihtne kontrollida). Selliseid struktuure, mis erinevad üksteisest nagu parem käsi vasakust, nimetatakse kiraalseteks (kreeka pärijakäest). Seega on optiline aktiivsus molekulide ruumilise isomeeria (stereoisomeeria) tagajärg.

Süsinikuaatomit, mis on seotud nelja erineva asendajaga, nimetatakse asümmeetriliseks. Asümmeetrilised võivad olla ka teiste elementide räni, lämmastiku, fosfori, väävli aatomid. Siiski võivad asümmeetriliste süsinikuaatomiteta ühendid olla ka optiliselt aktiivsed, kui nad võivad eksisteerida kahe peegelisomeeri kujul. Molekul on asümmeetriline, kui sellel ei ole ühtki sümmeetriaelementi, ei keset ega telge ega sümmeetriatasapinda. Näiteks on alleeni molekul H 2 C=C=CH 2, millel on kaks erinevat asendajat: R 1 R 2 C=C= CR 1 R 2 . Fakt on see, et need asendajad ei asu samal tasapinnal (nagu näiteks alkeenides), vaid kahel üksteisega risti asetseval tasapinnal. Seetõttu on võimalik kahe peegelisomeeri olemasolu, mida ei saa omavahel kombineerida mingite nihkete ja pöörlemiste abil.

Keerulisemad seosed tekivad mitme asümmeetrilise süsinikuaatomiga molekulide puhul. Näiteks viinhappes võivad kaks hüdroksüülrühma kahel kõrvuti asetseval süsinikuaatomil olla paigutatud nii, et molekul on sümmeetriline ega sisalda peegelisomeere. See viib teise, optiliselt inaktiivse isomeeri moodustumiseni, mida nimetatakse mesoviinhappeks (või antiviinhappeks). Seega võib dihüdroksümerevaikhape olla nelja isomeeri kujul: paremale pöörav (D-viinhape, mida meditsiinis nimetatakse viinhappeks), vasakule pöörav (L-viinhape), optiliselt inaktiivne (mesoviinhape) ja ka seguna L- ja R-isomeerid, st ratsemaat (i-viinhape ehk viinhape). Optiliselt aktiivsed viinhapped nende vesilahuste pikaajalisel kuumutamisel ratsemiiseeruvad, muutudes antipoodide seguks.

Olukord on veelgi keerulisem, kui molekulis on palju asümmeetrilisi keskusi. Näiteks glükoosi molekulis on neid neli. Seetõttu on teoreetiliselt võimalik, et sellel on 16 stereoisomeeri, mis moodustavad 8 paari peegelantipoode. Need on keemikutele juba ammu teada olnud; see on glükoos ise, aga ka alloos, altroos, mannoos, guloos, idoos, galaktoos ja taloos. Paljud neist esinevad looduslikult, näiteks D-glükoos (kuid mitte L-glükoos, mis on toodetud sünteetiliselt).

Kui ainel on võrdne arv "parem- ja vasakpoolseid" molekule, on see optiliselt inaktiivne. Just need ained saadakse kolvis tavapärase keemilise sünteesi tulemusena. Ja ainult elusorganismides moodustuvad asümmeetriliste ainete (näiteks ensüümide) osalusel optiliselt aktiivsed ühendid. Muidugi tekkis kohe küsimus, kuidas sellised ühendid Maal tekkisid, näiteks seesama looduslik paremale pöörav viinhape või "asümmeetrilised" mikroorganismid, mis toituvad ainult ühest enantiomeerist. Tõepoolest, inimese puudumisel polnud kedagi, kes teostaks optiliselt aktiivsete ainete suunatud sünteesi, polnud kedagi, kes jagaks kristalle paremale ja vasakule! Need küsimused osutusid aga nii keeruliseks, et neile pole tänaseni vastust. Näiteks ei tea keegi, miks peaaegu kõik looduslikud aminohapped, millest valgud on ehitatud, kuuluvad L-seeriasse (S-konfiguratsioon) ja nende antipoode leidub mõnes antibiootikumis vaid aeg-ajalt.

Van't Hoffi teooria ei pälvinud kohe tunnustust. Nii avaldas silmapaistev saksa eksperimentaalkeemik Adolf Kolbe (tema järgi on nimetatud mitu orgaanilist reaktsiooni) mais 1877 terava artikli, milles ta rääkis uuest teooriast teravalt negatiivselt. Õnneks oli Kolbe selges vähemuses ja van't Hoffi teooria, mis pani aluse kaasaegsele stereokeemiale, pälvis üldise tunnustuse ning selle looja 1901. aastal sai esimeseks laureaadiks. Nobeli preemia keemias.

See teooria võimaldas seletada paljusid keemilisi nähtusi. Näiteks hüdroksüülrühmade halogeeniaatomite asendamise reaktsioonides: optiliselt aktiivsetes alküülhalogeniidides RX + OH ® ROH + X (X halogeeniaatom) mõnel juhul optiline aktiivsus kaob, teistel jääb, kuid muudab märki. Selgus, et see reaktsioon võib kulgeda erineval viisil. Esimene mehhanism hõlmab halogeniidi dissotsieerumist vahepealsete R + ioonide moodustumisega, mis ühinevad kiiresti OH-anioonidega, andes reaktsioonisaaduseks alkoholi. Kui esialgsel halogeniidil RX oli optiline aktiivsus, kaob see selle reaktsiooni tulemusena, kuna hüdroksüülrühm võib läheneda vahepealsele tasapinnalisele katioonile mõlemalt poolt, nii et moodustub enantiomeeride segu. Kui reaktsioon kulgeb vastavalt teisele mehhanismile, läheneb OH-anioon süsinikuaatomile CX-sideme vastasküljelt ja "tõrjub" halogeeni aatomi aniooni kujul. Kui algsel halogeniidil R 1 R 2 R 3 CX oli optiline aktiivsus, siis selle reaktsiooni tulemusena see säilib, kuid optilise pöörlemise märk on vastupidine. See juhtub seetõttu, et kolm asümmeetrilise süsinikuaatomi R1, R2 ja R3 asendajat, mis sarnaselt halogeeniaatomiga asuvad tetraeedri tippudes, muudavad oma konfiguratsiooni neljanda asendaja suhtes, kui ründav aine hüdroksüül läheneb; selline konfiguratsioonimuutus on analoogne vihmavarju pahupidi pööramisega tugeva tuule käes.

Optiline isomeeria ja elu.

Keemikud nimetavad enantiomeere sageli üheks ühendiks, kuna nende keemilised omadused on identsed. Nende bioloogiline aktiivsus võib aga olla täiesti erinev. See ilmnes pärast traagilist lugu talidomiidist – ravimist, mida 20. sajandi 60. aastatel. paljude riikide arstid määrasid selle rasedatele naistele tõhusa unerohi ja rahustina. Kuid aja jooksul on tema kohutav kõrvalmõju: aine osutus teratogeenseks (loote kahjustamine, kreeka teratos koletis, friik) ja sündis palju kaasasündinud väärarengutega lapsi. Alles 1980. aastate lõpus sai selgeks, et õnnetuse põhjuseks oli vaid üks talidomiidi enantiomeeridest, selle paremale pöörav vorm. Kahjuks see erinevus tegevuses annustamisvormid ei olnud varem teada ja talidomiid oli mõlema antipoodi ratseemiline segu.

Praegu on paljud ravimid on saadaval optiliselt puhaste ühenditena. Seega on USA 25 levinuimast ravimist ainult kuus mittekiraalsed ühendid, kolm on ratsemaadid ja ülejäänud on puhtad enantiomeerid. Viimaseid saadakse kolmel meetodil: ratseemiliste segude eraldamine, looduslike optiliselt aktiivsete ühendite (nende hulka kuuluvad süsivesikud, aminohapped, terpeenid, piim- ja viinhapped jne) modifitseerimine ja otsene süntees. Näiteks on tuntud keemiafirma Merck välja töötanud meetodi antihüpertensiivse ravimi metüüldopa valmistamiseks, mis hõlmab ainult soovitud enantiomeeri spontaanset kristalliseerimist, viies lahusesse selle isomeeri väikese seemne. Otsene süntees nõuab ka kiraalseid allikaid, kuna kõik muud traditsioonilised sünteesimeetodid annavad mõlemad enantiomeerid võrdses vahekorras ratsemaadi. Muide, see on üks põhjusi kõrge hind mõned ravimid, kuna ainult ühe neist suunatud süntees on väga raske ülesanne. Seetõttu pole üllatav, et maailmas toodetud enam kui 500 sünteetilisest kiraalsest ravimist on optiliselt puhtad vaid umbes kümnendik. Samal ajal on 517 looduslikust toorainest saadud preparaadist vaid kaheksa ratsemaadid.

Vajadus optiliselt puhaste enantiomeeride järele on seletatav asjaoluga, et sageli ainult ühel neist on vajalik ravitoime, samas kui teine antipood võib põhjustada soovimatuid toimeid. kõrvalmõjud või olla isegi mürgine. Samuti juhtub, et igal enantiomeeril on oma spetsiifiline toime. Seega on S()-türoksiin (“levotroid”) looduslik kilpnäärmehormoon. Ja paremale pöörav R (+) -türoksiin ("dekstroid") alandab kolesterooli taset veres. Mõned tootjad pakuvad selliste juhtumite jaoks välja palindroomsed kaubanimed, näiteks Darvon ja Novrad.

Mis seletab enantiomeeride erinevat toimet? Inimene on kiraalne olend. Nii tema keha kui ka bioloogiliselt aktiivsete ainete molekulid, millest see koosneb, on asümmeetrilised. Kiraalsed ravimimolekulid, mis interakteeruvad teatud kiraalsete keskustega kehas, näiteks ensüümidega, võivad toimida erinevalt, olenevalt sellest, millise enantiomeeriga ravim on. "Õige" ravim sobib oma retseptorisse nagu luku võti ja käivitab soovitud biokeemilise reaktsiooni. "Vale" antipoodi tegevust võib võrrelda katsega oma külalise paremat kätt parema käega raputada.

Kui ravim on ratsemaat, võib üks enantiomeeridest parimal juhul olla ükskõikne, halvemal juhul põhjustada täiesti soovimatut toimet. Siin on mõned näidised. Seega toimib antiarütmiline aine S()-anapriliin 100 korda tugevamini kui R(+)-vorm! Verapamiili puhul on mõlemal enantiomeeril sarnane toime, kuid selle R(+)-vormil on oluliselt väiksem kardiodepressantne kõrvalmõju. Anesteesiaks kasutatav ketamiin võib 50%-l patsientidest põhjustada kõrvalnähte agitatsiooni, deliiriumi jms kujul ja see on peamiselt omane ainult R () isomeerile, samuti ratsemaadile.Anthelmintikumis levamisool , on see aktiivne peamiselt S ( )-isomeeris, samas kui selle R(+)-antipood põhjustab iiveldust, mistõttu ratseemiline levamisool asendati omal ajal ühe enantiomeeriga. Kuid selgub, et puhaste isomeeride sünteesimine pole alati majanduslikult mõttekas. Näiteks laialdaselt kasutatava valuvaigisti ibuprofeeni puhul on ensüümide toimel võimalik terapeutiliselt inaktiivse R()-vormi isomeerimine aktiivseks S(+)-isomeeriks, seetõttu saab sel juhul saada palju odavama ratsemaadi. kasutatud.

"Parempoolse" ja "vasakpoolse" isomeeride erinev bioloogiline toime avaldub mitte ainult ravimite hulgas, vaid kõigil juhtudel, kui kiraalne ühend interakteerub elusorganismidega. Ilmekas näide aminohappe isoleutsiin: selle paremale pöörav isomeer on magus ja vasakule pöörav isomeer on mõru. Veel üks näide. Karvoon on väga tugeva aroomiga aine (inimese nina on võimeline seda lõhna tundma õhus vaid 17 miljondiku milligrammi liitri kohta). Karvooni eraldatakse köömnetest, mille õlis on see umbes 60%. Täpselt sama sama struktuuriga ühend leidub aga mündiõlis, kus selle sisaldus ulatub 70%-ni. Kõik nõustuvad, et piparmündi ja köömne lõhn pole sugugi sama. Selgus, et tegelikult on kaks karvoni “paremal” ja “vasakul”. Nende ühendite lõhnade erinevus näitab, et nina retseptorrakud, mis vastutavad lõhna tajumise eest, peavad samuti olema kiraalsed.

Pöördugem nüüd tagasi koeral ja hundil kujutatud valemi juurde. Penitsillamiin (3,3-dimetüültsüsteiin) on aminohappe tsüsteiini üsna lihtne derivaat. Seda ainet kasutatakse ägeda ja kroonilise mürgistuse korral vase, elavhõbeda, plii ja muude raskemetallidega, kuna sellel on võime moodustada nende metallide ioonidega tugevaid komplekse; tekkivad kompleksid eemaldatakse neerude kaudu. Penitsillamiini kasutatakse ka mitmesuguste reumatoidartriidi vormide, süsteemse sklerodermia ja paljudel muudel juhtudel. Sel juhul kasutatakse ainult ravimi S-vormi, kuna R-isomeer on toksiline ja võib põhjustada pimedaksjäämist.

Van't Hoffi teooria ei pälvinud kohe tunnustust. Nii avaldas silmapaistev saksa eksperimentaalkeemik Adolf Kolbe (tema järgi on nimetatud mitu orgaanilist reaktsiooni) mais 1877 terava artikli, milles ta rääkis uuest teooriast teravalt negatiivselt. Õnneks oli Kolbe selges vähemuses ja van't Hoffi teooria, mis pani aluse kaasaegsele stereokeemiale, pälvis üldise tunnustuse ning selle loojast 1901. aastal sai esimene Nobeli keemiapreemia laureaat.

Ilja Leenson

Kirjanduses on sageli väidetud, et toitumiseks ja meie ainevahetuse struktuurielementideks sobivad vaid vasakukäelised aminohapped. Psühholoogiliselt on see arusaadav: looduslikud aminohapped kuuluvad enamasti nn L-seeriasse ja L-tähte seostatakse tavaliselt mõistega "vasak". Kuid selline L-ühendite "määramine" vasakule ja D-seeria ühendite paremale pööramiseks on täiesti vale. Piisab, kui vaadata vähemalt 23 olulisema valgu aminohappe loetelu (need on toodud näiteks A. N. Nesmejanovi ja N. A. Nesmejanovi õpikus „Orgaanilise keemia põhimõtted“), et veenduda vasakule pööramises (lahuste puhul). jää-äädikhappes) - ainult seitse, vähem kui kolmandik. Ülejäänud on paremale pööravad, välja arvatud optiliselt inaktiivne glütsiin. "Chemical Encyclopedia" 26 levinuima vasakukäelise aminohappe loendis on neid veelgi vähem, ainult kuus (23%). Paljud inimesed ajavad segamini valguse polarisatsioonitasandi pöörlemissuuna ainega ja selle molekulide struktuuri, mille võib omistada D- või L-tüübile.

Valguse polarisatsioon ja optiline aktiivsus

Alates Newtoni ajast on teaduses olnud vaidlusi: valgus on lained või osakesed. Thomas Young sõnastas 1800. aastal lainete superpositsiooni põhimõtte ja selgitas selle põhjal valguse interferentsi nähtust. 1808. aastal avastas Etienne Louis Malus Islandi spardi (kaltsiidi) kristallidega katsetades valguse polarisatsiooni nähtuse. 1816. aastal pakkus Augustin Jean Fresnel välja idee, et valguslained on risti. Fresnel selgitas ka valguse polarisatsiooni fenomeni: tavalises valguses tekivad võnked juhuslikult, kõikides suundades, mis on kiirte suunaga risti. Kuid läbides mõningaid kristalle, nagu Islandi sparv või turmaliini, omandab valgus erilised omadused: selles olevad lained võnguvad ainult ühes tasapinnas. Piltlikult öeldes on selline valgusvihk nagu villane niit, mis tõmmatakse läbi kahe terava žiletitera vahelise kitsa pilu. Inimsilm suudab tavalist valgust polariseeritud valgusest eristada vaid harvadel juhtudel ja raskustega, kuid seda saab hõlpsasti teha kõige lihtsamate optiliste instrumentide – polarimeetrite – abil.

Samuti leiti, et kui polariseeritud valgus läbib teatud aineid, siis polarisatsioonitasand pöörleb. Selle nähtuse avastas esmakordselt 1811. aastal François Dominique Arago kvartskristallides. Looduslikel kvartskristallidel on ebakorrapärane asümmeetriline struktuur ja neid on kahte tüüpi, mis erinevad oma kuju poolest, nagu ese peegelpildist. Need kristallid pööravad valguse polarisatsioonitasandit vastassuundades; neid kutsuti parema- ja vasakukäelisteks.

1815. aastal leidsid Jean Baptiste Biot ja Thomas Seebeck, et ka mõned orgaanilised ained (näiteks suhkur või tärpentin) suudavad pöörata polarisatsioonitasandit mitte ainult kristallilises, vaid ka vedelas, lahustunud ja isegi gaasilises olekus. . Seega tõestati, et optilist aktiivsust saab seostada mitte ainult kristallide asümmeetriaga, vaid ka molekulide enda tundmatu omadusega. Nagu kristallide puhulgi, võisid mõned keemilised ühendid eksisteerida parema- ja vasakukäeliste sortide kujul ning kõige hoolikama keemilise analüüsiga nende vahel erinevusi ei leitud. Selliseid sorte nimetati optilisteks isomeerideks ja ühendeid endid optiliselt aktiivseteks. Selgus, et optiliselt aktiivsetel ainetel on ka kolmandat tüüpi isomeere – optiliselt inaktiivne. Selle avastas 1830. aastal kuulus saksa keemik Jene Jacob Berzelius: viinhape C 4 H 6 0 6 on optiliselt inaktiivne ja täpselt sama koostisega viinhape pöörleb lahuses parempoolselt. Hiljem avastati "vasakpoolne" viinhape, mida looduses ei leidu – paremale pööramise antipood.

Aastal 1828 konstrueeris William Nicol, kasutades Islandi spardi läbipaistvaid kristalle, valguspolarisaatori - "Nicol-prisma". Ja olles 1839. aastal teostanud kahe sellise prisma kombinatsiooni, sai ta polarimeetri - seadme valguse polarisatsioonitasandi pöördenurga mõõtmiseks. Sellest ajast alates on selline polarimeeter muutunud üheks kõige levinumaks vahendiks füüsilistes laborites.

Pasteuri avastus

Uuringu käigus valmistas Pasteur viinhappe happelise naatriumsoola HOOC-CHOH-CHOH-COONa lahuse, küllastas lahuse ammoniaagiga ja sai vett aeglaselt aurustades ilusad prismalised naatriumammooniumsoola tetrahüdraadi Na kristallid. (NH) 4 C 4 H 4 O 6 4H 2 O. Need kristallid osutusid asümmeetrilisteks. Mõnel kristallil oli üks iseloomulik nägu paremal, teistel aga vasakpoolne ning kahte tüüpi kristallide kuju oli justkui teineteise peegelpilt. Need ja teised kristallid osutusid võrdseks. Teades, et sellistel juhtudel pöörlevad kvartskristallid eri suundades, otsustas Pasteur kontrollida, kas tema saadud soolal seda nähtust täheldatakse. Suurendusklaasi ja pintsettidega relvastatud Pasteur jagas kristallid ettevaatlikult kaheks hunnikuks. Nende lahendustel oli ootuspäraselt vastupidine optiline pöörlemine ja lahuste segu oli optiliselt inaktiivne. Ei olnud selge, miks üks lähtematerjal andis kristalle erinevad kujud. Pasteur sellega ei peatunud. Igast lahusest sadestas ta lahustumatu plii- või baariumisoola ja tugeva väävelhappega nendele sooladele mõjudes tõrjus ta välja nõrgema orgaanilise. Võiks oletada, et mõlemal juhul saadakse algne viinhape, mis mäletatavasti oli passiivne. Mis oli Pasteuri üllatus, kui selgus, et ühest soolalahusest ei tekkinud mitte viinamarjahapet, vaid tuntud paremale pööravat viinhapet ja teisest lahusest saadi sama, aga vasakule pöörlev hape! Seni polnud keegi vasakukäelist viinhapet näinud! Neid happeid nimetatakse d- veinipuu paremale pöörava sordi jaoks (alates lat. dexter- õige) ja l- veinine vasakule pöörava isomeeri jaoks (alates lat. laevus- vasakule).

Avastus seisnes selles, et ammu tuntud mitteaktiivne viinhape osutus seguks võrdsetes kogustes ka tuntud "parempoolsest" viinhappest ja senitundmatust "vasakpoolsest". Seetõttu puudub nende segul kristallis või lahuses optiline aktiivsus. Sellise segu jaoks hakati kasutama nimetust ratsemaat (ladina keelest racemus- viinamari; ladina keeles Acidum racemicum- viinhape) ja kahte antipoodi, mis võrdsetes kogustes segades annavad optiliselt inaktiivse segu, nimetatakse enantiomeerideks (kreeka keelest. enantios- vastupidine). Pasteuril vedas: tulevikus avastati vaid mõned sarnased optiliselt erinevate kristallide segu teatud temperatuuril kristalliseerumise juhtumid, mis on piisavalt suured, et neid saaks pintsettidega luubi all eraldada. Veelgi enam, viinhappe naatriumammooniumisool, millega Pasteur töötas, moodustab erineva kujuga kristalle ainult siis, kui kristalliseerumine toimub lahusest, mille temperatuur on alla 28 °C. Sel juhul sadestub tetrahüdraat. Rohkemaga kõrged temperatuurid sümmeetrilised monohüdraadi kristallid sadestuvad lahusest välja.

Peagi avastas Pasteur ka viinhappe neljanda vormi. See oli optiliselt inaktiivne, kuid ei olnud ratsemaat, kuna seda oli võimatu antipoodideks eraldada. Pasteur nimetas seda hapet kreeka keelest mesoviinhappeks. mesos- keskmine, keskmine. Pasteur leidis veel kaks meetodit ratsemaadi jagamiseks kaheks antipoodiks. Biokeemiline meetod põhineb mõnede mikroorganismide selektiivsel võimel absorbeerida ainult ühte isomeeri. Ja siin Pasteuril vedas. Üks apteekri apteeker andis talle kaua seisnud viinamarjahappe pudeli, milles sai alguse roheline hallitus. Pasteur sai oma laboris teada, et kunagine mitteaktiivne hape muutus vasakukäeliseks. roheline hallitusseen Penicillum glaucum lahjendatud viinhappe või selle soolade lahuses "sööb" ainult parempoolset isomeeri, jättes vasaku muutumatuks. Sellel hallitusel on sama mõju "mitteaktiivsele" mandelhappele, ainult sel juhul assimileerib see vasakule pööravat isomeeri, puudutamata paremale pööravat isomeeri. Paljud sellised juhtumid on teatavaks saanud. Näiteks pärm Saccharomycete ellipsoidalis ( Saccharomyces ellipsoidus), Erinevalt Penicillum glaucum, "spetsialiseerub" mandelhappe parempoolsele isomeerile, jättes vasaku muutmata. Teine viis ratsemaatide eraldamiseks oli keemiline. See eeldas eelnevalt optiliselt aktiivset ainet, mis ratseemilise seguga interakteerudes "valiks" sellest ainult ühe enantiomeeri. Näiteks optiliselt aktiivne alus andis viinhappega optiliselt aktiivse soola, millest sai eraldada vastava viinhappe ja happe enantiomeeri.

Pasteuri töö, mis tõestas optiliselt mitteaktiivse ühendi antipoodideks "lõhkumise" võimalust, äratas paljudes keemikutes esialgu umbusku. Isegi Biot ise ei uskunud oma abilist enne, kui ta oma kogemust oma käega kordas. Peagi jagas Joseph Le Bel, kasutades kolmandat Pasteuri meetodit, mitu alkoholi optiliselt aktiivseteks antipoodideks. Johann Wislicenus tegi kindlaks, et piimhapet on kaks: optiliselt inaktiivne, mis moodustub hapupiimas (fermenteeritud piimhape) ja paremale pöörav, mis ilmneb töölihases (liha-piimhape). Selliseid näiteid tuli aina juurde ja vaja oli teooriat, mis selgitaks, kuidas antipoodide molekulid üksteisest erinevad. Sellise teooria lõi noor Hollandi teadlane Van't Hoff ("Keemia ja elu", 2009, nr 1). Selle teooria kohaselt võivad molekulid, nagu ka kristallid, olla "parempoolsed" ja "vasakpoolsed", olles üksteise peegelpildiks. Lihtsaim näide on molekulid, millel on nn asümmeetriline süsinikuaatom, mida ümbritseb neli erinevat rühma. Võtame lihtsaima aminohappe alaniini: kahte kujutatud molekuli ei saa ruumis ühegi pöördega ühendada.

Selliseid struktuure, mis erinevad üksteisest nagu parem käsi vasakust, nimetatakse kiraalseteks (kreeka keelest. juuksed- käsi).

Viinhappel on kaks asümmeetrilist süsinikuaatomit. Kui mõlemad on “paremad”, saad paremale pöörava (+)-viinhappe, kui “vasakul” - vasakule pöörava (–)-viinhappe, kui üks on “vasak” ja teine “parem”, siis saad mesoviinhappe. . Kui segu on võrdselt "parempoolsed" ja "vasakpoolsed" molekulid, on aine tervikuna optiliselt inaktiivne. Just need ained saadakse kolvis tavapärase keemilise sünteesi tulemusena. Ja ainult elusorganismides tekivad asümmeetriliste ainete (näiteks ensüümide) osalusel asümmeetrilised ühendid. Seega on looduses ülekaalus ainult ühe konfiguratsiooniga aminohapped ja sahhariidid ning nende antipoodide moodustumine on alla surutud. Mõnel juhul saab erinevaid enantiomeere eristada ilma igasuguste instrumentideta – kui need meie kehas asümmeetriliste retseptoritega erinevalt interakteeruvad. Ilmekas näide on aminohape leutsiin: selle paremale pöörav isomeer on magus ja vasakule pöörav isomeer on kibe. Pange tähele, et loomulikule küsimusele – kuidas esimesed optiliselt aktiivsed keemilised ühendid Maal tekkisid – pole veel selget vastust.

Absoluutne konfiguratsiooniprobleem

Varem ei olnud võimalik kindlaks teha, milline on ühe või teise optiliselt aktiivse aine, näiteks ülalmainitud alaniini molekulide tegelik ruumiline konfiguratsioon. Puhtkeemiliste meetoditega oli aga võimalik kindlaks teha erinevate ainete konfiguratsioonide sarnasus. Näiteks paremale pööravad molekulid d-glütseraldehüüdid olid oma konfiguratsioonis sarnased vasakukäelistele l-piimhape ja paremale pöörav d- õunhape. 1906. aastal valiti M. A. Rozanovi ettepanekul optiliselt aktiivsete molekulide suhtelise konfiguratsiooni määramise standardiks glütseraldehüüd. Samal ajal tegi E. G. Fischer ettepaneku määrata paremale pööravale glütseraldehüüdile (puhtsuvaliselt) struktuur,

milles tärn tähistab asümmeetrilist süsinikuaatomit, mis on seotud nelja erineva asendajaga. Sellistel joonistel asuvad kaks "horisontaalset" sidet (antud juhul on need C-H ja C-OH sidemed) joonise tasandi all ning kaks "vertikaalset" sidet (C-CHO ja C-CH 2 OH) lennuki kohal. Seda pildistamismeetodit nimetatakse Fischeri projektsiooniks, mis sai nime Emil Hermann Fischeri, 1902. aasta teise Nobeli keemiaauhinna saaja järgi.

Paar sõna meile praktiliselt tundmatust Rozanovist. Martin Andre Rozanov (1874–1951) sündis Ukrainas Abraham ja Clara Rosenbergi perekonnas. Pärast kodumaal Nikolajevi klassikalise gümnaasiumi lõpetamist jätkas ta haridusteed Berliinis ja Pariisis ning seejärel New Yorgis. Ta töötas New Yorgi ülikoolis, seejärel Pittsburghi Melloni instituudis, kus esimest korda instituudi ajaloos anti talle eluaegne keemiaprofessuuri ametikoht. Õde Martina Lillian (1886–1986) oli Long Islandi ülikooli matemaatikaosakonna dekaan; vend Aaron Joshua oli kuulus Ameerika psühhiaater, kes töötas Californias. M. A. Rozanovi “mittekeemiliste” teoste hulgast torkab silma mahukas artikkel “Edison oma laboris” (1932), milles autor kirjeldas muuhulgas erinevaid naljakaid juhtumeid, sealhulgas oma kogemustest kuulsaga suhtlemisel. leiutaja.

Kujutatud struktuur sai nimeks D(+)-glütseraldehüüd. Sellest lähtuvalt hakati kõiki selle aldehüüdiga stereokeemiliselt sarnaseid aineid omistama D-seeriasse. Selle aldehüüdi optilist antipoodi nimetati L-glütseraldehüüdiks ja sellega seotud aineid hakati omistama L-seeriale (“+” tähendab, et polarisatsioonitasand pöörleb paremale, “–” - vasakule):

Glütseraldehüüd on üks lihtsamaid optiliselt aktiivseid ühendeid, seda on lihtne saada glütserooli oksüdeerimisel ja mis kõige tähtsam, seda saab kasutada kõige rohkem mitmesugused ühendused. See määrab paremale pöörava viin- ja õunhappe ning isoseriini, vasakule pöörava piimhappe ja paljude teiste optiliselt aktiivsete ühendite suhtelise konfiguratsiooni. Glütseraldehüüdi aldoolkondensatsioon dihüdroksüatsetooniga tekitab fruktoosi ja sorboosi segu, mida saab eraldada. On selge, et selliste sünteeside käigus peab asümmeetrilise süsinikuaatomi absoluutne konfiguratsioon jääma muutumatuks. See juhtub siis, kui selle süsinikuaatomi keemiline side ühe naaberasendajaga ei katke. Vastasel juhul võib tekkida optilise aktiivsuse kadu (nagu näiteks S N 1 tüüpi nukleofiilsete asendusreaktsioonide korral) või konfiguratsiooni muutumine vastupidiseks. Viimane protsess, nn Waldeni konversioon, toimub näiteks reaktsioonides S N 2; see on nime saanud Paul (Pavel Ivanovitš) Waldeni (1863–1957) järgi, kes avastas selle 1889. aastal.

Väiketähtede asemel võeti kasutusele suurtähed D ja L, et mitte segi ajada glütseraldehüüdi suhtes kehtestatud aine konfiguratsiooni selle aine valguse polarisatsioonitasandi pöörlemissuunaga. Ja nii juhtuski, et osa D-seeria ühendeid pöörleb paremale, osa vasakule ning pöörlemissuund ei ole kuidagi seotud aine kuulumisega ühelegi neist seeriatest. Näiteks on loodusest leitud ainult D(-)-fruktoosi (ehk levuloosi, kuna see pöörab polarisatsioonitasandit vasakule). Teisest küljest on nii L- kui ka D-asparagiinid paremale pööravad aminohapped. Mandelhappel C 6 H 5 CH (OH) COOH on kaks optilist isomeeri: vasakule pöörav D (–)- ja paremale pöörav L (+) isomeer. Selliseid näiteid on palju. Seetõttu ei saa vuugi pöörlemismärgi ja selle konfiguratsiooni vahelist seost ette kindlaks määrata: kahel sama suhtelise konfiguratsiooniga liigendil võivad olla vastupidised pöörlemismärgid. Ja vastupidi, sama pöörlemismärgiga sarnastel ühenditel võib olla vastupidine suhteline konfiguratsioon.

Molekuli absoluutse konfiguratsiooni otsene määramine on keeruline ülesanne ja keemikud said pikka aega hakkama lihtsalt molekulide määramisega D- või L-seeriasse. Ja alles 20. sajandi keskel lahendas selle probleemi J. Beivut koos töötajatega, kes töötasid Utrechti ülikooli Van't Hoffi laboris. Tähtis töö pealkirjaga "Optiliselt aktiivsete ainete absoluutse konfiguratsiooni määramine röntgendifraktsiooni abil" avaldati 18. augustil 1951 ajakirjas " Loodus". Autorid näitasid D(+)-viinhappe kaalium-rubiidiumisoola kristallide röntgendifraktsioonianalüüsiga, et Fischer ei eksinud glütseraldehüüdi enantiomeeride absoluutse konfiguratsiooni postuleerimisel! Ja see tähendab, et kõigi optiliselt aktiivsete ühendite mitte ainult suhtelised, vaid ka absoluutsed konfiguratsioonid määrati õigesti! Tegelikult oli Fischeril täpselt 50% tõenäosus õige valik või tee viga. Sarnane lugu leidis aset siis, kui ammu enne elektroni avastamist voolu suund elektrivool. Ja - nad tegid vea, valides suuna plussist miinusesse.

Sest Beivuti põhjapanev originaalpublikatsioon ajakirjas Loodus esialgseid katseandmeid ei esitatud, küsimus tehtud järelduste paikapidavuse kohta jäi põhiliseks, seda enam, et tolleaegne katsetehnika polnud kaugeltki täiuslik. Eelkõige puudusid arvutid, ilma milleta ei saaks praegu teha ükski töö röntgendifraktsioonianalüüsi valdkonnas. Kõigi võimalike kahtluste kõrvaldamiseks keskuse töötajad molekulaarbioloogia Utrechti ülikool Martin Lutz ja M. M. Schroers võtsid hiljuti kohustuse testida oma kolleegide enam kui poole sajandi taguseid tulemusi tipptasemel seadmete abil. Nende töö, mis avaldati 2008. aasta augustis ajakirjas Acta Crystallographica", jaotis C: " Kristallstruktuuri side”, kandis nime “Kas Beivutil oli õigus? Naatriumtartraadi tetrahüdraadi - rubiidiumi kordusuuring". Üksikkristalli saamiseks kuumutasid autorid (+)-viinhappe lahuse temperatuurini 60 °C ja hakkasid sellele tilkhaaval lisama naatrium- ja rubiidiumkarbonaatide ekvimolaarse segu lahust. Esimesena sadenes välja vähem lahustuv happeline rubiidiumtartraat. Seejärel, kui süsinikdioksiidi eraldumine lõppes, läks sade täielikult lahusesse. Kui see aurustub toatemperatuuril tekkis värvitu pulber, mille ümberkristallimisel minimaalsest veekogusest saadi uurimiseks sobivad Na + ·Rb + ·C 4 H 4 O 6 2– ·4H 2 O kristallid. Artikli pealkirjas esitatud küsimusele vastasid autorid "jah".

Beivuti töö kaastöötajatega 1951. aastal oli tõeliselt epohhiloov. Esimest korda sai võimalikuks vabaneda mõningast ebakõlast tähistustes D ja L, mis näitasid ainult geneetilist seost glütseroolaldehüüdidega, kuid mitte optilise pöörlemise suunda. See võimalus realiseeriti 1956. aastal Robert Sidney Kahni ja Christopher Kelk Ingoldi ning 1975. aasta Nobeli preemia laureaadi (koos J. W. Cornforthiga) Vladimir Prelogi ettepanekul. Nende esimene artikkel avaldati suhteliselt ebaselges Šveitsi ajakirjas Kogemused”, kuid ettepanek võeti siiski laialdaselt vastu. Nii on seda üksikasjalikult kirjeldatud Louis ja Mary Featheri orgaanilise keemia õpikus (1961, venekeelne tõlge 1966). Kuid see süsteem sai kõige kuulsamaks pärast üksikasjaliku universaalse stereokeemilise nomenklatuuri avaldamist 1966. aastal (vt Cahn R.S., Ingold S.K., Prelog V. Molekuli kiraalsuse kirjeldus // Angew. Chem., Int. Ed. Inglise, 1966, 5, 385–415; täistekst – PDF, 3,4 Mb).

Autorid tegid ettepaneku võtta kasutusele kiraalsuse mõiste kui objekti omadus, mis ei sobi kokku selle peegeldusega ideaalses lamepeeglis ja R—S- süsteem (alates lat. rectus- sirge, õige ja kurjakuulutav- vasakul), et näidata kiraalsust.

Selle reegli optiliselt aktiivsetele ühenditele kohaldamise üksikasjaliku kirjelduse leiate orgaanilise keemia õpikutest, samuti K. P. Butini õpikust. See kasutab teatud rühmade paigutust kiraalse keskuse ümber - päripäeva, vastavalt nende rühmade "staažile". Eelkõige saab uue nomenklatuuri kohaselt nimetuse paremale pöörlev D-glütseraldehüüd R. Märge R Ja S lisatakse ühendi nimele eesliidetena. Seega on 1-bromo-1-kloroetaani enantiomeerid R-1-bromo-1-kloroetaan ja S-1-bromo-1-kloroetaan. Nende optiliselt inaktiivne ratseemiline modifikatsioon on tähistatud R,S-1-bromo-1-kloroetaan. Pärimuse kohaselt on aga vanad tähised D ja L laialdaselt kasutusel ka näiteks suhkrute ja aminohapete puhul.

Selle jaotise lõpetuseks märgime veel ühe väga levinud eksiarvamuse – et kõik looduslikud aminohapped kuuluvad väidetavalt eranditult L-seeriasse. Tegelikult see nii ei ole: D-aminohappeid leidub ka looduses, kuigi harvemini kui L-seeria aminohappeid, peamiselt madalamate organismide maailmas. Neid leidub näiteks peptiidantibiootikumides, mõne bakteri kestas. Mõned kuumaveeallikates ja termaalvetes elavad termofiilsed mikroorganismid kasutavad osmoregulaatorina D-alaniini kõrget kontsentratsiooni. Kõrgemate organismide vereplasmas on ka D-aminohappeid. Inimkeha toodab neurotransmitterina D-seriini. D-alaniini, D-asparagiini ja D-seriini leidub kõrgemate organismide närvirakkudes. D-aminohapetega töötavad nad näiteks Moskva Riikliku Ülikooli keemiateaduskonna keemilise ensümoloogia osakonnas. Ja 2008. aastal kaitses A. V. Dmitriev Moskva Riikliku Ülikooli bioloogiateaduskonnas füüsika- ja matemaatikateaduste doktori kraadi teemal "Ioonide transpordi füüsikalised ja keemilised mehhanismid looduslikes ja kiraalselt modifitseeritud mudelkanalites". Autor uuris eelkõige D-aminohappeid sisaldavaid modifitseeritud mudelvalke. On näidatud, et kümnest D-aminohappest piisab D-aminohapetest üles ehitatud loodusliku funktsionaalsusega valgu primaarstruktuuri saamiseks.

Kiraalsed ravimid

Keemikud nimetavad enantiomeere sageli üheks ühendiks, kuna nende keemilised omadused on identsed. Nende bioloogiline aktiivsus võib aga olla täiesti erinev. See ilmnes pärast traagilist lugu talidomiidist – ravimist, mida rasedad naised 20. sajandi 60. aastatel Euroopas laialdaselt kasutasid tõhusa unerohi ja rahustina. Aja jooksul ilmnes selle teratogeenne toime ja paljud lapsed sündisid kaasasündinud väärarenguga. Pärast seda laenasid eurooplased rangema Ameerika ravimite sertifitseerimissüsteemi – Ameerikas ei tohtinud talidomiidi müüa. Kuid alles 80ndate lõpus sai selgeks, et ainult üks talidomiidi enantiomeeridest sai õnnetuse põhjuseks. See annustamisvormi erinevus ei olnud varem teada ja turustatav talidomiid oli ratseemiline segu.

Praegu toodetakse paljusid ravimeid optiliselt puhaste ühendite kujul. Neid saadakse kolmel meetodil: ratseemiliste segude eraldamine, looduslike optiliselt aktiivsete ühendite (nende hulka kuuluvad süsivesikud, aminohapped, terpeenid, piim- ja viinhapped jne) modifitseerimine ja otsene süntees. Viimane nõuab ka kiraalseid allikaid, kuna kõik muud tavapärased sünteetilised meetodid annavad ratsemaadi. See on mõnede ravimite kõrge hinna üks põhjusi ja pole üllatav, et paljudest kogu maailmas toodetud sünteetilistest kiraalsetest ravimitest on ainult väike osa optiliselt puhtad, ülejäänud on ratsemaadid.

Vajadus optiliselt puhaste enantiomeeride järele on seletatav ka sellega, et sageli on ainult ühel neist soovitud ravitoime, samas kui teine antipood võib olla parimal juhul kasutu ja halvimal juhul põhjustada soovimatuid kõrvalmõjusid või olla mürgine. Samuti juhtub, et igal enantiomeeril on oma spetsiifiline toime. Jah, vasak käsi S-türoksiin (ravim levotroid) on looduslik T4 kilpnäärmehormoon. paremale pööraja R-türoksiin ("dekstroid") alandab vere kolesteroolitaset. Mõned tootjad pakuvad selliste juhtumite jaoks välja palindroomi kaubanimed, näiteks " Darvon"narkootilise valuvaigisti jaoks ja" Novrad» köhavastase ravimi jaoks.

Nagu juba märgitud aminohappe leutsiini näitel, on inimene kiraalne olend. Ja see kehtib mitte ainult välimus. Enantiomeersed ravimid, mis interakteeruvad kehas kiraalsete molekulidega, nagu ensüümid, võivad toimida erineval viisil. "Õige" ravim sobib oma retseptoriga nagu luku võti ja käivitab soovitud biokeemilise reaktsiooni. Antiarütmiline aine S-anapriliin toimib sada korda tugevamini kui R-vorm. Anthelmintiline ravim levamisool on aktiivne peamiselt S isomeer, samas kui selle R- antipood põhjustab iiveldust, nii et omal ajal asendati ratseemiline levamisool ühe enantiomeeriga. 60ndatel prooviti parkinsonismi ravida üht adrenaliini eelkäijat organismis – dioksüfenüülalaniini (L-DOPA). Samal ajal selgus, et see aine, nagu ka sellega seotud dopamiin ja metüüldopa, on tõhusad ainult kujul S-isomeer. Samal ajal R-DOPA põhjustab tõsiseid kõrvaltoimeid, sealhulgas verehaigusi. Kindel" Merck"töötas välja meetodi antihüpertensiivse ravimi metüüldopa valmistamiseks, mis hõlmab ainult soovitud enantiomeeri spontaanset kristalliseerumist selle isomeeri väikese seemne lisamisega lahusesse.

Ja viimane näide. Penitsillamiin (3,3-dimetüültsüsteiin) on aminohappe tsüsteiini üsna lihtne derivaat. Seda ainet kasutatakse ägeda ja kroonilise mürgistuse korral vase, elavhõbeda, plii ja muude raskemetallidega, kuna see annab nende metallide ioonidega tugevaid komplekse ja need kompleksid eemaldatakse neerude kaudu. Penitsillamiini kasutatakse ka mitmesuguste reumatoidartriidi vormide, süsteemse sklerodermia ja paljudel muudel juhtudel. Sel juhul ainult S- ravimi vorm R-isomeer on toksiline ja võib põhjustada pimedaksjäämist. Mitte ilma põhjuseta Ameerika ajakirja juuninumbri kaanel " Journal of Chemical Education» 1996. aastaks pandi selline ebatavaline joonistus. Mitte vähem kõnekas ei olnud ka antipodaalseid ravimeid käsitleva artikli pealkiri: "Kui molekul vaatab peeglisse."

Ilja Abramovitš Leenson,
PhD keemias
"Keemia ja elu" nr 5, 2009

Varem kirjeldati struktuurset isomeeriat, mis tuleneb molekulide aatomite ja sidemete erinevast vaheldumise järjekorrast ning kahte tüüpi ruumilisest isomeeriast: pöörlevast ja geomeetrilisest ( cis-trans), mis on seotud sama struktuuriga molekulide fragmentide erineva paigutusega ruumis. On ka teist tüüpi stereoisomeeria – optiline isomeeria.

Optilised isomeerid on kõigis oma füüsikalistes ja keemilistes omadustes ühesugused ning erinevad ainult kahest aspektist.

1 Kristalliseerumise käigus moodustuvad need kristallid, millel puudub sümmeetriatasapind ja mis suhestuvad üksteisega objektina oma peegelpildiga. See omadus võimaldas Pasteuril avastada optilise isomeeria fenomeni. Viinhappe kristalliseerumisel avastas ta visuaalselt kahe kristallid erinevat tüüpi ja eraldades need, eraldati viinhappe puhtad stereoisomeersed vormid.

2 Optilised isomeerid on polariseeritud valgusega seotud erinevalt.

Valgusvihus toimuvad elektri- ja magnetvektori võnkumised nii vastastikku risti, kui ka kiirte levimissuunaga risti. Veelgi enam, näiteks elektrivektori võnkesuund muutub ajas kaootiliselt, muutes vastavalt magnetvektori võnkesuunda. Polariseeritud kiires elektrilise ja magnetilise vektori võnkumised esinevad mõlema puhul üks rangelt fikseeritud tasapind, polarisatsioonitasand. Kui polariseeritud kiir läbib mõnda läbipaistvat vedelat ja kristallilist ainet, siis polarisatsioonitasand pöörleb. Ühendeid, mis pööravad polariseeritud kiire polarisatsioonitasapinda, nimetatakse optiliselt aktiivseteks või optiliselt aktiivseteks. Erinevate ainete optilise aktiivsuse kvantitatiivseks võrdlemiseks arvutatakse väärtus spetsiifiline pöörlemine. Kuna nurga väärtus, valguse polarisatsioonitasandi pöörlemine sõltub lisaks aine olemusele ka temperatuurist, valguse lainepikkusest, ainekihi paksusest, millest polariseeritud valgus läbib. , ja lahuste puhul ka lahusti ja aine kontsentratsiooni puhul on eripööre konstantsel temperatuuril ja valguse lainepikkusel

kus α on polarisatsioonitasandi pöördenurk kihi paksuse juures l ja aine tihedus d, t- temperatuur, D on naatriumi spektri kollase joone fikseeritud lainepikkus.

Lahenduse jaoks

Kus KOOS- lahuse kontsentratsioon aine grammides 100 ml lahuse kohta.

Sahharoosi kääritamisel tekkiv piimhape bakterite abiga pöörab valguse polarisatsioonitasandit vasakule(vastupäeva). Seda nimetatakse vasakule pööravaks või vasakpoolseks piimhappeks ja tähistatakse: (-) - piimhape.

Piimhape pöörab valguse polarisatsioonitasandit paremale, nimetatakse õigeks piimhappeks ja tähistatakse: (+) - piimhape. See piimhappe optiline vorm vabaneb loomade lihastest ja seda nimetatakse liha-piimhappeks.

INkristalne faas aine optiline aktiivsus on seotudkristallstruktuuri asümmeetria. INvedel- ja gaasifaasid ta sidusmolekulaarse asümmeetriaga. 1874. aastal märkisid van't Hoff ja Lebel, stereokeemilise teooria rajajad peaaegu üheaegselt, et optiliselt aktiivsed ained sisaldavad oma molekulides vähemalt ühte süsinikku, mis on seotudneli erinevatrühmad. Neid süsinikuaatomeid nimetatakse asümmeetriline. Asümmeetrilise süsinikuaatomi olemasolu molekuli struktuuris on märk ühendi molekulide asümmeetriast ja järelikult ka aine optilisest aktiivsusest.

Optilise isomeeria puhul on asümmeetrilised süsinikuaatomid tavaliselt tähistatud tärniga (*):

Nagu struktuurivalemitest näha, ei ole asümmeetrilist süsinikuaatomit sisaldavatel ühenditel sümmeetriatasapinda.

Piimhappe optilised isomeerid, s.o. Selle happe (-) ja (+)-vormidel on üksikute rühmade ruumiline paigutus molekulis erinevalt ja need on üksteise peegelpildid. Peegeldus mis tahes objekti peeglis, millel puudub sümmeetriatasand, pole sama mis teema ja on selle antipood (enantiomeer).

Näiteks inimfiguuri peegeldus peeglis ei ole originaaliga identne. Inimese vasak pool paistab peeglis parema küljena ja vastupidi. Jooniselt on näha, et parempoolne mudel ruumis peale asetatuna ei lange vasakpoolsega kokku. Seda objekti omadust olla kokkusobimatu selle tasase peegelpildiga nimetatakse tavaliselt kui kiraalsus.

Optilisi isomeere, mis on üksteise peegelpildid, nimetatakseantipoodid(enantiomeerid). Nad pööravad polarisatsioonitasapindaerinevates suundades samade nurkade all.

Piim- ja liha-piimhapped on antipoodid (enantiomeerid). Need stereoisomeerid pööravad polarisatsioonitasapinda erinevates suundades samade nurkade all.

Võrdse arvu antipoodide segu on pöörlemise kompenseerimise tõttu optiliselt inaktiivne ja seda nimetatakseratsemaat.

Seega ei mõjuta sünteetiliselt saadud piimhape polariseeritud valgust. See koosneb võrdses koguses vasak- ja parempoolsete vormide segust, on optiliselt passiivne ja tähistatud (±) - piimhape.

Optiliselt aktiivsete ühendite ruumilise struktuuri kujutamise mugavuse huvides kasutatakse nn Fischeri pakutud projektsioonivalemid, mis on saadud molekulide tetraeedriliste mudelite projitseerimisel joonise tasapinnale

Nende kasutamisel tuleb meeles pidada, et projektsioonivalemite liikumine, nende üksteisele pealesurumine on lubatud ainult joonise tasapinnal. Samuti on arusaadav, et ülemine ja alumine rühm on joonistustasandi taga, külgmised rühmad on selle ees. Parema ja vasaku piimhappe projektsioonivalemid nende reeglite kohaselt loomulikult ei ühine.

Optilise isomeeria väga oluline punkt on see, et valguse polarisatsioonitasandi suurus ja pöörlemissuund ei sõltu otseselt konfiguratsioonist (ruumilisest struktuurist) ühendused.

Näiteks parempoolse piimhappe estrid ja eetrid, millel on happe endaga sama konfiguratsioon, pöörlevad vasakule.

Sellest järeldub, et keemilise struktuuriga sarnaste ainete seeria ühe liikme pöörlemismärk ei saa veel olla selle ülejäänud osade konfiguratsiooni ja pöörlemismärgi tunnuseks.

Tekib küsimus, kas erinevate ainete optiliste isomeeride konfiguratsioonid on teada ja kuidas neid määratakse. Keemilised meetodid ei võimalda määrata antipoodide absoluutset (tõelist) konfiguratsiooni antipoodide keemiliste omaduste identsuse tõttu. Samal ajal saavad need meetodid määrata optiliste isomeeride suhtelise konfiguratsiooni. Optiliselt aktiivseid ühendeid saab keemiliselt muuta üksteiseks ilma konfiguratsiooni muutmata. Seejärel, kui algse "referentsi" ühenduse konfiguratsioon on teada, on sellest saadud ühendus sama konfiguratsiooniga.

1891. aastal soovitasid õigust kasutada Fischer ja 1906. aastal Rozanov (+)-glütseraldehüüd. Talle määrati meelevaldselt konfiguratsioon " D". Selle antipood, (–)-glütseraldehüüd vastavalt konfiguratsiooni arvestades " L».

See võimaldas paigaldada suhteline konfiguratsioon optilised stereoisomeerid keemiliste vahenditega. Sel juhul omistatakse D(+)-glütseraldehüüdi derivaatidele D-suhteline konfiguratsioon.

Näiteks on piimhappe suhteline konfiguratsioon kindlaks tehtud glütseraldehüüdi muundamise teel piimhappeks.

Selgus, et D(+)-glütseraldehüüd vastab konfiguratsioonilt vasakpoolsele D(–)-piimhappele.

Alles 1951. aastal tehti röntgenanalüüsiga kindlaks D-glütseraldehüüdi absoluutne konfiguratsioon. Selgus, et selle konfiguratsiooni valik oli õige. Seega on nüüdseks teatavaks saanud paljude ainete absoluutsed konfiguratsioonid.

Lisaks kirjeldatule DL- nomenklatuur optiliste stereoisomeeride konfiguratsiooni tähistamiseks, nn RS-Kahni, Ingoldi, Prelogi nomenklatuur, mis ei ole seotud võrdlusühenduse konfiguratsiooniga ("standard"). Seda kirjeldatakse õppekirjanduses.

Piimhape, CH3-CHOH-COOH

Piimhapet saadakse piimhappenitriili või suhkrurikaste ainete piimhappekääritamise teel.

Seda kasutatakse nahatööstuses ja kangaste värvimisel.

Õunahape

See on kahealuseline kolmeaatomiline hape. Keemilises mõttes on sellel α- ja β-hüdroksühapete omadused, kuna hüdroksüülrühm on ühe happerühma suhtes α-asendis ja teise happerühma suhtes β-asendis. Taastamisel annab merevaikhape, dehüdratsiooniga - maleiin- või fumaarhape:

HOOC - CH - CH - COOH → HOOC - CH \u003d CH - COOH + H 2 O

Õunhappel on üks asümmeetriline süsinikuaatom ja see on optiliselt aktiivne.

Vasak ja parem õunhape sulavad 100°C juures. Ratsemaat - temperatuuril 130–131 °C. Looduses leidub õunhappe vasakpoolset vormi: pihlakas, õuntes, viinamarjades.

Viinhapped ( dihüdroksüsuktsiin)

Neil on sama struktuurvalem

ja erinevad ruumilise struktuuri poolest.

Nagu valemist nähtub, on viinhappel kaks asümmeetrilist süsinikuaatomit. Optiliste isomeeride arv ühendites, mille molekulaarstruktuuris on mitu asümmeetrilist süsinikuaatomit, leitakse valemiga N=2 n , Kusnon asümmeetriliste süsinikuaatomite arv.

Seetõttu tuleks viinhappe puhul eeldada nelja optilist stereoisomeeri:

Vastavalt projektsioonivalemite käsitsemise reeglitele, kui kaks viimast vormi on üksteise peale asetatud, osutuvad need identseteks (üks vormidest tuleks pöörata joonise tasapinnas 180 °). Seega realiseerub viinhape nelja stereoisomeerse vormi asemel kolmes. Lisaks osutub kolmas stereoisomeer (III) oma sümmeetria tõttu optiliselt passiivseks (sümmeetriatasand on näidatud joonisel): ülemise tetraeedri poolt põhjustatud valguse polarisatsioonitasandi pöörlemine kompenseeritakse täielikult alumine tetraeeder, mis on suuruselt võrdne, kuid märgilt vastupidine. Meie ees on näide asümmeetriliste süsinikuaatomitega stereoisomeersest vormist, mis on oma sümmeetria tõttu optiliselt inaktiivne. Selliseid stereoisomeere nimetatakse mesovormideks.

Aine stereoisomeere, mis ei ole üksteise peegelpildid, nimetatakse diastereoisomeerideks. Selle määratluse kohaselt on viinhappe esimene ja teine ruumiline vorm mesoviinhappe suhtes diastereomeerid (ja vastupidi).

Kuna antipoodid neil on sama (ainult pöördvõrdeline) struktuur, nende omadused, välja arvatud nende seos polariseeritud valgusega, on samuti samad. diastereomeerid ei ole oma ruumilise struktuuri poolest identsed, seega on nende omadused veidi erinevad.

Viinhappe ruumilise isomeeria analüüsi lõpetuseks võib öelda, et seda esindavad kaks antipoodi (vorm I ja II), nende ratsemaat, mida nimetatakse viinhappeks, ja diastereomeerne mesovorm (III).

Dextrorotatory, (+)-viinhape on looduses väga levinud, eriti viinamarjamahlas. Viinamarjamahla kääritamise käigus vabaneb see happelisest kaaliumtartraadist koosneva hambakivi kujul.

Seda soola kasutatakse peitsina tekstiilide värvimisel ja trükkimisel.

Teine, (+)-viinhappe kaalium-naatriumsool - nn Rochelle'i sool,

kasutatakse raadiotehnikas piesokristallina. See on osa Fehlingi vedelikust, mida kasutatakse redutseerivate ainete (nt aldehüüdide) analüütiliseks määramiseks.

Meso-viinhape saadakse koos viinamarjahappega, keetes mitu tundi (+)-viinhapet liigse seebikiviga.

Sidrunihape

Looduses leidub seda üsna sageli: peedis, karusmarjades, viinamarjades, sidrunites, vaarikates, tubakalehtedes. Optiliselt mitteaktiivne.

Sidrunhapet kasutatakse toiduainetööstuses, värvimisel, fotograafias, vere säilitamisel jne.

aldoonhapped

aldoonhapped on polühüdroksükarboksüülhapped üldvalemiga HOCH 2 n COOH, mis on formaalselt aldehüüdrühma oksüdatsiooniproduktid süsivesikuid(aldoos). Kõige tüüpilisem aldoonhapete sünteesi laborimeetod on kergesti kättesaadavate aldooside oksüdeerimine broomiga selle vesilahuses.

Aldoonhapped ja nende derivaadid mängivad olulist rolli monosahhariidide sünteetilises keemias.

Meetodid ratsemaatide eraldamiseks optiliselt aktiivseteks komponentideks

Praegu kasvab kiiresti vajadus enantiomeerselt puhaste ainete järele nii kaasaegsete ülitõhusate ravipreparaatide tootmiseks kui ka põllumajanduse ja metsakaitse vajadusteks: uute kõrge aktiivsusega insektitsiidide, herbitsiidide, fungitsiidide ja muude kahjuritõrjevahendite tootmiseks. kontroll. Enantiomeerselt puhaste ainete saamine nendel eesmärkidel on võimalik kas nende täieliku keemilise sünteesi meetodite väljatöötamise kaudu (mitmed saavutused selles valdkonnas on pälvinud Nobeli keemiaauhindu) või ratseemiliste segude eraldamise teel. Vaatleme mõningate ratsemaatide optiliselt aktiivseteks komponentideks eraldamise meetodi põhimõtteid.

– mehaaniline valik. Kristalliseerumise käigus kristalliseeruvad ratsemaadid mõnikord eraldi parem- ja vasakpoolsete vormidena. Veelgi enam, nende kristallid on vormilt üksteisega seotud objektina selle peegelpildiga. Sel juhul saab neid välimuse järgi mehaaniliselt valida.

– biokeemiline eraldamine. See põhineb asjaolul, et mikroorganismid on oma elutegevuse käigus võimelised tarbima eelistatavalt ainult üht optilist isomeeri. Tavaliselt on see optiline vorm looduses tavalisem. Seetõttu jääb seente paljunemisel ja idanemisel ratsemaadilahuses mõne aja pärast järele vaid üks optiliselt aktiivne vorm.

– Diastereomeeride omaduste erinevusel põhinevad meetodid

Seega peaksid optiliselt aktiivse happe antipoodide soolad sama optiliselt aktiivse alusega andma erineva lahustuvusega diastereomeere. See võimaldab neid kristallimise teel eraldada.

Sissejuhatus

1. Optiline aktiivsus

1.1 Optiliselt aktiivsed ained

1.2 Optilise aktiivsuse füüsilised põhjused

1,2 a. Fenomenoloogiline mudel

1.2 b. Kvantteooria

1,2 tolli Korpuskulaarteooria

2. Kiraalsed molekulid

2.1 Punktide sümmeetriarühmad

2.1 a. Oma sümmeetriatelg

2.1 b. Vale sümmeetriatelg

2,1 tolli Punktisümmeetriarühmade tüübid

2.2 Kiraalsuse sümmeetriline määratlus

2.3 Kiraalsuse tüübid

3. Enantiomeeride nomenklatuur

3.1 Konfiguratsiooni järgi: R - ja S

3.2 Optiline aktiivsus: +/-

3.3 Konfiguratsiooni järgi: D - ja L-

4. Konfiguratsioonimeetodid

4.1 Absoluutse konfiguratsiooni määratlus

4.1 a. Röntgendifraktsioon

4.1 b. Optilise pöörde teoreetiline arvutus

4.2 Suhtelise konfiguratsiooni määratlus

4.2 a. Keemiline korrelatsioon

4.2 b. Suhtelise konfiguratsiooni loomine füüsiliste meetodite abil

5. Enantiomeeride eraldamise meetodid

5.1 Lõhustamine diastereomeeride kaudu

5.2 Kromatograafiline eraldusvõime

5.3 Mehaaniline poolitamine

5.4 Ensümaatiline seedimine

5.5 Optilise puhtuse kindlaksmääramine

Järeldus

Kirjandus

Sissejuhatus

Orgaaniliste ühendite hulgas on aineid, mis on võimelised valguse polarisatsioonitasapinda pöörama. Seda nähtust nimetatakse optiliseks aktiivsuseks ja vastavaid aineid nimetatakse optiliselt aktiivseteks. Optiliselt aktiivseid aineid leidub optiliste antipoodide paaride kujul - isomeerid, mille füüsikalised ja keemilised omadused on tavatingimustes samad, välja arvatud üks - polarisatsioonitasandi pöörlemise märk. (Kui ühel optilisel antipoodil on nt eripööre (+20 o, siis teisel on eripööre - 20 o).

Optiline isomeeria ilmneb siis, kui molekulis on asümmeetriline süsinikuaatom; see on süsinikuaatomi nimi, mis on seotud nelja erineva asendajaga. Asümmeetrilise aatomi ümber on võimalik asendajate kaks tetraeedrilist paigutust. Mõlemat ruumivormi ei saa ühegi pööramisega kombineerida; üks neist on teise peegelpilt:

Seda tüüpi isomeeriat nimetatakse ka optiliseks isomeeriks, peegelisomeeriks või enantiomeeriks. Mõlemad peegelvormid moodustavad optiliste antipoodide või enantiomeeride paari.

1815. aastal tegid prantsuse füüsik Jean Baptiste Biot ja saksa füüsik Thomas Seebeck kindlaks, et mõned orgaanilised ained (näiteks suhkur või tärpentin) suudavad pöörata valguse polarisatsioonitasapinda nii kristalsel, vedelal, lahustunud kui isegi gaasilisel kujul. olek (See nähtus avastati esmakordselt 1811. aastal prantsuse füüsikul François Dominique Arago kvartskristallide läheduses). Seega tõestati, et optilist aktiivsust saab seostada mitte ainult kristallide asümmeetriaga, vaid ka molekulide enda tundmatu omadusega. Selgus, et mõned keemilised ühendid võivad eksisteerida nii parema- kui ka vasakukäeliste sortide kujul ning kõige hoolikam keemiline analüüs nende vahel erinevusi ei paljasta. See oli uut tüüpi isomeeria, mida nimetati optiliseks isomeeriaks. Selgus, et lisaks parem- ja vasakukäelistele on olemas ka kolmandat tüüpi isomeerid – optiliselt mitteaktiivsed. Selle avastas 1830. aastal kuulus saksa keemik Jens Jakob Berzelius viinamarjade (dihüdroksümerevaikhappe) HOOC-CH (OH) - CH (OH) - COOH näitel: see hape on optiliselt inaktiivne ja viinhape on täpselt sama koostisega. on lahuses õige pöörlemissagedusega. Hiljem avastati "vasakpoolne" viinhape, mida looduses ei leidu – paremale pööramise antipood.

Optilisi isomeere saab eristada polarimeetri abil – seadmega, mis mõõdab polarisatsioonitasandi pöördenurka. Lahuste puhul sõltub see nurk lineaarselt kihi paksusest ja optiliselt aktiivse aine kontsentratsioonist (Bioti seadus). Erinevate ainete puhul võib optiline aktiivsus varieeruda väga laias vahemikus. Niisiis, erinevate aminohapete vesilahuste puhul temperatuuril 25 ° C eriaktiivsus (seda tähistatakse kui D ja mõõdetakse valguse jaoks lainepikkusega 589 nm kontsentratsioonil 1 g / ml ja kihi paksusega 10 cm) on tsüstiini puhul -232°, proliini puhul -86, 2°, leutsiini puhul -11,0°, alaniini puhul +1,8°, lüsiini puhul +13,5° ja asparagiini puhul +33,2°.

Kaasaegsed polarimeetrid võimaldavad mõõta optilist pöörlemist väga suure täpsusega (kuni 0,001°). Sellised mõõtmised võimaldavad kiiresti ja täpselt määrata optiliselt aktiivsete ainete kontsentratsiooni, näiteks suhkrusisaldust lahustes selle valmistamise kõikides etappides - alates toortoodetest kuni kontsentreeritud lahuste ja melassini.

Füüsikakristallide optiline aktiivsus oli seotud nende asümmeetriaga; täiesti sümmeetrilised kristallid, näiteks kuubikujulised soolakristallid, on optiliselt inaktiivsed. Molekulide optilise aktiivsuse põhjus jäi pikka aega täiesti salapäraseks. Esimese avastuse, mis sellele nähtusele valgust andis, tegi 1848. aastal tollal tundmatu Louis Pasteur. Pasteur, kes tuvastas kaks viinhappe antipoodi, mida nimetati enantiomeerideks (kreeka keelest enantios - vastupidine). Pasteur võttis nende jaoks kasutusele tähised L - ja D-isomeerid (ladina sõnadest laevus - vasak ja dexter - parem). Hiljem seostas saksa keemik Emil Fischer need nimetused ühe kõige lihtsama optiliselt aktiivse aine - glütseraldehüüdi OHCH2-CH (OH) - CHO kahe enantiomeeri struktuuriga. 1956. aastal võeti inglise keemikute Robert Kahni ja Christopher Ingoldi ning Šveitsi keemiku Vladimir Prelogi ettepanekul optiliste isomeeride jaoks kasutusele tähised S (ladina keelest sinister – vasak) ja R (ladina rectus – parem); Ratsemaati tähistatakse sümboliga RS. Traditsiooni kohaselt kasutatakse aga laialdaselt ka vanu nimetusi (näiteks süsivesikute, aminohapete kohta). Tuleb märkida, et need tähed näitavad ainult molekuli struktuuri (teatud keemiliste rühmade "paremale" või "vasakule" paigutus) ega ole seotud optilise pöörlemissuunaga; viimast tähistatakse pluss- ja miinusmärkidega, näiteks D (-) - fruktoos, D (+) - glükoos.

Antipoodide molekulide erinevust selgitava teooria lõi Hollandi teadlane van't Hoff. Selle teooria kohaselt võivad molekulid, nagu ka kristallid, olla "parempoolsed" ja "vasakpoolsed", olles üksteise peegelpildiks. Selliseid struktuure, mis erinevad üksteisest nagu parem käsi vasakust, nimetatakse kiraalseks (kreeka keelest pärija - käsi). Seega on optiline aktiivsus molekulide ruumilise isomeeria (stereoisomeeria) tagajärg.

optiline isomeeria evantiomeeri kiraalsus

Kaasaegsele stereokeemiale aluse pannud Van't Hoffi teooria pälvis üldise tunnustuse ja selle loojast 1901. aastal sai esimene Nobeli keemiapreemia laureaat.

1. Optiline aktiivsus

Optiline aktiivsus on keskkonna (kristallid, lahused, aine aurud) võime põhjustada seda läbiva optilise kiirguse (valguse) polarisatsioonitasandi pöörlemist.

Avaldub nendel juhtudel, kui sama ühendi isomeerid, seoses erinevate asendajate positsioonidega teatud Keskus, ruumis ei ühildu. Alifaatse seeria derivaatide puhul seostatakse isomeeria sp 3 hübriidsüsinikuaatomi stereokeemiliste omadustega.

Isegi Le Bel 18. sajandi lõpus viitas süsinikuaatomi tetraeedrilisele struktuurile. Kui süsinikuaatom on ühendatud nelja erinevaga asendajad, on võimalik 2 isomeeri olemasolu, mis on üksteise peegelpildid.

Süsinikuaatomit, millel on kõik erinevad asendajad, nimetatakse asümmeetriline või kiraalne keskus ("hiros" - käsi).

Vaatleme paljutõotavate valemite näidet:

Stereoisomeerid I ja II ei ühildu ruumis, on antipoodid või optilised isomeerid ( enantiomeerid, stereomeerid).

Fisheri projektsioonivalemid

Vaatleme perspektiivi valemeid teises tasapinnas.

Asetame asümmeetrilise tsentri (süsinikuaatomi) lehe tasapinnale; saadikud a Ja b lehe tasapinna taga ( alates vaatleja); saadikud f Ja d lehe tasapinna kohal ( lähemale vaatleja) - vastavalt nooltele, mis näitavad vaatleja pilgu suunda. Saame kiraalse keskmega sidemete vastastikku risti. Sellist isomeeride konstruktsiooni nimetatakse Fisheri projektsioonivalemiteks.

Seega on Fischeri projektsioonivalemites horisontaalselt asuvad asendajad suunatud vaatleja poole ja vertikaalselt - lehe tasapinnast kaugemale.

Projektsioonivalemite koostamisel on kõige mahukamad asendajad paigutatud vertikaalselt. Kui asendajad on aatomid või väikesed rühmad, mis ei ole põhiahelaga seotud, on need paigutatud horisontaalselt. 2-bromobutaani jaoks

on kaks antipood:

Enantiomeerid, antipoodid, stereomeerid on omaduste poolest praktiliselt eristamatud (keemistemperatuur t, sulamine t jne), samuti on neil sarnased termodünaamilised konstandid. Samal ajal on neil erinevusi:

4) - tahked antipoodid kristalliseeruvad kristallide moodustumisega, mis on üksteise suhtes peegelsarnased, kuid ruumis ei ühildu.

5) - antipoodid pööravad polariseeritud valguse tasapinda sama nurga all, kuid eri suundades. Kui valguse pöördenurk on positiivne (päripäeva), siis antipoodi nimetatakse paremale pööravaks, kui see on negatiivne (vastupäeva), siis vasakukäeliseks.

Tasapinnalise polariseeritud valguse optilise pöördenurka tähistatakse [ αD]. Kui [ αD]= -31,2°, siis uuriti vasakule pööravat antipoodi.

Polarimeetri seade

Aineid, mis on võimelised polariseeritud valguse tasapinda pöörama, nimetatakse optiliselt aktiivseteks või optiliselt aktiivseteks.

Kahe enantiomeeri segu vahekorras 1:1 ei pööra polariseeritud valguse tasapinda ja seda nimetatakse ratseemiliseks seguks, ratsemaadiks.

Kui segus valitseb üks antipood teise üle, siis räägitakse selle optilisest puhtusest (ee). See arvutatakse segu enantiomeeride sisalduse erinevuse järgi.

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

Sekundaarsed ja tertsiaarsed amiinid võib olla ka optiline aktiivsus. Neljas asendaja on lämmastikuaatomi üksik elektronide paar.

5.4.1 Diastereomeerid

Diastereomeetria on nähtus, millel on suurem mõju ainete omadustele ja mida täheldatakse juhtudel, kui ühendis on kaks või enam asümmeetrilist tsentrit. Näiteks:

4-kloropentanool-2

Kujutame kõiki võimalikke ühenduse antipoode (I-IV):

Sama ühendi optilisi isomeere (stereoisomeere), mis ei ole antipoodid, nimetatakse diastereomeerideks. See tähendab, et isomeeride I ja III, I ja IV, II ja III, II ja IV isomeeride paarid on diastereomeersed paarid. Isomeeride arv arvutatakse valemiga: q \u003d 2 n, kus

q on stereoisomeeride koguarv,

n on asümmeetriliste tsentrite arv (C*).

Näiteks glükoosil on 4 kiraalset tsentrit, siis q = 2 4 = 16 (D-glükoos - 8 isomeeri, L-glükoos - 8 isomeeri).

D-glükoos

Looduses on juhtumeid, kus ühendi asümmeetrilistel aatomitel on sama keskkond. See toob kaasa asjaolu, et pooled antipoodidest ei ole optiliselt aktiivsed.

veinihape

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mesoform

Mesoform on optiliselt inaktiivne vorm, mis tuleneb optiliselt aktiivse aine sisemisest sümmeetriast.

Erinevalt antipoodidest erinevad diastereomeerid keemistemperatuuri, tiheduse (d 4 20), murdumisnäitaja (n 4 20) jne poolest.