Kemia. Spatiaalinen isomerismi Optisten isomeerien olemassaolo on mahdollista

Artikkelin sisältö

OPTINEN ISOMERIA."Kun molekyyli katsoo peiliin" artikkeli, joka julkaistiin amerikkalaisen aikakauslehden kesäkuussa 1996. kemian koulutus(Journal of Chemical Education). Ja tämän numeron kannen ensimmäisellä sivulla oli myös epätavallinen piirros. Luonteellisesti heiluttavan koiran puolella oli penisillamiinin rakennekaava. Koira katsoi peiliin, ja sieltä katsoi häntä kauhea peto, jolla oli paljas hampaat ja hiukset pystyssä. Pedon puolella kuvattiin sama rakennekaava ensimmäisen peilikuvan muodossa. Miksi samalla aineella on niin erilaiset ulkonäöt? Tämä selittyy joidenkin kemiallisten yhdisteiden erityisellä ominaisuudella, joka liittyy läheisesti niiden optiseen aktiivisuuteen.

Valon polarisaatio ja optinen aktiivisuus.

1800-luvun alussa Englantilainen fyysikko, tähtitieteilijä ja lääkäri Thomas Young osoitti, että valoa voidaan pitää aaltona. Ranskalainen fyysikko Augustin Fresnel havaitsi, että valoaallot ovat poikittaisia: värähtelyt niissä tapahtuvat kohtisuorassa liikesuuntaan nähden (kuten aallot veden pinnalla: aalto juoksee eteenpäin ja kelluva vedessä värähtelee ylös alas). Jo 1900-luvulla havaittiin, että valo on sähkömagneettinen aalto, kuten radioaalto, vain valon aallonpituus on paljon lyhyempi. Termi "sähkömagneettinen" tarkoittaa, että valossa on sähkö- ja magneettikenttiä, jotka värähtelevät ajoittain, kuten aallot meren pinnalla. Meitä kiinnostaa nyt vain vaihtelut sähkökenttä. Osoittautuu, että nämä värähtelyt eivät tapahdu satunnaisesti, vaan vain kohtisuorassa valonsäteen suuntaan. Tavallisessa valossa (se säteilee esimerkiksi aurinko, hehkulamput) värähtelyjä tapahtuu satunnaisesti kaikkiin suuntiin. Mutta kun valo kulkee joidenkin kiteiden, esimerkiksi turmaliinin tai islannin kielen (läpinäkyvä CaCO 3 -kalsiitin lajike) läpi, erityisiä ominaisuuksia: kide ikään kuin "katkaisee" kaikki sähkökentän värähtelyt, paitsi tietyssä tasossa sijaitsevan värähtelyn. Kuvannollisesti sanottuna tällainen valonsäde on kuin villalanka, joka vedetään kahden terävän partakoneen välisen kapeasta raosta.

Ranskalainen fyysikko Etienne Louis Malus uskoi, että valo koostuu hiukkasista, joissa on kaksi napaa "pohjoinen" ja "etelä", ja Islannin sparvan läpi kulkevassa valossa kaikki navat kääntyvät yhteen suuntaan. Siksi hän kutsui tällaista valoa polarisoiduksi. On havaittu, että valo on osittain polarisoitunut heijastumalla tietyissä kulmissa dielektristen aineiden, kuten lasin, kiiltävistä pinnoista tai taittumalla niiden kautta. Maluksen teoriaa ei vahvistettu, mutta nimi säilyi. Ihmissilmä ei pysty erottamaan tavallista valoa polarisoidusta valosta, mutta tämä on helppo tehdä yksinkertaisimpien optisten laitteiden - polarimetrien - avulla; niitä käyttävät esimerkiksi valokuvaajat: polarisaatiosuodattimet auttavat pääsemään eroon valokuvan häikäisystä, joka syntyy, kun valo heijastuu veden pinnalta.

Kävi ilmi, että kun polarisoitu valo kulkee joidenkin aineiden läpi, tapahtuu mielenkiintoinen ilmiö: taso, jossa värähtelevän sähkökentän "nuolet" sijaitsevat, pyörii vähitellen akselin ympäri, jota pitkin säde kulkee. Tämän ilmiön löysi ensimmäisen kerran vuonna 1811 ranskalainen fyysikko Francois Dominique Arago kvartsikiteistä. Luonnonkvartsikiteillä on epäsäännöllinen, epäsymmetrinen rakenne, ja niitä on kahta tyyppiä, jotka eroavat muodoltaan, kuten esine peilikuvastaan. Nämä kiteet pyörittävät valon polarisaatiotasoa vastakkaisiin suuntiin; heitä kutsuttiin oikea- ja vasenkätisiksi.

Vuonna 1815 toinen ranskalainen fyysikko Jean Baptiste Biot ja saksalainen fyysikko Thomas Seebeck totesivat, että myös joillakin orgaanisilla aineilla (esimerkiksi sokerilla tai tärpätillä) on tämä ominaisuus, ei vain kiteisessä, vaan myös nestemäisessä, liuenneessa ja jopa kaasumaisessa tilassa. Joten todistettiin, että optinen aktiivisuus voidaan yhdistää paitsi kiteiden epäsymmetriaan, myös johonkin molekyylien tuntemattomaan ominaisuuteen. Kävi ilmi, että, kuten kiteiden tapauksessa, jotkut kemialliset yhdisteet voi esiintyä sekä oikea- että vasenkätisten lajikkeiden muodossa, eikä huolellisin kemiallinen analyysi paljasta eroja niiden välillä! Itse asiassa se oli uudentyyppinen isomerismi, jota kutsuttiin optiseksi isomeriaksi. Kävi ilmi, että oikealle ja vasemmalle kiertävien isomeerien lisäksi on olemassa myös kolmas tyyppi - optisesti inaktiivisia. Tämän havaitsi vuonna 1830 kuuluisa saksalainen kemisti Jens Jakob Berzelius käyttämällä esimerkkinä rypäleen (dihydroksimeripihka) happoa HOOCCH(OH)CH(OH)COOH: tämä happo on optisesti inaktiivinen ja täsmälleen saman koostumuksen omaava viinihappo pyörii oikein ratkaisu. Myöhemmin löydettiin "vasen" viinihappo, jota ei löydy luonnosta - oikealle kiertämisen vastakohta.

Voit erottaa optiset isomeerit käyttämällä polarimetriä, laitetta, joka mittaa polarisaatiotason kiertokulmaa. Liuoksissa tämä kulma riippuu lineaarisesti kerroksen paksuudesta ja optisesti aktiivisen aineen pitoisuudesta (Biotin laki). Eri aineiden optinen aktiivisuus voi vaihdella hyvin laajalla alueella. Joten erilaisten aminohappojen vesiliuosten tapauksessa 25 ° C:ssa spesifinen aktiivisuus (se on merkitty D:ksi ja mitattu valolle, jonka aallonpituus on 589 nm pitoisuudella 1 g / ml ja kerrospaksuudella 10 cm) on 232° kystiinille, 86, 2° proliinille, 11,0° leusiinille, +1,8° alaniinille, +13,5° lysiinille ja +33,2° asparagiinille. Nykyaikaiset polarimetrit mahdollistavat optisen kierron mittaamisen erittäin suurella tarkkuudella (jopa 0,001°). Tällaisten mittausten avulla voit määrittää nopeasti ja tarkasti optisesti aktiivisten aineiden pitoisuuden, esimerkiksi sokeripitoisuuden liuoksissa sen kaikissa tuotantovaiheissa, raakatuotteista konsentroituihin liuoksiin ja melassiin.

Pasteurin löytö.

Pasteur sai tutkimuksen aikana rypälehapon C 4 H 5 O 6 Na hapan natriumsuolan, kyllästti liuoksen ammoniakilla ja hitaasti haihduttaen vettä sai kauniita prismakiteitä natriumammoniumsuolasta C 4 H 3 O 6. NaNH4. Nämä kiteet osoittautuivat epäsymmetrisiksi, jotkut niistä olivat ikään kuin peilikuvia toisista: puolella kiteistä oli yksi tunnusomainen puoli oikealla, kun taas toisilla oli yksi vasemmalla. Suurennuslasilla ja pinseteillä varustettuna Pasteur jakoi kiteet kahteen kasaan. Niiden ratkaisuilla oli odotetusti päinvastainen optinen kierto. Pasteur ei pysähtynyt tähän. Jokaisesta liuoksesta hän eristi alkuperäisen hapon (joka oli inaktiivinen). Mikä oli hänen yllätyksensä, kun kävi ilmi, että yksi ratkaisu on tuttu oikealle kiertävä viinihappo ja toinen on sama happo, mutta pyörii vasemmalle!

Silminnäkijöiden muistot todistavat nuoren tiedemiehen uskomattomasta hermostuneesta jännityksestä, joka valloitti hänet sillä hetkellä; Pasteur tajusi, mitä oli onnistunut tekemään, juoksi ulos laboratoriosta ja tapasi fysiikan toimistossa laboratorion avustajan, ryntäsi hänen luokseen ja huudahti häntä syleillen: "Olen juuri tehnyt suuren löydön!" Ja se koostui siitä, että kauan tunnettu inaktiivinen viinihappo on yksinkertaisesti seos yhtä suurista määristä myös tunnettua "oikeaa" ja aiemmin tuntematonta "vasenta" viinihappoa. Tästä syystä seoksella ei ole optista aktiivisuutta. Tällaiselle seokselle alettiin käyttää nimeä rasemaatti (latinalaisesta racemus-rypäleistä). Ja kahta Pasteurin hankkimaa viinihapon antipodia kutsuttiin enantiomeereiksi (kreikan sanasta enantios vastapäätä). Pasteur otti heille käyttöön nimitykset L- ja D-isomeerit (latinan sanoista laevus left ja dexter right). Myöhemmin saksalainen kemisti Emil Fischer liitti nämä nimitykset yhden yksinkertaisimman optisesti aktiivisen aineen, glyseraldehydin OHCH2CH(OH)CHO, kahden enantiomeerin rakenteeseen. Vuonna 1956 englantilaisten kemistien Robert Kahnin ja Christopher Ingoldin sekä sveitsiläisen kemistin Vladimir Prelogin ehdotuksesta optisille isomeereille otettiin käyttöön nimitykset S (latinan sanasta sinister left) ja R (latinalainen rectus right); Rasemaatti on merkitty symbolilla RS. Perinteen mukaan myös vanhoja nimityksiä käytetään laajalti (esimerkiksi hiilihydraateille, aminohapoille). On huomattava, että nämä kirjaimet osoittavat vain molekyylin rakenteen (tiettyjen kemiallisten ryhmien "oikealle" tai "vasemmalle" järjestely) eivätkä liity optisen pyörimissuuntaan; jälkimmäinen on merkitty plus- ja miinusmerkeillä, esimerkiksi D()-fruktoosi, D(+)-glukoosi.

"Manuaalisen menetelmän" lisäksi Pasteur löysi kaksi muuta menetelmää rasemaatin erottamiseksi kahdeksi antipodiksi. Biokemiallinen menetelmä perustuu joidenkin mikro-organismien selektiiviseen kykyyn absorboida vain yksi isomeereistä. Esimerkiksi sieni Penicillum glaucum, kasvaa laimeilla viinihapon tai sen suolojen liuoksilla, "syö" vain oikean isomeerin jättäen vasemman ennalleen.

Kolmas tapa erottaa rasemaatit oli puhtaasti kemiallinen. Mutta hänelle oli välttämätöntä saada etukäteen optisesti aktiivinen aine, joka vuorovaikutuksessa raseemisen seoksen kanssa "valitsisi" siitä vain yhden enantiomeerin. Esimerkiksi optisesti aktiivinen orgaaninen emäs antoi optisesti aktiivisen suolan viinihapon kanssa, josta voitiin eristää vastaava viinihapon enantiomeeri.

Optisen isomerian teoria.

Pasteurin työ, joka osoitti mahdollisuuden "jakaa" optisesti inaktiivinen yhdiste antipodienantiomeereiksi, herätti aluksi epäluottamusta monissa kemistissä. Edes Biot itse ei uskonut avustajaansa, kunnes hän toisti kokemuksensa omin käsin ja oli vakuuttunut siitä, että Pasteur oli oikeassa. Tämä ja sitä seuraavat Pasteurin teokset herättivät kemistien huomiota. Pian Joseph Le Bel jakoi kolmatta Pasteur-menetelmää käyttäen useita alkoholeja optisesti aktiivisiksi antipodeiksi. Johann Wislicenus totesi, että maitohappoja on kaksi: hapanmaidossa muodostuva optisesti inaktiivinen (fermentoitu maitohappo) ja oikealle kiertävä, joka esiintyy työlihaksessa (liha-maitohappo). Tällaisia esimerkkejä tuli yhä enemmän, ja tarvittiin teoriaa selittämään, kuinka antipodien molekyylit eroavat toisistaan. Tällaisen teorian loi nuori hollantilainen tiedemies Van't Hoff. Tämän teorian mukaan molekyylit, kuten kiteet, voivat olla "oikealla" ja "vasemmalla" toistensa peilikuvina. Yksinkertaisin esimerkki oli tämä. Orgaanisten yhdisteiden hiiliatomi on neliarvoinen, siitä suuntautuu neljä kemiallista sidosta yhtäläisessä kulmassa tetraedrin kärkikohtiin nähden. Jos kaikki tetraedrin huipuissa sijaitsevat ja keskushiiliatomiin liittyvät atomit tai atomiryhmät ovat erilaisia, niin kaksi erilaista rakennetta ovat mahdollisia, jotka eivät ole yhdistyneet toisiinsa pyörimällä avaruudessa. Jos vähintään kaksi neljästä substituentista ovat samoja, molekyyleistä tulee täysin identtisiä (tämä on helppo tarkistaa tulitikkujen ja värillisen muovailuvahamallin avulla). Tällaisia rakenteita, jotka eroavat toisistaan kuten oikea käsi vasemmasta, kutsutaan kiraaliksi (kreikan sanasta perillinen). Siten optinen aktiivisuus on seurausta molekyylien avaruudellisesta isomeriasta (stereoisomeriasta).

Hiiliatomia, joka on sitoutunut neljään eri substituenttiin, kutsutaan asymmetriseksi. Myös muiden alkuaineiden piin, typen, fosforin ja rikin atomit voivat olla epäsymmetrisiä. Yhdisteet, joissa ei ole asymmetrisiä hiiliatomeja, voivat kuitenkin olla myös optisesti aktiivisia, jos ne voivat esiintyä kahden peili-isomeerin muodossa. Molekyyli on epäsymmetrinen, jos sillä ei ole yhtä symmetriaelementtiä, ei keskustaa, akseleita tai symmetriatasoa. Esimerkki on alleenimolekyyli H2C=C=CH2, jossa on kaksi eri substituenttia: R1R2C=C=CR1R2. Tosiasia on, että nämä substituentit eivät ole samassa tasossa (kuten esimerkiksi alkeeneissa), vaan kahdessa keskenään kohtisuorassa tasossa. Siksi kahden peili-isomeerin olemassaolo on mahdollista, joita ei voida yhdistää toisiinsa millään siirtymällä ja pyörittämällä.

Monimutkaisempia suhteita esiintyy molekyyleissä, joissa on useita epäsymmetrisiä hiiliatomeja. Esimerkiksi viinihapossa kaksi hydroksyyliryhmää kahdessa vierekkäisessä hiiliatomissa voidaan järjestää siten, että molekyyli on symmetrinen eikä siinä ole peili-isomeerejä. Tämä johtaa toisen, optisesti inaktiivisen isomeerin muodostumiseen, jota kutsutaan mesoviinihapoksi (tai antiviinihapoksi). Näin ollen dihydroksimeripihkahappo voi olla neljän isomeerin muodossa: oikealle kiertävä (D-viinihappo, jota kutsutaan lääketieteessä viinihapoksi), vasemmalle kiertävä (L-viinihappo), optisesti inaktiivinen (mesoviinihappo) ja myös seoksena L- ja R-isomeerit, eli rasemaatit (i-viinihappo tai viinihappo). Optisesti aktiiviset viinihapot, kun niiden vesipitoisia liuoksia kuumennetaan pitkään, rasemisoituvat ja muuttuvat antipodien seokseksi.

Tilanne on vielä monimutkaisempi, kun molekyylissä on monia epäsymmetrisiä keskuksia. Esimerkiksi glukoosimolekyylissä niitä on neljä. Siksi on teoriassa mahdollista, että sillä on 16 stereoisomeeriä, jotka muodostavat 8 paria peiliantipodeja. Kemistit ovat tunteneet ne pitkään; se on itse glukoosi, samoin kuin alloosi, altroosi, mannoosi, guloosi, idoosi, galaktoosi ja taloosi. Monet näistä esiintyvät luonnossa, kuten D-glukoosi (mutta ei L-glukoosi, joka on tuotettu synteettisesti).

Jos aineessa on yhtä monta "oikeaa" ja "vasenta" molekyylejä, se on optisesti inaktiivinen. Juuri nämä aineet saadaan pullosta tavanomaisen kemiallisen synteesin tuloksena. Ja vain elävissä organismeissa muodostuu optisesti aktiivisia yhdisteitä asymmetristen aineiden (esimerkiksi entsyymien) mukana. Tietenkin heti heräsi kysymys, kuinka tällaiset yhdisteet ilmestyivät maan päälle, esimerkiksi sama luonnollinen oikealle kiertävä viinihappo tai "epäsymmetriset" mikro-organismit, jotka ruokkivat vain yhtä enantiomeeriä. Todellakin, henkilön poissaollessa ei ollut ketään, joka suorittaisi optisesti aktiivisten aineiden suunnattua synteesiä, ei ollut ketään, joka jakaa kiteitä oikealle ja vasemmalle! Nämä kysymykset osoittautuivat kuitenkin niin monimutkaisiksi, että niihin ei ole vastausta tähän päivään mennessä. Kukaan ei esimerkiksi tiedä, miksi lähes kaikki luonnolliset aminohapot, joista proteiineja rakennetaan, kuuluvat L-sarjaan (S-konfiguraatio), ja niiden antipodeja löytyy vain satunnaisesti joissakin antibiooteissa.

Van't Hoffin teoria ei heti saanut tunnustusta. Niinpä erinomainen saksalainen kokeellinen kemisti Adolf Kolbe (useita orgaanisia reaktioita on nimetty hänen mukaansa) julkaisi toukokuussa 1877 tyrmäävän artikkelin, jossa hän puhui jyrkästi kielteisesti uudesta teoriasta. Onneksi Kolbe oli selkeässä vähemmistössä, ja van't Hoffin teoria, joka loi perustan modernille stereokemialle, sai yleistä tunnustusta, ja sen luojasta vuonna 1901 tuli ensimmäinen voittaja. Nobel palkinto kemiassa.

Tämä teoria teki mahdolliseksi selittää monia kemiallisia ilmiöitä. Esimerkiksi hydroksyyliryhmien halogeeniatomien substituutioreaktioissa: optisesti aktiivisissa alkyylihalogenideissa RX + OH® ROH + X (X halogeeniatomi) joissakin tapauksissa optinen aktiivisuus katoaa, toisissa jää, mutta vaihtaa merkkiä. Kävi ilmi, että tämä reaktio voi tapahtua eri tavoin. Ensimmäinen mekanismi sisältää halogenidin dissosioitumisen muodostamalla välituote R + -ioneja, jotka yhdistyvät nopeasti OH-anioneihin, jolloin reaktiotuotteeksi saadaan alkoholia. Jos alkuperäisellä halogenidilla RX oli optista aktiivisuutta, se menetetään tämän reaktion seurauksena, koska hydroksyyli voi lähestyä tasomaista välikationia molemmilta puolilta, jolloin muodostuu enantiomeerien seos. Jos reaktio etenee toisen mekanismin mukaan, OH-anioni lähestyy hiiliatomia CX-sidosta vastakkaiselta puolelta ja "syrjäyttää" halogeeniatomin anionin muodossa. Jos alkuperäisellä halogenidilla R1R2R3CX oli optista aktiivisuutta, se säilyy tämän reaktion seurauksena, mutta optisen kierron etumerkki on päinvastainen. Tämä tapahtuu, koska kolme substituenttia asymmetrisessä hiiliatomissa R1, R2 ja R3, jotka, kuten halogeeniatomi, ovat tetraedrin huipuissa, muuttavat konfiguraatiotaan suhteessa neljänteen substituenttiin, kun hyökkäävä aine hydroksyyli lähestyy; tällainen kokoonpanon muutos on analoginen sateenvarjon kääntämiseen nurinpäin voimakkaassa tuulessa.

Optinen isomeria ja elämä.

Kemistit viittaavat usein enantiomeereihin yhtenä yhdisteenä, koska niiden kemialliset ominaisuudet ovat identtiset. Niiden biologinen aktiivisuus voi kuitenkin olla täysin erilainen. Tämä tuli ilmi traagisen tarinan jälkeen talidomidista, lääkkeestä, joka 1900-luvun 60-luvulla. lääkärit monissa maissa määräsivät sitä raskaana oleville naisille tehokkaaksi unilääkkeeksi ja rauhoittavaksi lääkkeeksi. Kuitenkin ajan mittaan hänen kauhea sivuvaikutus: aine osoittautui teratogeeniseksi (vaurioittava sikiötä, kreikkalaisesta teratos-hirviöstä, friikki), ja syntyi paljon vauvoja, joilla oli synnynnäisiä epämuodostumia. Vasta 1980-luvun lopulla kävi selväksi, että vain yksi talidomidin enantiomeereistä, sen oikealle kiertävä muoto, oli onnettomuuden syy. Valitettavasti tämä ero toiminnassa annosmuodot ei ollut aiemmin tunnettu, ja talidomidi oli molempien antipodien raseeminen seos.

Tällä hetkellä monet lääkkeet ovat saatavilla optisesti puhtaina yhdisteinä. Siten Yhdysvaltojen 25 yleisimmästä lääkkeestä vain kuusi on ei-kiraalisia yhdisteitä, kolme on rasemaatteja ja loput ovat puhtaita enantiomeerejä. Viimeksi mainitut saadaan kolmella menetelmällä: raseemisten seosten erottaminen, luonnollisten optisesti aktiivisten yhdisteiden modifiointi (näitä ovat hiilihydraatit, aminohapot, terpeenit, maito- ja viinihapot jne.) ja suora synteesi. Esimerkiksi tunnettu kemianyhtiö Merck on kehittänyt menetelmän verenpainetta alentavan lääkkeen metyylidopan valmistamiseksi, joka sisältää vain halutun enantiomeerin spontaanin kiteyttämisen lisäämällä tämän isomeerin pieni siemen liuokseen. Suora synteesi vaatii myös kiraalisia lähteitä, koska kaikki muut perinteiset synteesimenetelmät antavat molemmat enantiomeerit yhtä suuressa suhteessa rasemaatteja. Tämä on muuten yksi syy hintava joitakin huumeita, koska vain yhden niistä suunnattu synteesi on erittäin vaikea tehtävä. Siksi ei ole yllättävää, että maailmanlaajuisesti valmistetusta yli 500 synteettisestä kiraalisesta lääkkeestä vain noin kymmenesosa on optisesti puhtaita. Samaan aikaan 517 luonnollisista raaka-aineista saadusta valmisteesta vain kahdeksan on rasemaatteja.

Optisesti puhtaiden enantiomeerien tarve selittyy sillä, että usein vain yhdellä niistä on vaadittu terapeuttinen vaikutus, kun taas toinen antipodi voi aiheuttaa ei-toivottuja vaikutuksia. sivuvaikutukset tai jopa olla myrkyllistä. On myös mahdollista, että jokaisella enantiomeerillä on oma spesifinen toimintansa. Joten S()-tyroksiini ("levotroid") on luonnollinen kilpirauhashormoni. Ja oikealle kiertävä R(+)-tyroksiini ("dekstroidi") alentaa kolesterolia veressä. Jotkut valmistajat keksivät palindromisia kauppanimiä tällaisille tapauksille, kuten Darvon ja Novrad.

Mikä selittää enantiomeerien erilaiset vaikutukset? Ihminen on kiraalinen olento. Sekä hänen ruumiinsa että biologisesti aktiivisten aineiden molekyylit, joista se koostuu, ovat epäsymmetrisiä. Kiraaliset lääkemolekyylit, jotka ovat vuorovaikutuksessa tiettyjen kehon kiraalisten keskusten, kuten entsyymien, kanssa voivat toimia eri tavalla riippuen siitä, mikä enantiomeeri lääke on. "Oikea" lääke sopii reseptoriinsa kuin avain lukkoon ja käynnistää halutun biokemiallisen reaktion. "Väärän" antipodin toimintaa voidaan verrata yritykseen ravistaa vieraan oikeaa kättä oikealla kädellä.

Jos lääke on rasemaatti, yksi enantiomeereistä voi parhaimmillaan olla välinpitämätön, pahimmillaan aiheuttaa täysin ei-toivotun vaikutuksen. Tässä muutamia esimerkkejä. Siten rytmihäiriölääke S()-anapriliini vaikuttaa 100 kertaa voimakkaammin kuin R(+)-muoto! Verapamiilin tapauksessa molemmilla enantiomeereillä on samanlainen vaikutus, mutta sen R(+)-muodolla on huomattavasti vähemmän vakava sydändepressiivinen sivuvaikutus. Anestesiassa käytetty ketamiini voi aiheuttaa sivuvaikutuksia kiihtymisen, deliriumin jne. muodossa 50 %:lla potilaista, ja tämä on pääasiassa ominaista vain R()-isomeerille sekä rasemaatille. , se on aktiivinen pääasiassa S ( )-isomeerissä, kun taas sen R(+)-antipodi aiheuttaa pahoinvointia, joten aikoinaan raseeminen levamisoli korvattiin yhdellä enantiomeereistä. Mutta käy ilmi, että puhtaiden isomeerien syntetisoiminen ei aina ole taloudellisesti järkevää. Esimerkiksi laajalti käytetylle analgeettiselle ibuprofeenille entsyymien vaikutuksesta terapeuttisesti inaktiivisen R()-muodon isomeroituminen aktiiviseksi S(+)-isomeeriksi on mahdollista, joten tässä tapauksessa voidaan valmistaa paljon halvempi rasemaatti. käytetty.

"Oikean" ja "vasemman" isomeerien erilainen biologinen vaikutus ei ilmene vain lääkkeiden keskuudessa, vaan kaikissa tapauksissa, joissa kiraalinen yhdiste on vuorovaikutuksessa elävien organismien kanssa. Näyttävä esimerkki aminohappo isoleusiini: sen oikealle kiertävä isomeeri on makea ja vasemmalle kiertävä isomeeri on katkera. Toinen esimerkki. Karvoni on aine, jolla on erittäin voimakas aromi (ihmisen nenä pystyy haistamaan sen pitoisuudella vain 17 miljoonasosaa milligrammaa litrassa ilmassa). Karvoni on eristetty kuminasta, jonka öljyssä se sisältää noin 60 %. Kuitenkin täsmälleen sama yhdiste, jolla on sama rakenne, löytyy viherminttuöljystä, jossa sen pitoisuus on 70%. Kaikki ovat yhtä mieltä siitä, että mintun ja kuminan tuoksu eivät ole ollenkaan sama asia. Kävi ilmi, että itse asiassa on kaksi karvonia "oikealla" ja "vasemmalla". Ero hajuissa näiden yhdisteiden välillä osoittaa, että nenän reseptorisolujen, jotka vastaavat hajun havaitsemisesta, on myös oltava kiraalisia.

Palataanpa nyt koiralla ja sudella kuvattuun kaavaan. Penisillamiini (3,3-dimetyylikysteiini) on melko yksinkertainen johdannainen aminohapon kysteiinistä. Tätä ainetta käytetään akuuttiin ja krooniseen myrkytykseen kuparin, elohopean, lyijyn ja muiden raskasmetallien kanssa, koska sillä on kyky muodostaa vahvoja komplekseja näiden metallien ionien kanssa; muodostuneet kompleksit poistetaan munuaisten kautta. Penisillamiinia käytetään myös erilaisissa nivelreuman muodoissa, systeemisessä sklerodermassa ja useissa muissa tapauksissa. Tässä tapauksessa käytetään vain lääkkeen S-muotoa, koska R-isomeeri on myrkyllinen ja voi johtaa sokeuteen.

Ilja Leenson

Kirjallisuudessa usein todetaan, että vain vasenkätisten aminohapot sopivat ravintoon ja aineenvaihdunnan rakenneosiksi. Psykologisesti tämä on ymmärrettävää: luonnolliset aminohapot kuuluvat useimmiten ns. L-sarjaan, ja L-kirjain liittyy yleensä käsitteeseen "vasemmisto". Tällainen L-yhdisteiden "määrittäminen" vasemmalle ja D-sarjan yhdisteiden oikealle kiertämiseen on kuitenkin täysin väärin. Riittää, kun tarkastellaan ainakin 23 tärkeimmän proteiiniaminohapon luetteloa (ne on annettu esimerkiksi A. N. Nesmeyanovin ja N. A. Nesmeyanovin oppikirjassa "Orgaanisen kemian periaatteet") varmistaakseen, että vasemmalle kiertävä (liuoksille) jääetikassa) - vain seitsemän, alle kolmannes. Loput ovat oikealle kiertäviä, lukuun ottamatta optisesti inaktiivista glysiiniä. "Chemical Encyclopediassa" 26 yleisimmän vasenkätisen aminohapon luettelossa niitä on vielä vähemmän, vain kuusi (23 %). Monet ihmiset sekoittavat aineen valon polarisaatiotason pyörimissuunnan ja sen molekyylien rakenteen, mikä voidaan katsoa johtuvan D- tai L-tyypistä.

Valon polarisaatio ja optinen aktiivisuus

Newtonin ajoista lähtien tieteessä on ollut kiistoja: valo on aaltoja tai hiukkasia. Thomas Young muotoili vuonna 1800 aaltojen superpositioperiaatteen ja selitti sen perusteella valon interferenssin ilmiön. Vuonna 1808 Etienne Louis Malus, joka kokeili Islannin kalsiittikiteitä, löysi valon polarisaatioilmiön. Vuonna 1816 Augustin Jean Fresnel ehdotti ajatusta, että valoaallot ovat poikittaisia. Fresnel selitti myös valon polarisaatioilmiön: tavallisessa valossa värähtelyjä tapahtuu satunnaisesti, kaikkiin säteen suuntaan kohtisuoraan. Mutta kun valo kulkee joidenkin kiteiden, kuten Islannin sparran tai turmaliinin, läpi, se saa erityisiä ominaisuuksia: siinä olevat aallot värähtelevät vain yhdessä tasossa. Kuvannollisesti sanottuna tällainen valonsäde on kuin villalanka, joka vedetään kahden terävän partakoneen välisen kapeasta raosta. Ihmissilmä pystyy erottamaan tavallisen valon polarisoidusta valosta vain harvoin ja vaikeasti, mutta tämä voidaan tehdä helposti käyttämällä yksinkertaisimpia optisia laitteita - polarimetrejä.

Havaittiin myös, että kun polarisoitu valo kulkee tiettyjen aineiden läpi, polarisaatiotaso pyörii. Tämän ilmiön löysi ensimmäisen kerran vuonna 1811 François Dominique Arago kvartsikiteistä. Luonnonkvartsikiteillä on epäsäännöllinen, epäsymmetrinen rakenne, ja niitä on kahta tyyppiä, jotka eroavat muodoltaan, kuten esine peilikuvastaan. Nämä kiteet pyörittävät valon polarisaatiotasoa vastakkaisiin suuntiin; heitä kutsuttiin oikea- ja vasenkätisiksi.

Vuonna 1815 Jean Baptiste Biot ja Thomas Seebeck havaitsivat, että joillakin orgaanisilla aineilla (esimerkiksi sokerilla tai tärpätillä) on myös kyky kiertää polarisaatiotasoa, ei vain kiteisessä, vaan myös nestemäisessä, liuenneessa ja jopa kaasumaisessa tilassa. . Joten todistettiin, että optinen aktiivisuus voidaan yhdistää paitsi kiteiden epäsymmetriaan, myös johonkin molekyylien tuntemattomaan ominaisuuteen. Kuten kiteiden tapauksessa, jotkut kemialliset yhdisteet saattoivat esiintyä oikea- ja vasenkätisten lajikkeiden muodossa, eikä tarkin kemiallinen analyysi löytänyt eroja niiden välillä. Tällaisia lajikkeita kutsuttiin optisiksi isomeereiksi, ja itse yhdisteitä kutsuttiin optisesti aktiivisiksi. Kävi ilmi, että optisesti aktiivisilla aineilla on myös kolmas isomeerityyppi - optisesti inaktiivinen. Tämän havaitsi vuonna 1830 kuuluisa saksalainen kemisti Jene Jacob Berzelius: viinihappo C 4 H 6 0 6 on optisesti inaktiivinen ja täsmälleen saman koostumuksen omaava viinihappo pyörii liuoksessa oikealla. Myöhemmin löydettiin "vasen" viinihappo, jota ei löydy luonnosta - oikealle kiertämisen antipodi.

Vuonna 1828 William Nicol, käyttämällä läpinäkyviä Islannin sparran kiteitä, suunnitteli valopolarisaattorin - "Nicol-prisman". Ja suoritettuaan vuonna 1839 kahden tällaisen prisman yhdistelmän hän sai polarimetrin - laitteen valon polarisaatiotason kiertokulman mittaamiseksi. Siitä lähtien tällaisesta polarimetristä on tullut yksi fyysisten laboratorioiden yleisimmistä instrumenteista.

Pasteurin löytö

Pasteur valmisti tutkimuksen aikana liuoksen viinihapon happamasta natriumsuolasta HOOC-CHOH-CHOH-COONa, kyllästti liuoksen ammoniakilla ja haihdutti vettä hitaasti, jolloin saatiin kauniita prismakiteitä naNa. (NH) 4 C 4 H 4 O 6 4H 2 O. Nämä kiteet osoittautuivat epäsymmetrisiksi. Joillakin kiteillä oli yksi tyypillinen pinta oikealla, kun taas toisilla oli yksi vasemmalla, ja näiden kahden tyyppisten kiteiden muoto oli ikään kuin peilikuva toisistaan. Näistä ja muista kiteistä tuli yhtä paljon. Tietäen, että tällaisissa tapauksissa kvartsikiteet pyörivät eri suuntiin, Pasteur päätti tarkistaa, havaittaisiinko tämä ilmiö hänen saamassaan suolassa. Suurennuslasilla ja pinseteillä varustettuna Pasteur jakoi kiteet huolellisesti kahteen kasaan. Niiden ratkaisuilla oli odotetusti päinvastainen optinen kierto, ja liuosseos oli optisesti inaktiivinen. Ei ollut selvää, miksi yksi lähtöaine antoi kiteitä erilaisia muotoja. Pasteur ei pysähtynyt tähän. Jokaisesta liuoksesta hän saosti liukenemattoman lyijy- tai bariumsuolan ja syrjäytti heikomman orgaanisen suolan vaikutuksesta vahvalla rikkihapolla. Voidaan olettaa, että molemmissa tapauksissa saataisiin alkuperäinen viinihappo, joka, kuten muistamme, oli inaktiivinen. Mikä oli Pasteurin yllätys, kun kävi ilmi, että yhdestä suolaliuoksesta ei muodostunut rypälehappoa, vaan tunnettu oikealle kiertävä viinihappo, ja sama, mutta vasemmalle pyörivä happo, saatiin toisesta liuoksesta! Siihen asti kukaan ei ollut nähnyt vasenkätistä viinihappoa! Näitä happoja kutsutaan d- viinimäinen oikealle kiertävälle lajikkeelle (lat. dexteriä- oikein) ja l- viinimäinen vasemmalle kiertävälle isomeerille (lat. laevus-vasen).

Havainto oli, että pitkään tunnettu inaktiivinen viinihappo osoittautui seokseksi, jossa oli yhtä suuria määriä myös tunnettua "oikeaa" ja aiemmin tuntematonta "vasemmistoa". Tästä syystä niiden sekoituksella kiteessä tai liuoksessa ei ole optista aktiivisuutta. Tällaiselle seokselle alettiin käyttää nimeä rasemaatti (latinan kielestä racemus- rypäle; latinaksi Acidum racemicum- viinihappo) ja kahta antipodia, jotka yhtä suuria määriä sekoitettuna muodostavat optisesti inaktiivisen seoksen, kutsutaan enantiomeereiksi (kreikasta. enantios- vastapäätä). Pasteur oli onnekas: tulevaisuudessa löydettiin vain muutama samanlainen tapaus kiteytyä tietyssä lämpötilassa optisesti erilaisten kiteiden seoksesta, joka oli riittävän suuri erotettavaksi suurennuslasin alla pinseteillä. Lisäksi viinihapon natriumammoniumsuola, jolla Pasteur työskenteli, muodostaa erimuotoisia kiteitä vain, jos kiteytys tapahtuu liuoksesta, jonka lämpötila on alle 28 °C. Tässä tapauksessa tetrahydraatti saostuu. Enemmän kanssa korkeita lämpötiloja symmetrisiä monohydraattikiteitä saostuu liuoksesta.

Pian Pasteur löysi myös viinihapon neljännen muodon. Se oli optisesti inaktiivinen, mutta ei rasemaatti, koska sitä oli mahdotonta erottaa antipodeiksi. Pasteur kutsui tätä happoa mesoviinihappoksi kreikasta. mesos- keskitaso, keskitaso. Pasteur löysi kaksi muuta menetelmää rasemaatin jakamiseksi kahteen antipodiin. Biokemiallinen menetelmä perustuu joidenkin mikro-organismien selektiiviseen kykyyn absorboida vain yksi isomeereistä. Ja tässä Pasteur oli onnekas. Yksi apteekin apteekeista antoi hänelle pitkään seisoneen viinirypälehappopullon, jossa vihreä home alkoi. Laboratoriossaan Pasteur sai selville, että kerran inaktiivisesta haposta tuli vasenkätinen. vihreä homesieni Penicillum glaucum laimean viinihapon tai sen suolojen liuoksessa se "syö" vain oikean isomeerin jättäen vasemman ennalleen. Tällä muotilla on sama vaikutus "inaktiiviseen" mantelihappoon, vain tässä tapauksessa se assimiloi vasemmalle kiertävän isomeerin koskematta oikealle kiertävään isomeeriin. Tällaisia tapauksia on tullut tunnetuksi monia. Esimerkiksi hiiva Saccharomycete ellipsoidalis ( Saccharomyces ellipsoidus), Toisin kuin Penicillum glaucum, "erikoistuu" mantelihapon oikeaan isomeeriin jättäen vasemman ennalleen. Toinen tapa erottaa rasemaatit oli kemiallinen. Se vaati etukäteen optisesti aktiivista ainetta, joka vuorovaikutuksessa raseemisen seoksen kanssa "valitsisi" siitä vain yhden enantiomeerin. Esimerkiksi optisesti aktiivinen emäs antoi optisesti aktiivisen suolan viinihapon kanssa, josta voitiin eristää vastaava viinihapon ja hapon enantiomeeri.

Pasteurin työ, joka osoitti mahdollisuuden "jakaa" optisesti inaktiivinen yhdiste antipodeiksi, herätti alun perin epäluottamusta monien kemistien keskuudessa. Edes Biot itse ei uskonut avustajaansa ennen kuin hän toisti kokemuksensa omalla kädellä. Pian Joseph Le Bel jakoi kolmatta Pasteur-menetelmää käyttäen useita alkoholeja optisesti aktiivisiksi antipodeiksi. Johann Wislicenus totesi, että maitohappoja on kaksi: hapanmaidossa muodostuva optisesti inaktiivinen (fermentoitu maitohappo) ja oikealle kiertävä, joka esiintyy työlihaksessa (liha-maitohappo). Tällaisia esimerkkejä tuli yhä enemmän, ja tarvittiin teoriaa selittämään, kuinka antipodien molekyylit eroavat toisistaan. Tällaisen teorian loi nuori hollantilainen tiedemies Van't Hoff ("Chemistry and Life", 2009, nro 1). Tämän teorian mukaan molekyylit, kuten kiteet, voivat olla "oikealla" ja "vasemmalla" toistensa peilikuvina. Yksinkertaisin esimerkki ovat molekyylit, joissa on niin kutsuttu epäsymmetrinen hiiliatomi, jota ympäröi neljä erilaista ryhmää. Otetaan yksinkertaisin aminohappo alaniini: kahta kuvattua molekyyliä ei voi yhdistää avaruudessa millään käänteellä.

Tällaisia rakenteita, jotka eroavat toisistaan kuten oikea käsi vasemmasta, kutsutaan kiraaliseksi (kreikaksi. hiukset- käsi).

Viinihapossa on kaksi epäsymmetristä hiiliatomia. Jos molemmat ovat "oikea", saat oikealle kiertävää (+)-viinihappoa, jos "vasenta" - vasemmalle kiertävää (-)-viinihappoa, jos toinen on "vasen" ja toinen "oikea", saat mesoviinihappoa. . Jos seos on yhtä "oikea" ja "vasen" molekyylejä, aine kokonaisuudessaan on optisesti inaktiivinen. Juuri nämä aineet saadaan pullosta tavanomaisen kemiallisen synteesin tuloksena. Ja vain elävissä organismeissa epäsymmetristen aineiden (esimerkiksi entsyymien) osallistuessa muodostuu epäsymmetrisiä yhdisteitä. Siten vain yhden konfiguraation aminohapot ja sakkaridit hallitsevat luonnossa, ja niiden antipodien muodostuminen estyy. Joissakin tapauksissa eri enantiomeerit voidaan erottaa ilman instrumentteja - kun ne ovat eri vuorovaikutuksessa kehomme epäsymmetristen reseptorien kanssa. Silmiinpistävä esimerkki on aminohappo leusiini: sen oikealle kiertävä isomeeri on makea ja vasemmalle kiertävä karvas. Huomaa, että luonnolliseen kysymykseen - kuinka ensimmäiset optisesti aktiiviset kemialliset yhdisteet ilmestyivät Maahan - ei ole vielä selvää vastausta.

Ehdoton konfigurointiongelma

Aikaisemmin ei ollut mahdollista määrittää, mikä on jonkin tai toisen optisesti aktiivisen aineen, esimerkiksi edellä mainitun alaniinin, molekyylien todellinen tilakonfiguraatio. Puhtaasti kemiallisilla menetelmillä oli kuitenkin mahdollista todeta eri aineiden konfiguraatioiden samankaltaisuus. Esimerkiksi oikealle kiertävät molekyylit d-glyseraldehydit olivat kokoonpanoltaan samanlaisia kuin vasenkätiset l-maitohappo ja oikealle kiertävä d-omenahappo. Vuonna 1906, M. A. Rozanovin ehdotuksesta, glyseraldehydi valittiin standardiksi optisesti aktiivisten molekyylien suhteellisen konfiguraation määrittämiseksi. Samaan aikaan E. G. Fischer ehdotti, että oikealle kiertävälle glyseraldehydille määritettäisiin (puhtaasti mielivaltaisesti) rakenne,

jossa tähti tarkoittaa asymmetristä hiiliatomia, joka on sitoutunut neljään eri substituenttiin. Tällaisissa kuvioissa kaksi "vaakasuuntaista" sidosta (tässä tapauksessa nämä ovat C-H- ja C-OH-sidoksia) sijaitsevat kuvion tason alla ja kaksi "pystysuoraa" sidosta (C-CHO ja C-CH2OH) koneen yläpuolella. Tätä kuvantamismenetelmää kutsutaan Fischer-projektioksi, joka on nimetty Emil Hermann Fischerin, toisen kemian Nobelin vuonna 1902 saaneen, mukaan.

Muutama sana Rozanovista, joka on meille käytännössä tuntematon. Martin Andre Rozanov (1874–1951) syntyi Ukrainassa Abraham ja Clara Rosenbergille. Valmistuttuaan klassisesta lukiosta kotimaassaan Nikolajevissa hän jatkoi opintojaan Berliinissä ja Pariisissa ja sitten New Yorkissa. Hän työskenteli New Yorkin yliopistossa, sitten Pittsburghin Mellon Institutessa, jossa hänelle myönnettiin ensimmäistä kertaa instituutin historiassa elinikäinen kemian professuuri. Sisar Martina Lillian (1886–1986) oli Long Islandin yliopiston matematiikan osaston dekaani; veli Aaron Joshua oli kuuluisa amerikkalainen psykiatri, joka työskenteli Kaliforniassa. M. A. Rozanovin "ei-kemiallisista" teoksista erottuu suuri artikkeli "Edison hänen laboratoriossa" (1932), jossa kirjoittaja kuvaili muun muassa erilaisia hauskoja tapauksia, mukaan lukien kokemuksensa kommunikoinnista kuuluisan kanssa. keksijä.

Kuvattu rakenne nimettiin D(+)-glyseraldehydiksi. Näin ollen kaikki tämän aldehydin kanssa stereokemiallisesti samanlaiset aineet alettiin luokitella D-sarjaan. Tämän aldehydin optista antipodia kutsuttiin L-glyseraldehydiksi, ja siihen liittyvät aineet alettiin liittää L-sarjaan ("+" tarkoittaa, että polarisaatiotaso pyörii oikealle, "–" - vasemmalle):

Glyseraldehydi on yksi yksinkertaisimmista optisesti aktiivisista yhdisteistä, sitä saadaan helposti hapettamalla glyserolia, ja mikä tärkeintä, sillä voidaan saada eniten erilaisia yhteyksiä. Tämä määrittää oikealle kiertävän viini- ja omenahapon sekä isoseriinin, vasemmalle kiertävän maitohapon ja monien muiden optisesti aktiivisten yhdisteiden suhteellisen konfiguraation. Glyseraldehydin aldolkondensaatio dihydroksiasetonin kanssa tuottaa fruktoosin ja sorboosin seoksen, joka voidaan erottaa. On selvää, että tällaisten synteesien aikana asymmetrisen hiiliatomin absoluuttisen konfiguraation tulee pysyä muuttumattomana. Näin tapahtuu, jos tämän hiiliatomin kemiallinen sidos jonkin naapurisubstituentin kanssa ei katkea. Muuten voi tapahtua joko optisen aktiivisuuden menetys (kuten esimerkiksi SN1-tyypin nukleofiilisissä substituutioreaktioissa) tai konfiguraation muutos päinvastaiseksi. Viimeinen prosessi, ns. Waldenin konversio, tapahtuu esimerkiksi reaktioissa S N 2; se on nimetty Paul (Pavel Ivanovich) Waldenin (1863–1957) mukaan, joka löysi sen vuonna 1889.

Isot kirjaimet D ja L otettiin käyttöön pienten kirjainten sijasta, jotta aineen konfiguraatiota, joka on määritetty glyseraldehydin suhteen, ei sekoitettaisi tämän aineen valon polarisaatiotason pyörimissuuntaan. Ja niin tapahtui, että osa D-sarjan yhdisteistä pyörii oikealle, osa - vasemmalle, eikä pyörimissuunta ole mitenkään yhteydessä aineen kuulumiseen mihinkään näistä sarjoista. Esimerkiksi vain D(-)-fruktoosia (eli levuloosia, koska se kiertää polarisaatiotasoa vasemmalle) on löydetty luonnosta. Toisaalta sekä L- että D-asparagiinit ovat oikealle kiertäviä aminohappoja. Mantelihapon C 6 H 5 CH (OH) COOH:ssa on kaksi optista isomeeriä: vasemmalle kiertävä D (–)- ja oikealle kiertävä L (+) isomeeri. Tällaisia esimerkkejä on monia. Siksi liitoksen pyörimismerkin ja sen konfiguraation välistä suhdetta ei voida määrittää etukäteen: kahdella nivelellä, joilla on sama suhteellinen konfiguraatio, voi olla vastakkaiset kiertomerkit. Sitä vastoin samanlaisilla yhdisteillä, joilla on sama rotaatiomerkki, voi olla päinvastainen suhteellinen konfiguraatio.

Molekyylin absoluuttisen konfiguraation suora määrittäminen on vaikea tehtävä, ja pitkään kemistit ovat selvinneet vain molekyylien osoittamisesta D- tai L-sarjaan. Ja vasta 1900-luvun puolivälissä J. Beivut ratkaisi tämän ongelman työntekijöiden kanssa, jotka työskentelivät Utrechtin yliopiston Van't Hoff -laboratoriossa. Merkittävä työ "Optisesti aktiivisten aineiden absoluuttisen konfiguraation määrittäminen röntgendiffraktiolla" julkaistiin 18. elokuuta 1951 lehdessä " Luonto". Kirjoittajat osoittivat D(+)-viinihapon kalium-rubidiumsuolan kiteiden röntgendiffraktioanalyysillä, että Fischer ei erehtynyt olettaessaan glyseraldehydin enantiomeerien absoluuttista konfiguraatiota! Ja tämä tarkoittaa, että kaikkien optisesti aktiivisten yhdisteiden suhteelliset, mutta myös absoluuttiset konfiguraatiot määritettiin oikein! Itse asiassa Fischerillä oli tasan 50% mahdollisuus päästä oikea valinta tai tehdä virheen. Samanlainen tarina tapahtui, kun kauan ennen elektronin löytämistä virtaussuunta sähkövirta. Ja - he tekivät virheen valitessaan suunnan plussasta miinukseen.

Koska Beivut on merkittävä alkuperäinen julkaisu lehdessä Luonto alkuperäisiä kokeellisia tietoja ei esitetty, kysymys tehtyjen johtopäätösten oikeellisuudesta säilyi keskeisenä, varsinkin kun noiden aikojen kokeellinen tekniikka oli kaukana täydellisestä. Erityisesti ei ollut tietokoneita, joita ilman yksikään röntgendiffraktioanalyysin työ ei voi tehdä nyt. Kaikkien mahdollisten epäilyjen poistamiseksi keskuksen henkilökunta molekyylibiologia Utrechtin yliopisto Martin Lutz ja M. M. Schroers sitoutuivat äskettäin testaamaan kollegoidensa tuloksia yli puoli vuosisataa sitten käyttämällä huippuluokan laitteita. Heidän työnsä julkaistiin elokuussa 2008 lehdessä Acta Crystallographica", osa C: " Crystal Structure Communications”, oli nimeltään ”Oliko Beivut oikeassa? Natriumtartraattitetrahydraatin - rubidiumin uudelleentutkimus". Yksikiteisen kiteen saamiseksi kirjoittajat kuumensivat (+)-viinihapon liuoksen 60 °C:seen ja alkoivat lisätä siihen tipoittain liuosta, jossa oli natrium- ja rubidiumkarbonaattien ekvimolaarista seosta. Ensin saostui vähemmän liukeneva hapan rubidiumtartraatti. Sitten, kun hiilidioksidin kehittyminen päättyi, sakka muuttui kokonaan liuokseksi. Kun se haihtuu huonelämpötila muodostui väritön jauhe, jonka uudelleenkiteyttäminen minimimäärästä vettä antoi tutkimukseen sopivia Na + ·Rb + ·C 4 H 4 O 6 2– ·4H 2 O -kiteitä. Artikkelin otsikossa esitettyyn kysymykseen kirjoittajat vastasivat "kyllä".

Beivutin työ yhteistyökumppaneiden kanssa vuonna 1951 oli todella käänteentekevää. Ensimmäistä kertaa oli mahdollista päästä eroon jostakin epäjohdonmukaisuudesta nimityksissä D ja L, jotka osoittivat vain geneettistä suhdetta glyserolialdehydien kanssa, mutta ei optisen pyörimissuuntaa. Tämä mahdollisuus toteutui vuonna 1956 Robert Sidney Kahnin ja Christopher Kelk Ingoldin sekä vuoden 1975 Nobel-palkinnon voittajan (yhdessä J. W. Cornforthin kanssa) Vladimir Prelogin ehdotuksesta. Heidän ensimmäinen artikkelinsa julkaistiin suhteellisen hämärässä sveitsiläisessä lehdessä Kokemus”, mutta ehdotus hyväksyttiin kuitenkin laajalti. Siten se on kuvattu yksityiskohtaisesti Louis ja Mary Featherin orgaanisen kemian oppikirjassa (1961, venäjänkielinen käännös 1966). Mutta tästä järjestelmästä tuli tunnetuin yksityiskohtainen universaali stereokemiallinen nimikkeistö julkaistiin vuonna 1966 (katso Cahn R.S., Ingold S.K., Prelog V. Specification of Molecule Chirality // Angew. Chem., Int. Ed. Englanti, 1966, 5, 385-415; koko teksti - PDF, 3,4 Mb).

Kirjoittajat ehdottivat, että kiraalisuuden käsite esitettäisiin esineen ominaisuutena olla yhteensopimaton sen heijastuksen kanssa ihanteellisessa litteässä peilissä ja R—S- järjestelmä (lat. rectus- suora, oikea ja synkkä- vasen) osoittamaan kiraalisuutta.

Yksityiskohtainen kuvaus tämän säännön soveltamisesta optisesti aktiivisiin yhdisteisiin löytyy orgaanisen kemian oppikirjoista sekä K. P. Butinin oppikirjasta. Se käyttää tiettyä ryhmien järjestelyä kiraalisen keskuksen ympärillä - myötäpäivään näiden ryhmien "vanhuuden" mukaisesti. Erityisesti oikealle kiertävä D-glyseraldehydi saa uuden nimikkeistön mukaan nimityksen R. Merkintä R Ja S lisätään yhdisteen nimeen etuliitteinä. Siten 1-bromi-1-kloorietaanin enantiomeerit ovat R-1-bromi-1-kloorietaani ja S-1-bromi-1-kloorietaani. Niiden optisesti inaktiivinen raseeminen modifikaatio on merkitty R,S-1-bromi-1-kloorietaani. Perinteen mukaan vanhoja nimityksiä D ja L käytetään kuitenkin laajalti myös esimerkiksi sokereista ja aminohapoista.

Tämän osion lopuksi panemme merkille toisen hyvin yleisen väärinkäsityksen - että kaikki luonnolliset aminohapot oletettavasti kuuluvat yksinomaan L-sarjaan. Itse asiassa näin ei ole: D-aminohappoja löytyy myös luonnosta, vaikkakin harvemmin kuin L-sarjan aminohappoja, pääasiassa alempien organismien maailmassa. Niitä on esimerkiksi peptidiantibiooteissa, joidenkin bakteerien kuoressa. Jotkut kuumissa lähteissä ja lämpövesissä elävät termofiiliset mikro-organismit käyttävät korkeita D-alaniinipitoisuuksia osmoregulaattorina. Korkeampien organismien veriplasma sisältää myös D-aminohappoja. Ihmiskeho tuottaa D-seriiniä välittäjäaineena. D-alaniinia, D-asparagiinia ja D-seriiniä löytyy korkeampien organismien hermosoluista. He työskentelevät D-aminohappojen kanssa esimerkiksi Moskovan valtionyliopiston kemian tiedekunnan kemiallisen entsymologian laitoksella. Ja vuonna 2008 Moskovan valtionyliopiston biologian tiedekunnassa A. V. Dmitriev puolusti väitöskirjaansa fysiikan ja matemaattisten tieteiden tohtoriksi aiheesta "Ionikuljetuksen fysikaaliset ja kemialliset mekanismit luonnollisissa ja kiraalisesti modifioiduissa mallikanavissa". Kirjoittaja tutki erityisesti D-aminohappoja sisältäviä modifioituja malliproteiineja. On osoitettu, että kymmenen D-aminohappoa riittää saamaan D-aminohapoista rakennetun luonnollisen funktionaalisen proteiinin primäärirakenteen.

Kiraaliset lääkkeet

Kemistit viittaavat usein enantiomeereihin yhtenä yhdisteenä, koska niiden kemialliset ominaisuudet ovat identtiset. Niiden biologinen aktiivisuus voi kuitenkin olla täysin erilainen. Tämä tuli ilmi traagisen tarinan jälkeen talidomidista, lääkkeestä, jota raskaana olevat naiset käyttivät laajalti Euroopassa 1960-luvun 60-luvulla tehokkaana unilääkkeenä ja rauhoittavana lääkkeenä. Ajan myötä sen teratogeeninen vaikutus ilmeni, ja monet vauvat syntyivät synnynnäisillä epämuodostumilla. Sen jälkeen eurooppalaiset lainasivat tiukemman amerikkalaisen lääkesertifiointijärjestelmän - Amerikassa talidomidia ei sallittu myydä. Mutta vasta 80-luvun lopulla kävi selväksi, että vain yhdestä talidomidin enantiomeereistä tuli onnettomuuden syy. Tätä eroa annosmuodossa ei tiedetty aiemmin, ja kaupan pidetty talidomidi oli raseeminen seos.

Tällä hetkellä monet lääkkeet valmistetaan optisesti puhtaina yhdisteinä. Niitä saadaan kolmella menetelmällä: raseemisten seosten erottelu, luonnollisten optisesti aktiivisten yhdisteiden modifiointi (näitä ovat hiilihydraatit, aminohapot, terpeenit, maito- ja viinihapot jne.) ja suora synteesi. Jälkimmäinen vaatii myös kiraalisia lähteitä, koska kaikki muut tavanomaiset synteettiset menetelmät tuottavat rasemaatin. Tämä on yksi syy joidenkin lääkkeiden korkeisiin kustannuksiin, eikä ole yllättävää, että monista ympäri maailmaa valmistetuista synteettisistä kiraalisista huumeista vain pieni osa on optisesti puhtaita, loput ovat rasemaatteja.

Optisesti puhtaiden enantiomeerien tarvetta selittää myös se, että usein vain toisella niistä on haluttu terapeuttinen vaikutus, kun taas toinen antipodi voi olla parhaimmillaan hyödytön ja pahimmillaan aiheuttaa ei-toivottuja sivuvaikutuksia tai olla myrkyllinen. On myös mahdollista, että jokaisella enantiomeerillä on oma spesifinen toimintansa. Kyllä, vasen käsi S-tyroksiini (levotroidi) on luonnollinen T4-kilpirauhashormoni. Oikealle kiertävä R-tyroksiini ("dekstroidi") alentaa veren kolesterolia. Jotkut valmistajat keksivät palindromi kauppanimiä tällaisiin tapauksiin, esimerkiksi " Darvon"huumauskipulääkettä ja" Novrad» yskänlääkettä varten.

Kuten jo mainittiin aminohapon leusiinin esimerkissä, ihminen on kiraalinen olento. Ja tämä ei koske vain ulkomuoto. Enantiomeeriset lääkkeet, jotka ovat vuorovaikutuksessa kehon kiraalisten molekyylien, kuten entsyymien kanssa, voivat toimia eri tavoin. "Oikea" lääke sopii reseptoriinsa kuin avain lukkoon ja laukaisee halutun biokemiallisen reaktion. Antiarytminen aine S-anapriliini vaikuttaa sata kertaa voimakkaammin kuin R-lomake. Anthelminttinen lääke levamisoli on aktiivinen pääasiassa S isomeeri, kun taas sen R- antipodi aiheuttaa pahoinvointia, joten aikoinaan raseeminen levamisoli korvattiin yhdellä enantiomeereistä. 60-luvulla yhtä adrenaliinin esiasteista kehossa - dihydroksifenyylialaniinia (L-DOPA) yritettiin hoitaa parkinsonismia. Samalla kävi ilmi, että tämä aine, samoin kuin siihen liittyvät dopamiini ja metyylidopa, ovat tehokkaita vain muodossa S-isomeeri. Samaan aikaan R-DOPA aiheuttaa vakavia sivuvaikutuksia, mukaan lukien verihäiriöt. yritys" Merck"kehitti menetelmän verenpainetta alentavan lääkkeen metyylidopan valmistamiseksi, joka sisältää vain halutun enantiomeerin spontaanin kiteyttämisen lisäämällä tämän isomeerin pieni siemen liuokseen.

Ja viimeinen esimerkki. Penisillamiini (3,3-dimetyylikysteiini) on melko yksinkertainen johdannainen aminohapon kysteiinistä. Tätä ainetta käytetään akuuttiin ja krooniseen myrkytykseen kuparin, elohopean, lyijyn ja muiden raskasmetallien kanssa, koska se muodostaa vahvoja komplekseja näiden metallien ionien kanssa, ja nämä kompleksit poistetaan munuaisten kautta. Penisillamiinia käytetään myös erilaisissa nivelreuman muodoissa, systeemisessä sklerodermassa ja useissa muissa tapauksissa. Tässä tapauksessa vain S- lääkkeen muoto R-isomeeri on myrkyllinen ja voi aiheuttaa sokeutta. Ei ilman syytä amerikkalaisen lehden kesäkuun numeron kannessa " Journal of Chemical Education» Vuodelle 1996 sijoitettiin tällainen epätavallinen piirros. Antipodaalisia lääkkeitä käsittelevän artikkelin otsikko ei ollut yhtä kaunopuheinen: "Kun molekyyli katsoo peiliin."

Ilja Abramovitš Leenson,
Tohtori kemiassa
"Kemia ja elämä" №5, 2009

Aikaisemmin kuvattiin rakenteellista isomeriaa, mikä johtui atomien ja sidosten vaihtelujärjestyksestä molekyyleissä ja kahden tyyppisestä tilaisomeriasta: rotaatio- ja geometrisestä ( cis-trans), joka liittyy saman rakenteen omaavien molekyylien fragmenttien erilaiseen sijoittumiseen avaruudessa. On olemassa toisenlainen stereoisomeria - optinen isomeria.

Optiset isomeerit ovat samoja kaikissa fysikaalisissa ja kemiallisissa ominaisuuksissaan ja eroavat toisistaan vain kahdessa suhteessa.

1 Kiteytymisen aikana ne muodostavat kiteitä, joilla ei ole symmetriatasoa ja jotka liittyvät toisiinsa objektina peilikuvaansa. Tämän ominaisuuden ansiosta Pasteur löysi optisen isomerian ilmiön. Viinihapon kiteytymisen aikana hän havaitsi visuaalisesti kahden kiteitä erilaisia tyyppejä ja erottamalla ne, eristettiin viinihapon puhtaat stereoisomeeriset muodot.

2 Optiset isomeerit liittyvät eri tavalla polarisoituun valoon.

Valosäteessä sähköisten ja magneettisten vektorien värähtelyt tapahtuvat keskenään kohtisuorassa suunnassa sekä kohtisuorassa säteen etenemissuuntaan nähden. Lisäksi esimerkiksi sähkövektorin värähtelyjen suunta muuttuu kaoottisesti ajassa muuttaen magneettivektorin värähtelyn suuntaa vastaavasti. Polarisoidussa säteessä sähköisten ja magneettisten vektorien värähtelyjä esiintyy kullekin yksi tiukasti kiinteä taso, polarisaatiotaso. Kun polarisoitu säde kulkee joidenkin läpinäkyvien nestemäisten ja kiteisten aineiden läpi, polarisaatiotaso pyörii. Yhdisteitä, jotka pyörittävät polarisoidun säteen polarisaatiotasoa, kutsutaan optisesti aktiivisiksi tai optisesti aktiivisiksi. Eri aineiden optisen aktiivisuuden kvantitatiivista vertailua varten arvo lasketaan tietty kierto. Koska kulman arvo, valon polarisaatiotason pyöriminen riippuu aineen luonteen lisäksi myös lämpötilasta, valon aallonpituudesta, sen ainekerroksen paksuudesta, jonka läpi polarisoitunut valo kulkee , ja liuoksille myös liuottimelle ja aineen pitoisuudelle ominaiskierto vakiolämpötilassa ja valon aallonpituudella on

jossa α on polarisaatiotason kiertokulma kerroksen paksuudella l ja aineen tiheys d, t- lämpötila, D on natriumin spektrin keltaisen viivan kiinteä aallonpituus.

Ratkaisua varten

Missä KANSSA- liuoksen pitoisuus grammoina ainetta 100 ml:ssa liuosta.

Maitohappo sakkaroosin käymisestä bakteerien avulla kääntää valon polarisaatiotasoa vasemmalle(vastapäivään). Sitä kutsutaan vasemmalle kiertäväksi tai vasemmalle maitohapoksi ja merkitään: (-) - maitohappo.

Maitohappo kiertää valon polarisaatiotasoa oikealle, kutsutaan oikeaksi maitohapoksi ja merkitään: (+) - maitohappo. Tämä maitohapon optinen muoto vapautuu eläinten lihaksista ja sitä kutsutaan liha-maitohapoksi.

SISÄÄNkidefaasi aineen optinen aktiivisuus liittyykiderakenteen epäsymmetria. SISÄÄNneste- ja kaasufaasit hän sidoimolekyylien epäsymmetrialla. Vuonna 1874 van't Hoff ja Lebel, stereokemiallisen teorian perustajat, totesivat lähes samanaikaisesti, että optisesti aktiiviset aineet sisältävät molekyyleissään vähintään yhden hiilen, joka liittyyneljä erilaistaryhmiä. Näitä hiiliatomeja kutsutaan epäsymmetrinen. Epäsymmetrisen hiiliatomin läsnäolo molekyylin rakenteessa on merkki yhdisteen molekyylien epäsymmetriasta ja siten aineen optisesta aktiivisuudesta.

Optista isomeriaa tarkasteltaessa epäsymmetriset hiiliatomit on yleensä merkitty tähdellä (*):

Kuten rakennekaavoista voidaan nähdä, asymmetrisen hiiliatomin sisältävillä yhdisteillä ei ole symmetriatasoa.

Maitohapon optiset isomeerit, so. Tämän hapon (-)- ja (+)-muodoilla on erilainen tilajärjestely yksittäisten ryhmien molekyylissä ja ne ovat peilikuvia toisistaan. Heijastus minkä tahansa esineen peilissä, jolla ei ole symmetriatasoa, ei ole sama kuin aihe, ja on sen antipodi (enantiomeeri).

Esimerkiksi ihmishahmon heijastus peilissä ei ole identtinen alkuperäisen kanssa. Ihmisen vasen puoli näkyy peilissä oikeana puolena ja päinvastoin. Kuvasta voidaan nähdä, että oikea malli avaruudessa päällekkäin asetettuna ei ole sama kuin vasemmanpuoleinen. Tätä esineen ominaisuutta olla yhteensopimaton sen tasaisen peilikuvan kanssa kutsutaan yleisesti nimellä kiraalisuus.

Optisia isomeerejä, jotka ovat peilikuvia toisistaan, kutsutaanantipodeja(enantiomeerit). Ne pyörittävät polarisaatiotasoaeri suuntiin samoissa kulmissa.

Maito- ja lihamaitohapot ovat antipodeja (enantiomeerejä). Nämä stereoisomeerit kiertävät polarisaatiotasoa eri suuntiin samoissa kulmissa.

Seos, jossa on yhtä monta antipodeja, on optisesti inaktiivinen kiertokompensoinnin vuoksi ja sitä kutsutaanrasemaatti.

Siten synteettisesti saatu maitohappo ei vaikuta polarisoituun valoon. Se koostuu seoksesta yhtä suuresta määrästä vasenta ja oikeaa muotoa, on optisesti inaktiivinen ja on merkitty (±) - maitohappo.

Optisesti aktiivisten yhdisteiden spatiaalisen rakenteen kuvaamisen helpottamiseksi ns Fischerin ehdottamat projektiokaavat, joka saadaan projisoimalla molekyylien tetraedrimalleja piirustuksen tasolle

Niitä käytettäessä on muistettava, että projektiokaavojen liike, niiden asettaminen toisiinsa on sallittu vain piirustuksen tasossa. Ymmärretään myös, että ylä- ja alaryhmät ovat piirustustason takana, sivuryhmät sen edessä. Oikean ja vasemman maitohapon projektiokaavat näiden sääntöjen mukaisesti eivät luonnollisesti yhdisty.

Optisen isomerian erittäin tärkeä kohta on se, että valon polarisaatiotason suuruus ja pyörimissuunta eivät ole suoraan riippuvaisia konfiguraatiosta (tilarakenteesta) yhteyksiä.

Esimerkiksi oikeanpuoleisen maitohapon estereillä ja eettereillä, joilla on sama konfiguraatio kuin itse hapolla, on vasemmanpuoleinen kierto.

Tästä seuraa, että kemialliselta rakenteeltaan samankaltaisten aineiden sarjan yhden jäsenen pyörimismerkki ei voi vielä toimia sen muiden osien konfiguraation ja pyörimismerkkinä.

Herää kysymys, ovatko eri aineiden optisten isomeerien konfiguraatiot tiedossa ja miten ne määritetään. Kemialliset menetelmät eivät salli antipodien absoluuttisen (todellisen) konfiguraation määrittämistä antipodien kemiallisten ominaisuuksien identiteetin vuoksi. Samaan aikaan näillä menetelmillä voidaan määrittää optisten isomeerien suhteellinen konfiguraatio. Optisesti aktiiviset yhdisteet voidaan muuttaa kemiallisesti toisikseen konfiguraatiota muuttamatta. Sitten, jos alkuperäisen "viite"yhteyden konfiguraatio tunnetaan, siitä saadulla yhteydellä on sama konfiguraatio.

Vuonna 1891 Fischer ja vuonna 1906 Rozanov ehdottivat oikeuden käyttöä (+)-glyseraldehydi. Hänelle määrättiin mielivaltaisesti kokoonpano " D". Sen antipodi, (–)-glyseraldehydi vastaavasti ottaen huomioon kokoonpano " L».

Tämä mahdollisti asennuksen suhteellinen kokoonpano optiset stereoisomeerit kemiallisin keinoin. Tässä tapauksessa D(+)-glyseraldehydijohdannaisille osoitetaan D-suhteellinen konfiguraatio.

Esimerkiksi maitohapon suhteellinen konfiguraatio on määritetty muuntamalla glyseraldehydi maitohapoksi.

Kävi ilmi, että D(+)-glyseraldehydi vastaa konfiguraatioltaan vasenta D(–)-maitohappoa.

Vasta vuonna 1951 D-glyseraldehydin absoluuttinen konfiguraatio määritettiin röntgenanalyysillä. Kävi ilmi, että sen kokoonpanon valinta oli oikea. Siten monien aineiden absoluuttiset konfiguraatiot ovat nyt tulleet tunnetuiksi.

Kuvattujen lisäksi DL- nimikkeistö optisten stereoisomeerien, ns RS- nimikkeistö Kahn, Ingold, Prelog, ei liity referenssiyhteyden kokoonpanoon ("vakio"). Se on kuvattu opetuskirjallisuudessa.

Maitohappo, CH3-CHOH-COOH

Maitohappoa saadaan maitohapponitriilistä tai sokeripitoisten aineiden maitohappokäymisestä.

Sitä käytetään nahkateollisuudessa ja kankaiden värjäyksessä.

Omenahappo

Se on kaksiemäksinen, kolmiatomihappo. Kemiallisesti sillä on α- ja β-hydroksihappojen ominaisuuksia, koska hydroksyyli on a-asemassa yhden happoryhmän suhteen ja β-asemassa toisen happoryhmän suhteen. Kunnostettuna se antaa meripihkahappo, jossa nestehukka - maleiini tai fumaari:

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

Omenahapolla on yksi asymmetrinen hiiliatomi ja se on optisesti aktiivinen.

Vasen ja oikea omenahappo sulavat 100 °C:ssa. Rasemaatti - 130–131 °C:ssa. Luonnossa omenahapon vasen muoto löytyy: pihlajan tuhkasta, omenoista, viinirypäleistä.

viinihappo ( dihydroksimeripihka)

Niillä on sama rakennekaava

ja eroavat tilarakenteeltaan.

Kuten kaavasta seuraa, viinihapolla on kaksi asymmetristä hiiliatomia. Optisten isomeerien lukumäärä yhdisteille, joiden molekyylirakenteessa on useita epäsymmetrisiä hiiliatomeja, saadaan kaavasta N=2 n , Missänon epäsymmetristen hiiliatomien lukumäärä.

Siksi viinihapon osalta pitäisi odottaa neljää optista stereoisomeeriä:

Projektiokaavojen käsittelysääntöjen mukaisesti, kun kaksi viimeistä muotoa asetetaan päällekkäin, ne osoittautuvat identtisiksi (yksi muodoista tulee kiertää piirustuksen tasossa 180 °). Siten neljän stereoisomeerisen muodon sijasta viinihappo toteutuu kolmessa. Lisäksi kolmas stereoisomeeri (III) osoittautuu optisesti inaktiiviseksi symmetriansa vuoksi (symmetriataso on esitetty kuvassa): ylemmän tetraedrin aiheuttama valon polarisaatiotason pyöriminen kompensoituu täysin alempi tetraedri, joka on suuruudeltaan yhtä suuri, mutta etumerkillisesti vastakkainen. Edessämme on esimerkki stereoisomeerisesta muodosta, jossa on asymmetrisiä hiiliatomeja, jotka ovat optisesti inaktiivisia symmetriansa vuoksi. Tällaisia stereoisomeerejä kutsutaan mesoformeiksi.

Aineen stereoisomeereja, jotka eivät ole toistensa peilikuvia, kutsutaan diastereoisomeereiksi. Tämän määritelmän mukaan viinihapon ensimmäinen ja toinen tilamuoto ovat diastereomeerejä suhteessa mesoviinihappoon (ja päinvastoin).

Koska antipodeja niillä on sama (vain peilimäisesti käänteinen) rakenne, niiden ominaisuudet, lukuun ottamatta suhdetta polarisoituun valoon, ovat myös samat. diastereomeerit eivät ole identtisiä tilarakenteeltaan, joten niiden ominaisuudet ovat jonkin verran erilaisia.

Viinihapon spatiaalisen isomerian analyysin päätteeksi voidaan sanoa, että sitä edustaa kaksi antipodia (muodot I ja II), niiden rasemaatti, jota kutsutaan viinihapoksi, ja diastereomeerinen mesoformi (III).

Oikealle kiertävä (+)-viinihappo on hyvin yleinen luonnossa, erityisesti rypälemehussa. Rypälemehun käymisen aikana se vapautuu happamasta kaliumtartraatista koostuvan hammaskiven muodossa.

Tätä suolaa käytetään peittausaineena tekstiilien värjäyksessä ja painamisessa.

Toinen, (+)-viinihapon kalium-natriumsuola - niin kutsuttu Rochelle-suola,

käytetään pietsokyteenä radiotekniikassa. Se on osa Fehlingin nestettä, jota käytetään pelkistysaineiden (esimerkiksi aldehydien) analyyttiseen määritykseen.

Mesoviinihappoa saadaan yhdessä rypälehapon kanssa keittämällä useita tunteja (+)-viinihappoa ylimäärän kaustista soodaa kanssa.

Sitruunahappo

Sitä esiintyy melko usein luonnossa: punajuurissa, karviaisissa, viinirypäleissä, sitruunoissa, vadelmissa, tupakanlehdissä. Optisesti inaktiivinen.

Sitruunahappoa käytetään elintarviketeollisuudessa, värjäyksessä, valokuvauksessa, veren säilönnässä jne.

aldonihapot

aldonihapot ovat polyhydroksikarboksyylihappoja yleisen kaavan HOCH 2 n COOH, jotka ovat muodollisesti aldehydiryhmän hapetustuotteita hiilihydraatteja(aldoosi). Tyypillisin laboratoriomenetelmä aldonihappojen synteesiin on helposti saatavilla olevien aldoosien hapetus bromilla sen vesiliuoksessa.

Aldonihapoilla ja niiden johdannaisilla on tärkeä rooli monosakkaridien synteettisessä kemiassa.

Menetelmät rasemaattien erottamiseksi optisesti aktiivisiksi komponenteiksi

Tällä hetkellä enantiomeerisesti puhtaiden aineiden tarve kasvaa nopeasti nykyaikaisten erittäin tehokkaiden lääkevalmisteiden valmistukseen sekä maatalouden ja metsänsuojelun tarpeisiin: uusien erittäin aktiivisten hyönteismyrkkyjen, rikkakasvien torjunta-aineiden, sienitautien ja muiden valikoivien aineiden tuotantoon. ohjata. Enantiomeerisesti puhtaiden aineiden saaminen näihin tarkoituksiin on mahdollista joko kehittämällä menetelmiä niiden täydelliseen kemialliseen synteesiin (useita tämän alan saavutuksia on palkittu kemian Nobel-palkinnolla) tai erottamalla raseemisia seoksia. Tarkastellaan joidenkin menetelmien periaatteita rasemaattien erottamiseksi optisesti aktiivisiksi komponenteiksi.

– mekaaninen valinta. Kiteytymisen aikana rasemaatit joskus kiteytyvät erikseen oikean- ja vasemmanpuoleisena muotona. Lisäksi niiden kiteet muodoltaan liittyvät toisiinsa objektina sen peilikuvaan. Tässä tapauksessa ne voidaan valita mekaanisesti ulkonäön perusteella.

– biokemiallinen erottelu. Se perustuu siihen, että mikro-organismit pystyvät elinaikanaan kuluttamaan ensisijaisesti vain yhtä optisista isomeereistä. Yleensä tämä optinen muoto on yleisempi luonnossa. Siksi sienten lisääntymisen ja itämisen aikana rasemaattiliuoksessa jää jonkin ajan kuluttua vain yksi optisesti aktiivinen muoto.

– Diastereomeerien ominaisuuksien eroihin perustuvat menetelmät

Siten optisesti aktiivisen hapon antipodien suolojen ja saman optisesti aktiivisen emäksen pitäisi antaa diastereomeerejä, joilla on erilainen liukoisuus. Tämä mahdollistaa niiden erottamisen kiteyttämällä.

Johdanto

1. Optinen toiminta

1.1 Optisesti aktiiviset aineet

1.2 Optisen toiminnan fyysiset syyt

1.2 a. Fenomenologinen malli

1.2 b. Kvanttiteoria

1,2 tuumaa Korpuskulaarinen teoria

2. Kiraaliset molekyylit

2.1 Pistesymmetriaryhmät

2.1 a. Oma symmetria-akseli

2.1 b. Virheellinen symmetria-akseli

2,1 tuumaa Pistesymmetriaryhmien tyypit

2.2 Kiraalisuuden symmetrinen määritelmä

2.3 Kiraalisuuden tyypit

3. Enantiomeerien nimikkeistö

3.1 Kokoonpanon mukaan: R - ja S

3.2 Optinen aktiivisuus: +/-

3.3 Kokoonpanon mukaan: D - ja L-

4. Konfigurointimenetelmät

4.1 Absoluuttisen konfiguraation määritelmä

4.1 a. Röntgendiffraktio

4.1 b. Optisen kierron teoreettinen laskenta

4.2 Suhteellisen konfiguraation määritelmä

4.2 a. Kemiallinen korrelaatio

4.2 b. Suhteellisen kokoonpanon määrittäminen fyysisiä menetelmiä käyttämällä

5. Menetelmät enantiomeerien erottamiseksi

5.1 Pilkkominen diastereomeerien kautta

5.2 Kromatografinen resoluutio

5.3 Mekaaninen halkaisu

5.4 Entsymaattinen pilkkominen

5.5 Optisen puhtauden määrittäminen

Johtopäätös

Kirjallisuus

Johdanto

Orgaanisten yhdisteiden joukossa on aineita, jotka pystyvät kiertämään valon polarisaatiotasoa. Tätä ilmiötä kutsutaan optiseksi aktiivisuudeksi ja vastaavia aineita kutsutaan optisesti aktiivisiksi. Optisesti aktiiviset aineet löytyvät optisten antipodien - isomeerien - parien muodossa, joiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ovat normaaleissa olosuhteissa samat, lukuun ottamatta yhtä - merkkiä polarisaatiotason pyörimisestä. (Jos yhdellä optisista antipodeista on esimerkiksi ominaiskierto (+20 o, niin toisella on ominaiskierto - 20 o).

Optinen isomeria ilmenee, kun molekyylissä on asymmetrinen hiiliatomi; tämä on neljään eri substituenttiin sitoutuneen hiiliatomin nimi. Kaksi tetraedristä substituenttien järjestelyä epäsymmetrisen atomin ympärillä on mahdollista. Molempia tilamuotoja ei voi yhdistää millään kierrolla; yksi niistä on peilikuva toisesta:

Tämän tyyppistä isomeriaa kutsutaan myös optiseksi isomeriaksi, peili-isomeriaksi tai enantiomeriksi. Molemmat peilimuodot muodostavat optisten antipodien tai enantiomeerien parin.

Vuonna 1815 ranskalainen fyysikko Jean Baptiste Biot ja saksalainen fyysikko Thomas Seebeck totesivat, että joillakin orgaanisilla aineilla (esim. sokerilla tai tärpätillä) on kyky kiertää valon polarisaatiotasoa kiteisessä, nestemäisessä, liuenneessa ja jopa kaasumaisessa muodossa. tila (Tämä ilmiö löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1811 ranskalainen fyysikko François Dominique Arago lähellä kvartsikiteitä). Joten todistettiin, että optinen aktiivisuus voidaan yhdistää paitsi kiteiden epäsymmetriaan, myös johonkin molekyylien tuntemattomaan ominaisuuteen. Kävi ilmi, että jotkut kemialliset yhdisteet voivat esiintyä sekä oikea- että vasenkätisten lajikkeiden muodossa, eikä tarkin kemiallinen analyysi paljasta eroja niiden välillä. Tämä oli uudenlainen isomeria, jota kutsuttiin optiseksi isomeriaksi. Kävi ilmi, että oikea- ja vasenkätisten lisäksi on olemassa kolmas isomeerityyppi - optisesti inaktiivinen. Tämän havaitsi vuonna 1830 kuuluisa saksalainen kemisti Jens Jakob Berzelius käyttämällä esimerkkiä rypäleen (dihydroksimeripihka)haposta HOOC-CH (OH) - CH (OH) - COOH: tämä happo on optisesti inaktiivinen, ja viinihappo on koostumukseltaan täsmälleen sama. on oikea kierto liuoksessa. Myöhemmin löydettiin "vasen" viinihappo, jota ei löydy luonnosta - oikealle kiertämisen antipodi.

Optiset isomeerit voidaan erottaa polarimetrillä - laitteella, joka mittaa polarisaatiotason kiertokulmaa. Liuoksissa tämä kulma riippuu lineaarisesti kerroksen paksuudesta ja optisesti aktiivisen aineen pitoisuudesta (Biotin laki). Eri aineiden optinen aktiivisuus voi vaihdella hyvin laajalla alueella. Joten erilaisten aminohappojen vesiliuosten tapauksessa 25 ° C:ssa spesifinen aktiivisuus (se on merkitty D:ksi ja mitattu valolle, jonka aallonpituus on 589 nm pitoisuudella 1 g / ml ja kerrospaksuudella 10 cm) on yhtä suuri kuin -232° kystiinille, -86, 2° proliinille, -11,0° leusiinille, +1,8° alaniinille, +13,5° lysiinille ja +33,2° asparagiinille.

Nykyaikaiset polarimetrit mahdollistavat optisen kierron mittaamisen erittäin suurella tarkkuudella (jopa 0,001°). Tällaisten mittausten avulla on mahdollista määrittää nopeasti ja tarkasti optisesti aktiivisten aineiden pitoisuus, esimerkiksi sokeripitoisuus liuoksissa sen kaikissa tuotantovaiheissa - raakatuotteista tiivistettyihin liuoksiin ja melassiin.

Fysiikan kiteiden optinen aktiivisuus liittyi niiden epäsymmetriaan; täysin symmetriset kiteet, kuten kuutioiset suolakiteet, ovat optisesti inaktiivisia. Molekyylien optisen aktiivisuuden syy pysyi täysin salaperäisenä pitkään. Ensimmäisen tämän ilmiön valaisevan löydön teki vuonna 1848 silloin tuntematon Louis Pasteur. Pasteur, joka tunnisti kaksi viinihapon antipodia, joita kutsuttiin enantiomeereiksi (kreikan sanasta enantios - vastakohta). Pasteur esitteli heille nimitykset L - ja D-isomeerit (latinan sanoista laevus - vasen ja dexter - oikea). Myöhemmin saksalainen kemisti Emil Fischer liitti nämä nimitykset yhden yksinkertaisimman optisesti aktiivisen aineen - glyseraldehydin OHCH2-CH (OH) - CHO kahden enantiomeerin rakenteeseen. Vuonna 1956 englantilaisten kemistien Robert Kahnin ja Christopher Ingoldin sekä sveitsiläisen kemistin Vladimir Prelogin ehdotuksesta optisille isomeereille otettiin käyttöön merkinnät S (latinasta sinister - vasen) ja R (latinalainen rectus - oikea); Rasemaatti on merkitty symbolilla RS. Perinteen mukaan myös vanhoja nimityksiä käytetään laajalti (esimerkiksi hiilihydraateille, aminohapoille). On huomattava, että nämä kirjaimet osoittavat vain molekyylin rakenteen (tiettyjen kemiallisten ryhmien "oikealle" tai "vasemmalle" järjestely) eivätkä liity optisen pyörimissuuntaan; jälkimmäinen on merkitty plus- ja miinusmerkeillä, esimerkiksi D (-) - fruktoosi, D (+) - glukoosi.

Hollannin tutkija van't Hoff loi teorian, joka selittää antipodimolekyylien välisen eron. Tämän teorian mukaan molekyylit, kuten kiteet, voivat olla "oikealla" ja "vasemmalla" toistensa peilikuvina. Tällaisia rakenteita, jotka eroavat toisistaan kuten oikea käsi vasemmasta, kutsutaan kiraaliseksi (kreikaksi perillinen - käsi). Siten optinen aktiivisuus on seurausta molekyylien avaruudellisesta isomeriasta (stereoisomeriasta).

optinen isomerismi evantiomeerin kiraalisuus

Van't Hoffin teoria, joka loi perustan modernille stereokemialle, sai yleistä tunnustusta, ja sen luojasta vuonna 1901 tuli ensimmäinen kemian Nobel-palkinnon voittaja.

1. Optinen toiminta

Optinen aktiivisuus on väliaineen (kiteet, liuokset, aineen höyryt) kykyä aiheuttaa sen läpi kulkevan optisen säteilyn (valon) polarisaatiotason pyörimisen.

Ilmenee niissä tapauksissa, joissa saman yhdisteen isomeerit ovat yhteydessä substituenttien eri paikoilla varma keskusta, ei sovi avaruuteen. Alifaattisen sarjan johdannaisten osalta isomeria liittyy sp3-hybridihiiliatomin stereokemiallisiin ominaisuuksiin.

Jopa Le Bel 1700-luvun lopulla ehdotti hiiliatomin tetraedristä rakennetta. Jos hiiliatomi on yhteydessä neljällä eri kanssa substituentteja, on mahdollista, että on olemassa 2 isomeeriä, jotka ovat toistensa peilikuvia.

Hiiliatomia, jossa on kaikki erilaiset substituentit, kutsutaan epäsymmetrinen tai kiraalinen keskus ("hiros" - käsi).

Harkitse esimerkkiä lupaavista kaavoista:

Stereoisomeerit I ja II eivät ole yhteensopivia avaruudessa, ovat antipodeja tai optisia isomeerejä ( enantiomeerit, stereomeerit).

Fisherin projektiokaavat

Tarkastellaan perspektiivikaavoja toisella tasolla.

Laitetaan epäsymmetrinen keskus (hiiliatomi) arkin tasoon; edustajat a Ja b levytason takana ( alkaen tarkkailija); edustajat f Ja d arkkitason yläpuolella ( lähempänä tarkkailija) - tarkkailijan katseen suunnan osoittavien nuolien mukaisesti. Saamme keskenään kohtisuoran suunnan sidoksille kiraalisen keskuksen kanssa. Tällaista isomeerien rakennetta kutsutaan Fisherin projektiokaavoiksi.

Siten Fischerin projektiokaavoissa vaakasuunnassa sijaitsevat substituentit on suunnattu tarkkailijaa kohti ja pystysuunnassa - arkin tason ulkopuolelle.

Projektiokaavoja rakennettaessa tilavimmat substituentit on järjestetty pystysuoraan. Jos substituentit ovat atomeja tai pieniä ryhmiä, jotka eivät liity pääketjuun, ne on järjestetty vaakasuoraan. 2-bromibutaanille

on kaksi antipode:

Enantiomeerit, antipodit, stereomeerit ovat käytännössä erottamattomia ominaisuuksiltaan (kiehumispiste, sulamispiste t jne.), ja niillä on myös samanlaiset termodynaamiset vakiot. Samalla niillä on eroja:

4) - kiinteät antipodit kiteytyvät muodostamalla kiteitä, jotka ovat peilimäisiä keskenään, mutta eivät ole yhteensopivia avaruudessa.

5) - antipodit kiertävät polarisoidun valon tasoa samassa kulmassa, mutta eri suuntiin. Jos valon kiertokulma on positiivinen (myötäpäivään), niin antipodia kutsutaan oikealle kiertäväksi, jos se on negatiivinen (vastapäivään), se on vasenkätinen.

Tasopolarisoidun valon optinen kiertokulma on merkitty [ α D]. Jos [ α D]= -31,2°, sitten vasemmalle kiertävää antipodia tutkittiin.

Polarimetri laite

Aineita, jotka pystyvät pyörittämään polarisoidun valon tasoa, kutsutaan optisesti aktiivisiksi tai optisesti aktiivisiksi.

Kahden enantiomeerin seos suhteessa 1:1 ei käännä polarisoidun valon tasoa ja sitä kutsutaan raseemiseksi seokseksi, rasemaatiksi.

Jos seoksessa toinen antipodi voittaa toisen, puhutaan sen optisesta puhtaudesta (ee). Se lasketaan seoksen enantiomeeripitoisuuksien erosta.

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

Sekundaariset ja tertiääriset amiinit voi olla myös optista aktiivisuutta. Neljäs substituentti on typpiatomin yksinäinen elektronipari.

5.4.1 Diastereomeerit

Diastereometria on ilmiö, jolla on merkittävämpi vaikutus aineiden ominaisuuksiin ja jota havaitaan tapauksissa, joissa yhdisteessä on kaksi tai useampia epäsymmetrisiä keskuksia. Esimerkiksi:

4-klooripentanoli-2

Kuvataan kaikki mahdolliset kytkennän antipodet (I-IV):

Saman yhdisteen optisia isomeerejä (stereoisomeerejä), jotka eivät ole antipodeja, kutsutaan diastereomeereiksi. Toisin sanoen isomeerien I ja III, I ja IV, II ja III, II ja IV parit ovat diastereomeerisia pareja. Isomeerien lukumäärä lasketaan kaavalla: q \u003d 2 n, jossa

q on stereoisomeerien kokonaismäärä,

n on epäsymmetristen keskusten lukumäärä (C*).

Esimerkiksi glukoosissa on 4 kiraalista keskustaa, jolloin q = 2 4 = 16 (D-glukoosi - 8 isomeeriä, L-glukoosi - 8 isomeeriä).

D-glukoosi

Luonnossa on tapauksia, joissa yhdisteen epäsymmetrisillä atomeilla on sama ympäristö. Tämä johtaa siihen, että puolet antipodeista ei ole optisesti aktiivisia.

viinihappo

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mesoformi

Mesoformi on optisesti inaktiivinen muoto, joka johtuu optisesti aktiivisen aineen sisäisestä symmetriasta.

Toisin kuin antipodeja, diastereomeerit eroavat kiehumispisteestä, tiheydestä (d 4 20), taitekertoimesta (n 4 20) jne.