Kemija. Prostorna izomerija Postojanje optičkih izomera moguće je za

Sadržaj članka

OPTIČKA IZOMERIJA."Kad se molekula pogleda u zrcalo" članak objavljen u izdanju američkog časopisa posvećenog lipnju 1996. kemijsko obrazovanje(Časopis za kemijsko obrazovanje). A na prvoj stranici naslovnice ovog broja također je bio neobičan crtež. Sa strane je bio prikazan pas koji dobrodušno maše repom strukturna formula penicilamin. Pas se pogledao u zrcalo, a odande ga je pogledala strašna zvijer s razgolićenim očnjacima i nakostriješenom kosom. Na boku zvijeri bila je prikazana ista strukturna formula u obliku zrcalne slike prve. Zašto zapravo ista tvar ima tako različite izglede? To se objašnjava posebnim svojstvom nekih kemijskih spojeva, koje je usko povezano s njihovom optičkom aktivnošću.

Polarizacija svjetlosti i optička aktivnost.

Početkom 19.st Engleski fizičar, astronom i liječnik Thomas Young pokazao je da se svjetlost može smatrati valom. Francuski fizičar Augustin Fresnel otkrio je da su svjetlosni valovi transverzalni: oscilacije u njima nastaju okomito na smjer gibanja (poput valova na površini vode: val teče naprijed, a plovak na vodi oscilira gore dolje). Već u 20.st utvrđeno je da je svjetlost elektromagnetski val, poput radio vala, samo što je valna duljina svjetlosti mnogo kraća. Izraz "elektromagnetski" znači da svjetlost ima električna i magnetska polja koja povremeno osciliraju, poput valova na površini mora. Sada nas zanimaju samo fluktuacije električno polje. Ispostavilo se da se te oscilacije ne događaju nasumično, već samo okomito na smjer svjetlosnog snopa. Kod običnog svjetla (emitira ga npr. sunce, žarulje sa žarnom niti) oscilacije se događaju nasumično, u svim smjerovima. Ali, prolazeći kroz neke kristale, na primjer, turmalin ili islandski špat (prozirna varijanta CaCO 3 kalcita), svjetlost dobiva posebna svojstva: kristal, kao da "odsiječe" sve oscilacije električnog polja, osim one koja se nalazi u određenoj ravnini. Slikovito rečeno, snop takve svjetlosti je poput vunene niti koja se provlači kroz uski procjep između dvije oštre oštrice.

Francuski fizičar Etienne Louis Malus smatrao je da se svjetlost sastoji od čestica s dva pola "sjeverni" i "južni", au svjetlosti koja prolazi kroz islandski špat svi polovi su okrenuti u jednom smjeru. Stoga je takvu svjetlost nazvao polariziranom. Utvrđeno je da je svjetlost djelomično polarizirana reflektirajući se pod određenim kutovima od ili lomeći na sjajnim površinama dielektrika, kao što je staklo. Malusova teorija nije potvrđena, ali ime je ostalo. Ljudsko oko ne može razlikovati običnu svjetlost od polarizirane, ali se to lako može učiniti pomoću najjednostavnijih optičkih instrumenata - polarimetara; koriste ih, primjerice, fotografi: polarizacijski filtri pomažu u uklanjanju odsjaja na fotografiji, koji nastaje kada se svjetlost reflektira od površine vode.

Pokazalo se da kada polarizirana svjetlost prolazi kroz neke tvari, dolazi do zanimljivog fenomena: ravnina u kojoj se nalaze "strelice" oscilirajućeg električnog polja postupno se okreće oko osi duž koje ide zraka. Ovaj fenomen prvi je otkrio 1811. godine francuski fizičar Francois Dominique Arago u kristalima kvarca. Prirodni kristali kvarca imaju nepravilnu, asimetričnu strukturu, a postoje dvije vrste koje se razlikuju po obliku, poput predmeta od svoje zrcalne slike. Ovi kristali zakreću ravninu polarizacije svjetlosti u suprotnim smjerovima; zvali su se dešnjaci i ljevoruki.

Godine 1815. drugi francuski fizičar Jean Baptiste Biot i njemački fizičar Thomas Seebeck ustanovili su da neke organske tvari (na primjer, šećer ili terpentin) također imaju ovo svojstvo, ne samo u kristalnom, već iu tekućem, otopljenom, pa čak i plinovitom stanju. Tako je dokazano da se optička aktivnost može povezati ne samo s asimetrijom kristala, već i s nekim nepoznatim svojstvom samih molekula. Pokazalo se da, kao i u slučaju kristala, neki kemijski spojevi mogu postojati u obliku desno- i lijevo-kretnih varijanti, a najpažljivija kemijska analiza ne otkriva nikakve razlike među njima! Zapravo, bila je to nova vrsta izomerije, koja je nazvana optička izomerija. Pokazalo se da osim desnorotirajućih i lijevorotirajućih, postoji i treća vrsta izomera - optički neaktivni. Ovo je 1830. godine otkrio poznati njemački kemičar Jens Jakob Berzelius koristeći grožđanu (dihidroksijantarnu) kiselinu HOOCCH(OH)CH(OH)COOH kao primjer: ova kiselina je optički neaktivna, a vinska kiselina potpuno istog sastava ima pravu rotaciju u riješenje. Kasnije je otkrivena i "lijeva" vinska kiselina koje nema u prirodi - suprotnost desnorotatornoj.

Optičke izomere možete razlikovati pomoću polarimetra, instrumenta koji mjeri kut rotacije ravnine polarizacije. Za otopine ovaj kut linearno ovisi o debljini sloja i koncentraciji optički aktivne tvari (Biotov zakon). Za različite tvari, optička aktivnost može varirati u vrlo širokom rasponu. Dakle, u slučaju vodenih otopina različitih aminokiselina na 25 °C, specifična aktivnost (označava se kao D i mjeri se za svjetlost valne duljine od 589 nm pri koncentraciji od 1 g/ml i debljini sloja od 10 cm) iznosi 232° za cistin, 86, 2° za prolin, 11,0° za leucin, +1,8° za alanin, +13,5° za lizin i +33,2° za asparagin. Moderni polarimetri omogućuju mjerenje optičke rotacije s vrlo velikom točnošću (do 0,001°). Takva mjerenja omogućuju vam brzo i točno određivanje koncentracije optički aktivnih tvari, na primjer, sadržaja šećera u otopinama u svim fazama njegove proizvodnje, od sirovih proizvoda do koncentriranih otopina i melase.

Pasteurovo otkriće.

Tijekom istraživanja, Pasteur je dobio kiselu natrijevu sol grožđane kiseline C 4 H 5 O 6 Na, zasitio otopinu amonijakom i polaganim isparavanjem vode dobio prekrasne prizmatične kristale natrijeve amonijeve soli C 4 H 3 O 6 NaNH. 4 . Pokazalo se da su ovi kristali asimetrični, neki od njih bili su, takoreći, zrcalna slika drugih: polovica kristala imala je jednu karakterističnu stranu s desne strane, dok su drugi imali jednu s lijeve strane. Naoružan povećalom i pincetom, Pasteur je kristale podijelio u dvije hrpe. Njihova su rješenja očekivano imala suprotnu optičku rotaciju. Pasteur tu nije stao. Iz svake otopine izolirao je izvornu kiselinu (koja je bila neaktivna). Kakvo je bilo njegovo iznenađenje kada se pokazalo da je jedna otopina dobro poznata dekstrorotacijska vinska kiselina, a druga ista kiselina, ali rotirajuća ulijevo!

Sjećanja očevidaca svjedoče o nevjerojatnoj živčanoj uzbuđenosti mladog znanstvenika, koja ga je u tom trenutku obuzela; shvativši što je uspio učiniti, Pasteur je istrčao iz laboratorija i, susrevši laboranta u kabinetu fizike, pojurio k njemu i zagrlivši ga uzviknuo: "Upravo sam došao do velikog otkrića!" A sastojao se u tome što je odavno poznata neaktivna vinska kiselina jednostavno mješavina jednakih količina također poznate “desne” vinske kiseline i dotad nepoznate “lijeve”. Zbog toga smjesa nema optičku aktivnost. Za takvu smjesu počeo se koristiti naziv racemat (od lat. racemus grožđe). A dva antipoda vinske kiseline koje je dobio Pasteur nazvali su enantiomeri (od grčkog enantios suprotno). Pasteur je za njih uveo oznake L- i D-izomeri (od latinskih riječi laevus lijevo i dexter desno). Kasnije je njemački kemičar Emil Fischer ove oznake povezao sa strukturom dvaju enantiomera jedne od najjednostavnijih optički aktivnih tvari, gliceraldehida OHCH 2 CH(OH)CHO. Godine 1956., na prijedlog engleskih kemičara Roberta Kahna i Christophera Ingolda te švicarskog kemičara Vladimira Preloga, za optičke izomere uvedene su oznake S (od lat. sinister lijevo) i R (lat. rectus desno); Racemat je označen simbolom RS. No, prema tradiciji, naširoko se koriste i stare oznake (npr. za ugljikohidrate, aminokiseline). Treba napomenuti da ova slova označavaju samo strukturu molekule ("desni" ili "lijevi" raspored određenih kemijskih skupina) i nisu povezana sa smjerom optičke rotacije; potonji se označava znakom plus i minus, na primjer, D()-fruktoza, D(+)-glukoza.

Osim "ručne metode", Pasteur je otkrio još dvije metode za razdvajanje racemata na dva antipoda. Biokemijska metoda temelji se na selektivnoj sposobnosti nekih mikroorganizama da apsorbiraju samo jedan od izomera. Na primjer, gljiva Penicillum glaucum, koji raste na razrijeđenim otopinama vinske kiseline ili njezinih soli, "jede" samo desni izomer, ostavljajući lijevi nepromijenjen.

Treći način odvajanja racemata bio je čisto kemijski. Ali za njega je bilo potrebno unaprijed imati optički aktivnu tvar, koja bi u interakciji s racemičkom smjesom "izabrala" samo jedan enantiomer iz nje. Na primjer, optički aktivna organska baza dala je optički aktivnu sol s vinskom kiselinom, iz koje se mogao izolirati odgovarajući enantiomer vinske kiseline.

Teorija optičke izomerije.

Pasteurov rad, koji je dokazao mogućnost "cijepanja" optički neaktivnog spoja na antipodne enantiomere, u početku je izazvao nepovjerenje kod mnogih kemičara. Ni sam Biot nije vjerovao svom pomoćniku, sve dok nije vlastitim rukama ponovio svoje iskustvo i uvjerio se da je Pasteur bio u pravu. Ovaj i kasniji Pasteurov radovi privukli su veliku pozornost kemičara. Uskoro je Joseph Le Bel, koristeći treću Pasteurovu metodu, podijelio nekoliko alkohola u optički aktivne antipode. Johann Wislicenus je utvrdio da postoje dvije mliječne kiseline: optički neaktivna, koja nastaje u kiselom mlijeku (fermentirana mliječna kiselina), i desnorotacijska, koja se pojavljuje u radnom mišiću (meso-mliječna kiselina). Takvih je primjera bilo sve više i bila je potrebna teorija koja bi objasnila kako se molekule antipoda međusobno razlikuju. Takvu teoriju stvorio je mladi nizozemski znanstvenik Van't Hoff. Prema ovoj teoriji, molekule, poput kristala, mogu biti "desne" i "lijeve", kao zrcalna slika jedna druge. Najjednostavniji primjer bio takav. Atom ugljika u organskim spojevima je četverovalentan, četiri kemijske veze su usmjerene od njega ispod jednaki kutovi na vrhove tetraedra. Ako su svi atomi ili skupine atoma koji se nalaze na vrhovima tetraedra i povezani sa središnjim atomom ugljika različiti, tada su moguće dvije različite strukture koje se međusobno ne kombiniraju rotacijom u prostoru. Ako su barem dva od četiri supstituenta ista, molekule će postati potpuno identične (to je lako provjeriti pomoću modela od šibica i obojenog plastelina). Takve strukture, koje se razlikuju jedna od druge kao desna ruka od lijeve, nazivaju se kiralne (od grčke heir hand). Dakle, optička aktivnost je posljedica prostorne izomerije (stereoizomerije) molekula.

Atom ugljika vezan na četiri različita supstituenta naziva se asimetričnim. Atomi drugih elemenata silicija, dušika, fosfora, sumpora također mogu biti asimetrični. Međutim, spojevi bez asimetričnih ugljikovih atoma također mogu biti optički aktivni ako mogu postojati u obliku dva zrcalna izomera. Molekula će biti asimetrična ako nema niti jedan element simetrije, ni centar, ni osi, ni ravninu simetrije. Primjer je molekula alena H 2 C=C=CH 2 , koja ima dva različita supstituenta: R 1 R 2 C=C=CR 1 R 2 . Činjenica je da ti supstituenti nisu u istoj ravnini (kao, na primjer, u alkenima), već u dvije međusobno okomite ravnine. Stoga je moguće postojanje dva zrcalna izomera, koji se ne mogu međusobno spojiti nikakvim pomacima i rotacijama.

Složeniji odnosi javljaju se u slučaju molekula s nekoliko asimetričnih ugljikovih atoma. Na primjer, u vinskoj kiselini, dvije hidroksilne skupine na dva susjedna ugljikova atoma mogu biti raspoređene tako da je molekula simetrična i nema zrcalne izomere. To dovodi do stvaranja drugog, optički neaktivnog izomera, koji se naziva mezo-vinska (ili anti-vinska) kiselina. Dakle, dihidroksijantarna kiselina može biti u obliku četiri izomera: desnorotirajuća (D-vinska kiselina, koja se u medicini naziva vinska kiselina), lijevorotirajuća (L-vinska kiselina), optički neaktivna (mezotaratna kiselina), a također i kao mješavina L- i R-izomeri, tj. racemat (i-vinska, ili vinska kiselina). Optički aktivne vinske kiseline, kada se njihove vodene otopine dugo zagrijavaju, racemiziraju se, pretvarajući se u mješavinu antipoda.

Situacija je još kompliciranija kada u molekuli postoji mnogo asimetričnih centara. Na primjer, četiri su od njih u molekuli glukoze. Stoga je teoretski moguće postojanje 16 stereoizomera, koji tvore 8 pari zrcalnih antipoda. Odavno su poznati kemičarima; to je sama glukoza, kao i aloza, altroza, manoza, guloza, idoza, galaktoza i taloza. Mnogi od njih nastaju prirodno, poput D-glukoze (ali ne i L-glukoze, koja se proizvodi sintetski).

Ako tvar ima jednak broj "desnih" i "lijevih" molekula, bit će optički neaktivna. Upravo se te tvari dobivaju u tikvici kao rezultat konvencionalne kemijske sinteze. I samo u živim organizmima, uz sudjelovanje asimetričnih agenasa (na primjer, enzima), nastaju optički aktivni spojevi. Naravno, odmah se postavilo pitanje kako su se takvi spojevi pojavili na Zemlji, na primjer, ista prirodna dekstrorotatorna vinska kiselina ili "asimetrični" mikroorganizmi koji se hrane samo jednim od enantiomera. Doista, u nedostatku osobe, nije bilo nikoga tko bi izvršio usmjerenu sintezu optički aktivnih tvari, nije bilo nikoga tko bi kristale podijelio na desne i lijeve! Međutim, pokazalo se da su ta pitanja toliko složena da na njih do danas nema odgovora. Primjerice, nitko ne zna zašto gotovo sve prirodne aminokiseline od kojih su građeni proteini pripadaju L-seriji (S-konfiguracija), a njihovi antipodi se tek povremeno nalaze u nekim antibioticima.

Van't Hoffova teorija nije odmah dobila priznanje. Tako je istaknuti njemački eksperimentalni kemičar Adolf Kolbe (po njemu je nazvano nekoliko organskih reakcija) u svibnju 1877. objavio oštar članak u kojem se oštro negativno izjasnio o novoj teoriji. Srećom, Kolbe je bio u čistoj manjini, a van't Hoffova teorija, koja je postavila temelje moderne stereokemije, dobila je opće priznanje, a njezin tvorac 1901. postao je prvi laureat. Nobelova nagrada u kemiji.

Ova je teorija omogućila objašnjenje mnogih kemijskih pojava. Na primjer, u reakcijama supstitucije atoma halogena za hidroksilne skupine: u optički aktivnim alkil halidima RX + OH ® ROH + X (X atom halogena), u nekim slučajevima optička aktivnost nestaje, u drugima ostaje, ali mijenja znak. Ispostavilo se da ova reakcija može ići na različite načine. Prvi mehanizam uključuje disocijaciju halida uz stvaranje intermedijarnih R + iona, koji se brzo spajaju s OH anionima, dajući reakcijski produkt alkohol. Ako je početni halid RX imao optičku aktivnost, ona se gubi kao rezultat ove reakcije, budući da hidroksil može pristupiti intermedijarnom planarnom kationu s bilo koje strane, tako da se formira smjesa enantiomera. Ako reakcija teče prema drugom mehanizmu, anion OH prilazi atomu ugljika sa strane suprotne od CX veze i "istiskuje" atom halogena u obliku aniona. Ako je početni halid R 1 R 2 R 3 CX imao optičku aktivnost, ona se zadržava kao rezultat ove reakcije, ali je predznak optičke rotacije obrnut. To se događa zato što tri supstituenta na asimetričnom atomu ugljika R 1, R 2 i R 3, koji su, poput atoma halogena, na vrhovima tetraedra, mijenjaju svoju konfiguraciju u odnosu na četvrti supstituent kada se hidroksilni agens napada približava; takva promjena konfiguracije analogna je okretanju kišobrana naopako na jakom vjetru.

Optička izomerija i život.

Kemičari često enantiomere nazivaju jednim spojem jer oni Kemijska svojstva su identični. Međutim, njihova biološka aktivnost može biti potpuno drugačija. To je postalo očito nakon tragične priče o talidomidu, lijeku koji je 60-ih godina 20.st. liječnici u mnogim zemljama propisivali su ga trudnicama kao učinkovitu tabletu za spavanje i sedativ. Međutim, s vremenom, njegova strašna nuspojava: tvar se pokazala teratogenom (oštećuje fetus, od grčkog teratos čudovište, nakaza), a rođeno je mnogo beba s urođenim deformitetima. Tek kasnih 1980-ih postalo je jasno da je samo jedan od enantiomera talidomida, njegov dekstrorotatorni oblik, uzrok nesreće. Nažalost, ova razlika u djelovanju oblici doziranja nije ranije bio poznat, a talidomid je bio racemična mješavina obaju antipoda.

Trenutno, mnogi lijekovi dostupni su kao optički čisti spojevi. Dakle, od 25 najčešćih lijekova u SAD-u, samo šest su nekiralni spojevi, tri su racemati, a ostali su čisti enantiomeri. Potonji se dobivaju trima metodama: odvajanjem racemičnih smjesa, modifikacijom prirodnih optički aktivnih spojeva (to uključuje ugljikohidrate, aminokiseline, terpene, mliječnu i vinsku kiselinu itd.) i izravnom sintezom. Primjerice, poznata kemijska tvrtka Merck razvila je metodu za proizvodnju antihipertenzivnog lijeka metildopa, koja uključuje spontanu kristalizaciju samo željenog enantiomera uvođenjem male klice tog izomera u otopinu. Izravna sinteza također zahtijeva kiralne izvore, od bilo koje druge tradicionalne metode sinteza daje oba enantiomera u jednakim omjerima racemat. Uzgred, ovo je jedan od razloga visoka cijena neki lijekovi, budući da je usmjerena sinteza samo jednog od njih vrlo težak zadatak. Stoga ne čudi da je od više od 500 sintetskih kiralnih lijekova proizvedenih u cijelom svijetu samo oko desetina optički čista. Istodobno, od 517 pripravaka dobivenih iz prirodnih sirovina, samo osam su racemati.

Potreba za optički čistim enantiomerima objašnjava se činjenicom da često samo jedan od njih ima potrebne terapeutski učinak, dok drugi antipod može uzrokovati neželjene nuspojave ili čak biti toksičan. Također se događa da svaki enantiomer ima svoje specifično djelovanje. Dakle, S()-tiroksin ("levotroid") je prirodni hormon štitnjače. A dekstrorotatorni R (+) -tiroksin ("dekstroid") snižava kolesterol u krvi. Neki proizvođači smišljaju palindromske trgovačke nazive za takve slučajeve, kao što su Darvon i Novrad.

Što objašnjava različito djelovanje enantiomera? Čovjek je kiralno biće. I njegovo tijelo i molekule biološki aktivnih tvari od kojih se sastoji su asimetrični. Kiralne molekule lijeka, u interakciji s određenim kiralnim centrima u tijelu, poput enzima, mogu djelovati različito ovisno o tome koji je enantiomer lijeka. "Ispravan" lijek staje u svoj receptor poput ključa u bravu i pokreće željenu biokemijsku reakciju. Radnja "pogrešnog" antipoda može se usporediti s pokušajem da desnom rukom stisne desnu ruku svog gosta.

Ako je lijek racemat, tada jedan od enantiomera može u najboljem slučaju biti indiferentan, u najgorem slučaju izazvati potpuno neželjeni učinak. Evo nekoliko primjera. Dakle, antiaritmik S()-anaprilin djeluje 100 puta jače od R(+)-forme! U slučaju verapamila, oba enantiomera imaju sličan učinak, ali njegov R(+) oblik ima znatno manje teške kardiodepresivne nuspojave. Ketamin koji se koristi za anesteziju može izazvati nuspojave u obliku agitacije, delirija itd., U 50% pacijenata, a to je uglavnom svojstveno samo R () izomeru, kao i racematu. U anthelmintiku levamisol , aktivan je uglavnom u S ( )-izomeru, dok njegov R(+)-antipod izaziva mučninu, pa je svojedobno racemični levamisol zamijenjen jednim od enantiomera. No pokazalo se da nema uvijek ekonomskog smisla sintetizirati čiste izomere. Na primjer, za široko korišteni analgetik ibuprofen, pod djelovanjem enzima, moguća je izomerizacija terapeutski neaktivnog R()-forma u aktivni S(+)-izomer, stoga se u ovom slučaju može dobiti puno jeftiniji racemat. koristi se.

Različito biološko djelovanje "desnog" i "lijevog" izomera očituje se ne samo među lijekovima, već u svim slučajevima kada kiralni spoj stupa u interakciju sa živim organizmima. Eklatantan primjer aminokiselina izoleucin: njen desnorotirajući izomer je sladak, a lijevorotirajući izomer je gorak. Još jedan primjer. Carvone je tvar vrlo jake arome (ljudski nos ga može nanjušiti pri sadržaju od samo 17 milijuntih dijelova miligrama po litri u zraku). Carvone je izoliran iz kumina, u čijem ulju ga ima oko 60%. Međutim, potpuno isti spoj iste strukture nalazi se u ulju zelene metvice, gdje njegov sadržaj doseže 70%. Svi će se složiti da miris mente i kima nije nimalo isti. Ispostavilo se da zapravo postoje dva carvona "desno" i "lijevo". Razlika u mirisu između ovih spojeva ukazuje na to da receptorske stanice u nosu odgovorne za percepciju mirisa također moraju biti kiralne.

Vratimo se sada formuli prikazanoj na psu i vuku. Penicilamin (3,3-dimetilcistein) je prilično jednostavan derivat aminokiseline cisteina. Ova tvar se koristi za akutna i kronična trovanja bakrom, živom, olovom i drugim teškim metalima, budući da ima sposobnost stvaranja jakih kompleksa s ionima tih metala; nastale komplekse uklanjaju bubrezi. Penicilamin se također koristi u raznim oblicima reumatoidnog artritisa, kod sistemske sklerodermije iu nizu drugih slučajeva. U ovom slučaju koristi se samo S-oblik lijeka, jer je R-izomer toksičan i može dovesti do sljepoće.

Van't Hoffova teorija nije odmah dobila priznanje. Tako je istaknuti njemački eksperimentalni kemičar Adolf Kolbe (po njemu je nazvano nekoliko organskih reakcija) u svibnju 1877. objavio oštar članak u kojem se oštro negativno izjasnio o novoj teoriji. Srećom, Kolbe je bio u izrazitoj manjini, a van't Hoffova teorija, koja je postavila temelje moderne stereokemije, stekla je opće priznanje, a njezin tvorac 1901. godine postao je prvi dobitnik Nobelove nagrade za kemiju.

Ilya Leenson

U literaturi se često navodi da su samo lijevokretne aminokiseline pogodne za prehranu i kao strukturni elementi našeg metabolizma. Psihološki je to razumljivo: prirodne aminokiseline najčešće pripadaju takozvanoj L-seriji, a slovo L obično se povezuje s pojmom "lijevo". Međutim, takvo "svrstavanje" L-spojeva u lijevorotatorne, a spojeva D-serije - u desnorotatorne je apsolutno pogrešno. Dovoljno je pogledati barem popis 23 najvažnije proteinske aminokiseline (date su, na primjer, u udžbeniku A. N. Nesmeyanova i N. A. Nesmeyanova “Načela organske kemije”) kako bi se uvjerili da su lijevorotatorne (za otopine u ledenoj octenoj kiselini) - samo sedam, manje od trećine. Ostali su dekstrorotatorni, s izuzetkom optički neaktivnog glicina. U "Kemijskoj enciklopediji" na popisu 26 najčešćih lijevokretnih aminokiselina ima ih još manje, samo šest (23%). Mnogi ljudi brkaju smjer rotacije ravnine polarizacije svjetlosti tvari i strukturu njezinih molekula, koje se mogu pripisati D- ili L-tipu.

Polarizacija svjetlosti i optička aktivnost

Još od vremena Newtona u znanosti postoje sporovi: svjetlost su valovi ili čestice. Thomas Young je 1800. godine formulirao princip superpozicije valova i na temelju njega objasnio fenomen interferencije svjetlosti. Godine 1808. Etienne Louis Malus, eksperimentirajući s kristalima islandskog špata (kalcita), otkrio je fenomen polarizacije svjetlosti. Godine 1816. Augustin Jean Fresnel predložio je ideju da su svjetlosni valovi transverzalni. Fresnel je objasnio i fenomen polarizacije svjetlosti: kod običnog svjetla oscilacije se događaju nasumično, u svim smjerovima okomito na smjer snopa. No, prolazeći kroz neke kristale, poput islandskog špata ili turmalina, svjetlost dobiva posebna svojstva: valovi u njoj osciliraju samo u jednoj ravnini. Slikovito rečeno, snop takve svjetlosti je poput vunene niti koja se provlači kroz uski procjep između dvije oštre oštrice. Ljudsko oko samo u rijetkim slučajevima i teško može razlikovati običnu svjetlost od polarizirane svjetlosti, no to se lako može učiniti pomoću najjednostavnijih optičkih instrumenata - polarimetara.

Također je utvrđeno da kada polarizirana svjetlost prolazi kroz određene tvari, ravnina polarizacije rotira. Ovaj fenomen prvi je otkrio 1811. François Dominique Arago u kristalima kvarca. Prirodni kristali kvarca imaju nepravilnu, asimetričnu strukturu, a postoje dvije vrste koje se razlikuju po obliku, poput predmeta od svoje zrcalne slike. Ovi kristali zakreću ravninu polarizacije svjetlosti u suprotnim smjerovima; zvali su se dešnjaci i ljevoruki.

Godine 1815. Jean Baptiste Biot i Thomas Seebeck otkrili su da neke organske tvari (na primjer, šećer ili terpentin) također imaju sposobnost zakretanja ravnine polarizacije, ne samo u kristalnom, već iu tekućem, otopljenom, pa čak i plinovitom stanju. . Tako je dokazano da se optička aktivnost može povezati ne samo s asimetrijom kristala, već i s nekim nepoznatim svojstvom samih molekula. Kao i u slučaju kristala, neki kemijski spojevi mogu postojati u obliku desnih i lijevih varijanti, a najpažljivija kemijska analiza ne može pronaći nikakve razlike među njima. Takve su se varijante nazivale optički izomeri, a sami spojevi optički aktivni. Pokazalo se da optički aktivne tvari imaju i treću vrstu izomera - optički neaktivne. To je 1830. godine otkrio poznati njemački kemičar Jene Jacob Berzelius: vinska kiselina C 4 H 6 0 6 je optički neaktivna, a vinska kiselina potpuno istog sastava ima desnu rotaciju u otopini. Kasnije je otkrivena "lijeva" vinska kiselina koje nema u prirodi - antipod desnorotatorne.

William Nicol je 1828. godine, koristeći prozirne kristale islandskog špata, konstruirao svjetlosni polarizator - "Nicolovu prizmu". A nakon što je 1839. izveo kombinaciju dviju takvih prizmi, dobio je polarimetar - uređaj za mjerenje kuta rotacije ravnine polarizacije svjetlosti. Od tada je takav polarimetar postao jedan od najčešćih instrumenata u fizikalnim laboratorijima.

Pasteurovo otkriće

U tijeku istraživanja, Pasteur je pripremio otopinu kisele natrijeve soli vinske kiseline HOOC-CHOH-CHOH-COONa, zasitio otopinu amonijakom i, polagano isparavajući vodu, dobio prekrasne prizmatične kristale natrij-amonijeve soli tetrahidrata Na (NH) 4 C 4 H 4 O 6 4H 2 O. Pokazalo se da su ti kristali asimetrični. Neki od kristala imali su jedno karakteristično lice s desne strane, dok su drugi imali jedno s lijeve strane, a oblik dviju vrsta kristala bio je, takoreći, zrcalna slika jednog drugog. Ti i drugi kristali ispali su jednako. Znajući da se u takvim slučajevima kristali kvarca okreću u različitim smjerovima, Pasteur je odlučio provjeriti hoće li se taj fenomen uočiti na soli koju je dobio. Naoružan povećalom i pincetom, Pasteur je pažljivo podijelio kristale u dvije hrpe. Njihove su otopine očekivano imale suprotnu optičku rotaciju, a smjesa otopina je bila optički neaktivna. Nije bilo jasno zašto je jedan početni materijal dao kristale različite oblike. Pasteur tu nije stao. Iz svake je otopine istaložio netopljivu olovnu ili barijevu sol, te je djelovanjem na te soli jakom sumpornom kiselinom istisnuo iz njih slabiju organsku. Moglo bi se pretpostaviti da će se u oba slučaja dobiti izvorna vinska kiselina, koja je, kako se sjećamo, bila neaktivna. Kakvo je bilo Pasteurovo iznenađenje kada se pokazalo da iz jedne otopine soli nije nastala kiselina grožđa, već dobro poznata desnorotacijska vinska kiselina, a iz druge otopine ista kiselina, ali rotirajuća ulijevo! Do tada nitko nije vidio lijevu vinsku kiselinu! Te se kiseline nazivaju d- vinski za desnorotirajuću sortu (od lat. dekster- desno) i l- vinski za lijevorotirajući izomer (od lat. laevus- lijevo).

Otkriće je pokazalo da je odavno poznata neaktivna vinska kiselina mješavina jednakih količina također poznate "desne" vinske kiseline i prethodno nepoznate "lijeve" vinske kiseline. Zato njihova smjesa u kristalu ili u otopini nema optičku aktivnost. Za takvu smjesu počeo se koristiti naziv racemat (od lat racemus- grožđe; na latinskom jeziku Acidum racemicum- vinska kiselina), a dva antipoda, koji pomiješani u jednakim količinama daju optički neaktivnu smjesu, nazivaju se enantiomeri (od grč. enantios- suprotno). Pasteur je imao sreće: u budućnosti je otkriveno samo nekoliko sličnih slučajeva kristalizacije na određenoj temperaturi mješavine optički različitih kristala, dovoljno velikih da se pod povećalom pincetom razdvoje. Štoviše, natrij-amonijeva sol vinske kiseline, s kojom je radio Pasteur, stvara kristale različitih oblika samo ako se kristalizira iz otopine čija je temperatura ispod 28 °C. U ovom slučaju, tetrahidrat se taloži. S više visoke temperature iz otopine se talože simetrični kristali monohidrata.

Ubrzo je Pasteur otkrio i četvrti oblik vinske kiseline. Bio je optički neaktivan, ali nije bio racemat, jer ga je bilo nemoguće rastaviti na antipode. Pasteur je ovu kiselinu nazvao mezovinska, od grč. mesos- srednji, srednji. Pasteur je pronašao još dvije metode za dijeljenje racemata na dva antipoda. Biokemijska metoda temelji se na selektivnoj sposobnosti nekih mikroorganizama da apsorbiraju samo jedan od izomera. I tu je Pasteur imao sreće. Jedan od apotekara apotekara dao mu je dugogodišnju bocu grožđane kiseline u kojoj se pojavila zelena plijesan. Pasteur je u svom laboratoriju otkrio da je nekad neaktivna kiselina postala ljevoruka. gljivica zelene plijesni Penicillum glaucum u otopini razrijeđene vinske kiseline ili njezinih soli "jede" samo desni izomer, ostavljajući lijevi nepromijenjen. Ova plijesan ima isti učinak na "neaktivnu" bademovu kiselinu, samo što u ovom slučaju asimilira lijevorotirajući izomer bez dodirivanja desnorotirajućeg. Mnogi takvi slučajevi postali su poznati. Na primjer, kvasac Saccharomycete ellipsoidalis ( Saccharomyces ellipsoidus), Za razliku od Penicillum glaucum, "specijalizira" se za desni izomer bademove kiseline, ostavljajući lijevi nepromijenjen. Drugi način odvajanja racemata bio je kemijski. Unaprijed je bilo potrebno imati optički aktivnu tvar, koja bi u interakciji s racemičkom smjesom "odabrala" samo jedan enantiomer iz nje. Na primjer, optički aktivna baza daje optički aktivnu sol s vinskom kiselinom, iz koje se može izolirati odgovarajući enantiomer vinske i kiseline.

Pasteurov rad, koji je dokazao mogućnost "cijepanja" optički neaktivnog spoja na antipode, u početku je izazvao nepovjerenje kod mnogih kemičara. Ni sam Biot nije vjerovao svom pomoćniku sve dok nije vlastitom rukom ponovio svoje iskustvo. Uskoro je Joseph Le Bel, koristeći treću Pasteurovu metodu, podijelio nekoliko alkohola u optički aktivne antipode. Johann Wislicenus je utvrdio da postoje dvije mliječne kiseline: optički neaktivna, koja nastaje u kiselom mlijeku (fermentirana mliječna kiselina), i desnorotacijska, koja se pojavljuje u radnom mišiću (meso-mliječna kiselina). Takvih je primjera bilo sve više i bila je potrebna teorija koja bi objasnila kako se molekule antipoda međusobno razlikuju. Takvu teoriju stvorio je mladi nizozemski znanstvenik Van't Hoff („Kemija i život“, 2009., br. 1). Prema ovoj teoriji, molekule, poput kristala, mogu biti "desne" i "lijeve", kao zrcalna slika jedna druge. Najjednostavniji primjer su molekule koje imaju takozvani asimetrični ugljikov atom okružen s četiri različite skupine. Uzmimo najjednostavniju aminokiselinu alanin: dvije prikazane molekule nikako se ne mogu spojiti u prostoru.

Takve strukture, koje se razlikuju jedna od druge kao desna ruka od lijeve, nazivaju se kiralne (od grč. dlaka- ruka).

Vinska kiselina ima dva asimetrična ugljikova atoma. Ako su oba “desna”, dobit ćete dekstrorotatornu (+)-vinsku kiselinu, ako je “lijevo” - lijevorotatornu (–)-vinsku kiselinu, ako je jedna “lijevo”, a druga “desno”, tada ćete dobiti mezovinsku kiselinu. . Ako je smjesa podjednako "desnih" i "lijevih" molekula, tvar kao cjelina bit će optički neaktivna. Upravo se te tvari dobivaju u tikvici kao rezultat konvencionalne kemijske sinteze. I samo u živim organizmima, uz sudjelovanje asimetričnih agenasa (na primjer, enzima), nastaju asimetrični spojevi. Dakle, u prirodi prevladavaju aminokiseline i saharidi samo jedne konfiguracije, a stvaranje njihovih antipoda je potisnuto. U nekim slučajevima, različite enantiomere moguće je razlikovati bez ikakvih instrumenata - kada različito djeluju na asimetrične receptore u našem tijelu. Upečatljiv primjer je aminokiselina leucin: njen desnorotirajući izomer je sladak, a lijevorotirajući je gorak. Imajte na umu da prirodno pitanje - kako su se prvi optički aktivni kemijski spojevi pojavili na Zemlji - još nema jasan odgovor.

Apsolutni problem konfiguracije

Ranije nije bilo moguće odrediti stvarnu prostornu konfiguraciju molekula jedne ili druge optički aktivne tvari, na primjer, gore spomenutog alanina. Međutim, čisto kemijskim metodama bilo je moguće utvrditi sličnost konfiguracija različitih tvari. Na primjer, desnorotatorne molekule d-gliceraldehida bili su po svojoj konfiguraciji slični lijevokretnim l-mliječna kiselina i dekstrorotatorni d- jabučna kiselina. Godine 1906., na prijedlog M. A. Rozanova, gliceraldehid je odabran kao standard za određivanje relativne konfiguracije optički aktivnih molekula. U isto vrijeme, E. G. Fischer je predložio da se desnorotirajućem gliceraldehidu dodijeli (čisto proizvoljno) struktura,

u kojem zvjezdica označava asimetrični ugljikov atom vezan na četiri različita supstituenta. Na takvim slikama dvije "horizontalne" veze (u ovom slučaju to su C-H i C-OH veze) nalaze se ispod ravnine slike, a dvije "vertikalne" veze (C-CHO i C-CH 2 OH) iznad aviona. Ova metoda snimanja naziva se Fischerova projekcija, nazvana po Emilu Hermannu Fischeru, drugom dobitniku Nobelove nagrade za kemiju 1902. godine.

Nekoliko riječi o nama praktički nepoznatom Rozanovu. Martin Andre Rozanov (1874–1951) rođen je u Ukrajini u obitelji Abrahama i Clare Rosenberg. Nakon što je završio klasičnu gimnaziju u rodnom Nikolajevu, školovanje je nastavio u Berlinu i Parizu, a zatim u New Yorku. Radio je na Sveučilištu New York, zatim na Mellon institutu u Pittsburghu, gdje je prvi put u povijesti instituta dobio doživotno mjesto profesora kemije. Sestra Martina Lillian (1886. – 1986.) bila je dekanica Odsjeka za matematiku na Sveučilištu Long Island; brat Aaron Joshua bio je poznati američki psihijatar koji je radio u Kaliforniji. Među "nekemijskim" djelima M. A. Rozanova ističe se veliki članak "Edison u svom laboratoriju" (1932.), u kojem je autor, između ostalog, opisao razne smiješne slučajeve, uključujući i svoje iskustvo komuniciranja s poznatim izumitelj.

Prikazana struktura nazvana je D(+)-gliceraldehid. Sukladno tome, sve tvari stereokemijski slične ovom aldehidu počele su se pripisivati D-seriji. Optički antipod ovog aldehida nazvan je L-gliceraldehid, a njegove srodne tvari počele su se pripisivati L-seriji ("+" znači da se ravnina polarizacije okreće udesno, "–" - ulijevo):

Gliceraldehid je jedan od najjednostavnijih optički aktivnih spojeva, lako se dobiva oksidacijom glicerola, a što je najvažnije, njime se može dobiti najviše razne veze. Ovo uspostavlja relativnu konfiguraciju desnorotirajuće vinske i jabučne kiseline i izoserina, lijevorotirajuće mliječne kiseline i mnogih drugih optički aktivnih spojeva. Aldolna kondenzacija gliceraldehida s dihidroksiacetonom proizvodi smjesu fruktoze i sorboze, koje se mogu odvojiti. Jasno je da tijekom takvih sinteza apsolutna konfiguracija asimetričnog ugljikovog atoma mora ostati nepromijenjena. To se događa ako se kemijska veza ovog atoma ugljika s jednim od susjednih supstituenata ne prekine. U protivnom može doći ili do gubitka optičke aktivnosti (kao, na primjer, u reakcijama nukleofilne supstitucije tipa S N 1), ili do promjene konfiguracije na suprotno. Posljednji proces, takozvana Waldenova konverzija, događa se npr. u reakcijama S N 2; nazvana je po Paulu (Pavelu Ivanoviču) Waldenu (1863–1957), koji ju je otkrio 1889. godine.

Velika slova D i L umjesto malih slova usvojena su kako ne bi došlo do brkanja konfiguracije tvari, utvrđene u odnosu na gliceraldehid, sa smjerom rotacije ravnine polarizacije svjetlosti ovom tvari. I tako se dogodilo da se neki spojevi D-serije okreću udesno, neki - ulijevo, a smjer rotacije ni na koji način nije povezan s pripadnošću tvari bilo kojoj od tih serija. Na primjer, u prirodi je pronađena samo D(-)-fruktoza (aka levuloza, jer rotira ravninu polarizacije ulijevo). S druge strane, i L- i D-asparagini su dekstrorotatorne aminokiseline. Bademova kiselina C 6 H 5 CH (OH) COOH ima dva optička izomera: lijevorotirajući D (–)- i desnorotirajući L (+) izomer. Mnogo je takvih primjera. Stoga se odnos između znaka rotacije zgloba i njegove konfiguracije ne može unaprijed odrediti: dva zgloba s istom relativnom konfiguracijom mogu imati suprotne predznake rotacije. Obrnuto, slični spojevi s istim predznakom rotacije mogu imati suprotne relativne konfiguracije.

Izravno određivanje apsolutne konfiguracije molekule težak je zadatak i dugo su se vremena kemičari snalazili samo s pripisivanjem molekula D- ili L-seriji. I tek je sredinom 20. stoljeća ovaj problem riješio J. Beivut sa zaposlenicima koji su radili u laboratoriju Van't Hoff Sveučilišta u Utrechtu. Značajni rad pod naslovom "Određivanje apsolutne konfiguracije optički aktivnih tvari difrakcijom X-zraka" objavljen je 18. kolovoza 1951. u časopisu " Priroda". Autori su rendgenskom difrakcijskom analizom kristala kalij-rubidijeve soli D (+)-vinske kiseline pokazali da Fischer nije pogriješio kada je pretpostavio apsolutnu konfiguraciju enantiomera gliceraldehida! A to znači da su ne samo relativne, već i apsolutne konfiguracije svih optički aktivnih spojeva ispravno utvrđene! Zapravo, Fischer je imao točno 50% šanse za uspjeh pravi izbor ili pogriješiti. Slična se priča dogodila kada je, davno prije otkrića elektrona, određen smjer toka električna struja. I – pogriješili su odabirom smjera od plusa prema minusu.

Budući da je Beivutova temeljna izvorna objava u časopisu Priroda početni eksperimentalni podaci nisu prezentirani, pitanje valjanosti donesenih zaključaka ostalo je temeljno, pogotovo jer je eksperimentalna tehnika tog vremena bila daleko od savršene. Konkretno, nije bilo računala, bez kojih sada ne može proći niti jedan rad u području difrakcijske analize X-zraka. Kako bi otklonili sve eventualne sumnje, djelatnici Centra molekularna biologija Sveučilište u Utrechtu Martin Lutz i M. M. Schroers nedavno su krenuli testirati rezultate svojih kolega prije više od pola stoljeća koristeći najsuvremeniju opremu. Njihov rad, objavljen u kolovozu 2008. u časopisu Acta Crystallographica", odjeljak C: " Crystal Structure Communications”, nosila je naziv “Je li Beivut bio u pravu? Ponovno ispitivanje natrijevog tartarata tetrahidrata - rubidija". Kako bi dobili monokristal, autori su zagrijali otopinu (+)-vinske kiseline na 60°C i počeli joj kap po kap dodavati otopinu ekvimolarne smjese natrijevih i rubidijevih karbonata. Najprije se istaložio manje topljivi kiseli rubidij tartarat. Zatim, kada je evolucija ugljičnog dioksida završila, talog je potpuno prešao u otopinu. Kad ispari sobna temperatura nastao je bezbojni prah čijom su rekristalizacijom iz minimalne količine vode nastali kristali Na + ·Rb + ·C 4 H 4 O 6 2– ·4H 2 O pogodni za istraživanje. Na pitanje postavljeno u naslovu članka, autori su odgovorili "da".

Beivutov rad sa suradnicima 1951. bio je doista epohalni. Po prvi put je postalo moguće riješiti se neke nedosljednosti u oznakama D i L, koje su označavale samo genetski odnos s glicerol aldehidima, ali ne i smjer optičke rotacije. Ta je mogućnost ostvarena 1956. godine na prijedlog Roberta Sidneya Kahna i Christophera Kelka Ingolda te nobelovca 1975. godine (s J. W. Cornforthom) Vladimira Preloga. Njihov prvi članak objavljen je u relativno opskurnom švicarskom časopisu Experientia“, a ipak je prijedlog široko prihvaćen. Tako je detaljno opisan u udžbeniku organske kemije Louisa i Mary Feather (1961., ruski prijevod 1966.). Ali ovaj je sustav postao najpoznatiji nakon objavljivanja detaljne univerzalne stereokemijske nomenklature 1966. (vidi Cahn R.S., Ingold S.K., Prelog V. Specification of Molecule Chirality // Angew. Chem., Int. ur. Engleski, 1966, 5, 385–415; puni tekst - PDF, 3,4 Mb).

Autori su predložili uvođenje koncepta kiralnosti kao svojstva objekta da bude nekompatibilan sa svojim odrazom u idealnom ravnom zrcalu i R—S- sustav (od lat. rektus- ravno, ispravno i zlokoban- lijevo) za označavanje kiralnosti.

Detaljan opis primjene ovog pravila na optički aktivne spojeve nalazi se u udžbenicima organske kemije, kao iu udžbeniku K. P. Butina. Koristi određeni raspored skupina oko kiralnog središta - u smjeru kazaljke na satu, u skladu sa "senioritetom" tih skupina. Konkretno, prema novoj nomenklaturi, desnorotirajući D-gliceraldehid dobiva oznaku R. Notacija R I S dodaju se nazivu spoja kao prefiksi. Dakle, enantiomeri 1-bromo-1-kloroetana su R-l-brom-l-kloroetan i S-l-brom-l-kloroetan. Označena je njihova optički neaktivna racemična modifikacija R,S-l-brom-l-kloroetan. No, prema tradiciji, stare oznake D i L također su u širokoj uporabi, primjerice za šećere i aminokiseline.

U zaključku ovog odjeljka, bilježimo još jednu vrlo čestu zabludu - da sve prirodne aminokiseline navodno pripadaju isključivo L-seriji. Zapravo, to nije tako: D-aminokiseline se također nalaze u prirodi, iako rjeđe od aminokiselina L-serije, uglavnom u svijetu nižih organizama. Ima ih, primjerice, u peptidnim antibioticima, u ljusci nekih bakterija. Neki termofilni mikroorganizmi koji žive u toplim izvorima i termalnim vodama koriste visoke koncentracije D-alanina kao osmoregulator. Krvna plazma viših organizama također sadrži D-aminokiseline. Ljudsko tijelo proizvodi D-serin kao neurotransmiter. D-alanin, D-asparagin i D-serin nalaze se u živčanim stanicama viših organizama. S D-aminokiselinama rade, primjerice, na Zavodu za kemijsku enzimologiju Kemijskog fakulteta Moskovskog državnog sveučilišta. A 2008. godine na Biološkom fakultetu Moskovskog državnog sveučilišta A. V. Dmitriev obranio je disertaciju za stupanj doktora fizikalnih i matematičkih znanosti na temu “Fizikalni i kemijski mehanizmi transporta iona u prirodnim i kiralno modificiranim modelnim kanalima”. Autor je posebno proučavao modificirane modele proteina koji sadrže D-aminokiseline. Pokazalo se da je deset D-aminokiselina dovoljno da se dobije primarna struktura proteina s prirodnom funkcionalnošću izgrađenom od D-aminokiselina.

Kiralni lijekovi

Kemičari često enantiomere nazivaju jednim spojem jer su im kemijska svojstva identična. Međutim, njihova biološka aktivnost može biti potpuno drugačija. Postalo je to očito nakon tragične priče o talidomidu, lijeku koji su u Europi 60-ih godina 20. stoljeća uvelike koristile trudnice kao djelotvorno sredstvo za spavanje i sedativ. S vremenom se njegov teratogeni učinak očitovao, pa su mnoge bebe rođene s urođenim deformitetima. Nakon toga, Europljani su posudili stroži američki sustav certificiranja lijekova - u Americi se talidomid nije smio prodavati. Ali tek u kasnim 80-ima postalo je jasno da je samo jedan od enantiomera talidomida postao uzrok nesreće. Ova razlika u obliku doziranja nije bila ranije poznata, a talidomid koji je bio na tržištu bio je racemična smjesa.

Trenutno se mnogi lijekovi proizvode u obliku optički čistih spojeva. Dobivaju se trima metodama: razdvajanjem racemskih smjesa, modifikacijom prirodnih optički aktivnih spojeva (to su ugljikohidrati, aminokiseline, terpeni, mliječna i vinska kiselina itd.) i izravnom sintezom. Potonji također zahtijeva kiralne izvore, budući da sve druge konvencionalne sintetske metode daju racemat. To je jedan od razloga visoke cijene nekih lijekova, pa ne čudi da je od brojnih sintetskih kiralnih lijekova koji se proizvode diljem svijeta samo mali dio optički čist, a ostatak su racemati.

Potreba za optički čistim enantiomerima objašnjava se i činjenicom da često samo jedan od njih ima željeni terapeutski učinak, dok drugi antipod u najboljem slučaju može biti beskoristan, au najgorem uzrokovati neželjene nuspojave ili biti toksičan. Također se događa da svaki enantiomer ima svoje specifično djelovanje. Da, lijeva ruka S-tiroksin ( medicinski proizvod Levotroid je prirodni T4 hormon štitnjače. Dekstrorotatorni R-tiroksin ("dekstroid") snižava kolesterol u krvi. Neki proizvođači smišljaju trgovačke nazive palindroma za takve slučajeve, na primjer " Darvon"za narkotičke analgetike i" Novrad» za lijek protiv kašlja.

Kao što je već navedeno na primjeru aminokiseline leucina, čovjek je kiralno biće. I to se ne odnosi samo na izgled. Enantiomerni lijekovi, u interakciji s kiralnim molekulama u tijelu, poput enzima, mogu djelovati na različite načine. "Ispravan" lijek staje u svoj receptor poput ključa u bravu i pokreće željenu biokemijsku reakciju. Antiaritmijski agens S-anaprilin djeluje sto puta jače od R-oblik. Antihelmintik levamisol je aktivan uglavnom u S izomer, dok je njegov R- antipod izaziva mučninu, pa je svojedobno racemski levamisol zamijenjen jednim od enantiomera. Šezdesetih godina prošlog stoljeća jednim od prekursora adrenalina u tijelu - dioksifenilalaninom (L-DOPA) pokušao se liječiti parkinsonizam. Istodobno se pokazalo da je ova tvar, kao i srodni dopamin i metildopa, učinkovita samo u obliku S-izomer. U isto vrijeme R-DOPA uzrokuje ozbiljne nuspojave, uključujući poremećaje krvi. firma " Merck„razvio metodu za proizvodnju antihipertenzivnog lijeka metildopa, koja uključuje spontanu kristalizaciju samo željenog enantiomera uvođenjem male klice ovog izomera u otopinu.

I posljednji primjer. Penicilamin (3,3-dimetilcistein) je prilično jednostavan derivat aminokiseline cisteina. Ova tvar se koristi kod akutnih i kroničnih trovanja bakrom, živom, olovom i drugim teškim metalima, jer daje jake komplekse s ionima tih metala, a ti se kompleksi uklanjaju putem bubrega. Penicilamin se također koristi u raznim oblicima reumatoidnog artritisa, kod sistemske sklerodermije iu nizu drugih slučajeva. U ovom slučaju, samo S- oblik lijeka R-izomer je toksičan i može uzrokovati sljepoću. Ne bez razloga na naslovnici lipanjskog broja američkog časopisa " Časopis za kemijsko obrazovanje» Za 1996. godinu postavljen je tako neobičan crtež. Ništa manje rječit nije bio ni naslov članka o antipodalnim lijekovima: „Kada se molekula pogleda u zrcalo“.

Ilya Abramovich Leenson,
doktor kemije
"Kemija i život" №5, 2009

Prethodno je opisana strukturna izomerija, zbog različitog redoslijeda izmjene atoma i veza u molekulama, te dvije vrste prostorne izomerije: rotacijska i geometrijska ( cis-trans) povezana s različitim rasporedom fragmenata molekula iste strukture u prostoru. Postoji još jedna vrsta stereoizomerije - optička izomerija.

Optički izomeri su isti u svim svojim fizičkim i kemijskim svojstvima i razlikuju se samo u dva aspekta.

1 Tijekom kristalizacije stvaraju kristale koji nemaju ravninu simetrije i odnose se jedan prema drugome kao predmet prema svojoj zrcalnoj slici. Ovo svojstvo omogućilo je Pasteuru da otkrije fenomen optičke izomerije. Tijekom kristalizacije vinske kiseline vizualno je otkrio kristale dva različite vrste i njihovim odvajanjem, izolirani su čisti stereoizomerni oblici vinske kiseline.

2 Optički izomeri različito se odnose na polariziranu svjetlost.

U snopu svjetlosti dolazi do oscilacija električnog i magnetskog vektora u međusobno okomitim smjerovima, kao i okomito na smjer prostiranja snopa. Štoviše, smjer oscilacija, na primjer, električnog vektora kaotično se mijenja u vremenu, mijenjajući u skladu s tim smjer oscilacija magnetskog vektora. U polariziranom snopu za svaki se javljaju oscilacije električnog i magnetskog vektora jedan strogo fiksirana ravnina, ravnina polarizacije. Kada polarizirana zraka prolazi kroz neke prozirne tekućine i kristalne tvari, ravnina polarizacije se okreće. Spojevi koji zakreću ravninu polarizacije polarizirane zrake nazivaju se optički aktivni ili optički aktivni. Za kvantitativnu usporedbu optičke aktivnosti razne tvari, izračunajte vrijednost specifična rotacija. Budući da vrijednost kuta, rotacija ravnine polarizacije svjetlosti, osim o prirodi tvari, ovisi i o temperaturi, valnoj duljini svjetlosti, debljini sloja tvari kroz koji prolazi polarizirana svjetlost, a za otopine i o otapalo i koncentracija tvari, specifična rotacija pri konstantnoj temperaturi i valnoj duljini svjetlosti je

gdje je α kut zakreta ravnine polarizacije pri debljini sloja l i gustoća tvari d, t- temperatura, D je fiksna valna duljina žute linije iz spektra natrija.

Za rješenje

Gdje S- koncentracija otopine u gramima tvari, na 100 ml otopine.

Mliječna kiselina iz fermentacije saharoze uz pomoć bakterija zakreće ravninu polarizacije svjetlosti ulijevo(u smjeru suprotnom od kazaljke na satu). Naziva se lijevorotatorna ili lijevomliječna kiselina i označava se: (-) - mliječna kiselina.

Mliječna kiselina rotira ravninu polarizacije svjetlosti udesno, naziva se prava mliječna kiselina i označava se: (+) - mliječna kiselina. Ovaj optički oblik mliječne kiseline se oslobađa od životinjskih mišića a naziva se mesno-mliječna kiselina.

Ukristalna faza optička aktivnost tvari povezana je sasimetrija kristalne strukture. Utekuće i plinovite faze vezala jes molekularnom asimetrijom. Godine 1874. van't Hoff i Lebel, utemeljitelji stereokemijske teorije, primijetili su gotovo istodobno da optički aktivne tvari sadrže u svojim molekulama barem jedan ugljik povezan sčetiri različitaskupine. Ti se atomi ugljika nazivaju asimetričan. Prisutnost asimetričnog atoma ugljika u strukturi molekule znak je asimetrije molekula spoja, a time i optičke aktivnosti tvari.

Kada se razmatra optička izomerija, asimetrični atomi ugljika obično su označeni zvjezdicom (*):

Kao što se može vidjeti iz strukturnih formula, spojevi koji sadrže asimetrični atom ugljika nemaju ravninu simetrije.

Optički izomeri mliječne kiseline, t.j. (-) i (+)-oblici ove kiseline imaju različit prostorni raspored pojedinih skupina u molekuli i međusobno su zrcalne slike. Odraz u ogledalu bilo kojeg predmeta, koji nema ravninu simetrije, nije isto što i subjekt, i njegov je antipod (enantiomer).

Na primjer, odraz ljudske figure u ogledalu nije identičan originalu. Lijeva strana osobe se u ogledalu pojavljuje kao desna strana i obrnuto. Sa slike je vidljivo da se desni model, superponiran u prostoru, ne poklapa s lijevim. Ovo svojstvo objekta da bude nekompatibilan sa svojom ravnom zrcalnom slikom obično se naziva kiralnost.

Nazivaju se optički izomeri koji su zrcalne slike jedan drugogaantipodi(enantiomeri). Oni rotiraju ravninu polarizacijeu različitim smjerovima pod istim kutovima.

Mliječna i mesno-mliječna kiselina su antipodi (enantiomeri). Ovi stereoizomeri rotiraju ravninu polarizacije u različitim smjerovima pod istim kutovima.

Mješavina jednakog broja antipoda je optički neaktivna zbog kompenzacije rotacije i naziva seracemat.

Dakle, mliječna kiselina dobivena sintetski ne utječe na polariziranu svjetlost. Sastoji se od mješavine jednakih količina lijevog i desnog oblika, optički je neaktivan i označava se (±) - mliječna kiselina.

Radi lakšeg prikazivanja prostorne strukture optički aktivnih spojeva, tzv projekcijske formule koje je predložio Fischer, dobiven projiciranjem tetraedarskih modela molekula na ravninu crteža

Kada ih koristite, treba imati na umu da je kretanje projekcijskih formula, njihovo nametanje jedna na drugu dopušteno samo u ravnini crteža. Također se podrazumijeva da su gornja i donja grupa iza ravnine za crtanje, a bočne grupe ispred nje. Formule projekcije desne i lijeve mliječne kiseline, podložne ovim pravilima, prirodno se ne kombiniraju.

Vrlo važna točka optičke izomerije je da veličina i smjer rotacije ravnine polarizacije svjetlosti nisu izravno ovisni o konfiguraciji (prostornoj strukturi) veze.

Na primjer, esteri i eteri desne mliječne kiseline, koji imaju istu konfiguraciju kao sama kiselina, imaju lijevu rotaciju.

Iz ovoga slijedi da znak rotacije jednog od članova niza tvari slične kemijske strukture još ne može poslužiti kao karakteristika konfiguracije i znaka rotacije ostalih njegovih članova.

Postavlja se pitanje jesu li poznate konfiguracije optičkih izomera za razne tvari i kako se one određuju. Kemijske metode ne dopuštaju utvrđivanje apsolutne (prave) konfiguracije antipoda zbog identičnosti kemijskih svojstava antipoda. U isto vrijeme, ove metode mogu odrediti relativnu konfiguraciju optičkih izomera. Optički aktivni spojevi mogu se kemijski pretvarati jedni u druge bez promjene konfiguracije. Zatim, ako je poznata konfiguracija izvorne "referentne" veze, veza dobivena iz nje imat će istu konfiguraciju.

Godine 1891. Fischer i 1906. Rozanov predložili su korištenje desnice (+)-gliceraldehid. Proizvoljno mu je dodijeljena konfiguracija " D". Njegov antipod, (–)-gliceraldehid, odnosno, s obzirom na konfiguraciju " L».

To je omogućilo instalaciju relativna konfiguracija optički stereoizomeri kemijskim putem. U ovom slučaju, derivatima D(+)-gliceraldehida pripisuje se D-relativna konfiguracija.

Na primjer, relativna konfiguracija mliječne kiseline utvrđena je pretvorbom gliceraldehida u mliječnu kiselinu.

Pokazalo se da D(+)-gliceraldehid po konfiguraciji odgovara lijevoj D(–)-mliječnoj kiselini.

Tek je 1951. godine rendgenskom analizom utvrđena apsolutna konfiguracija D-gliceraldehida. Ispostavilo se da je odabir njegove konfiguracije bio ispravan. Tako su sada poznate apsolutne konfiguracije mnogih tvari.

Pored opisanog DL- nomenklatura za označavanje konfiguracije optičkih stereoizomera, tzv RS- nomenklatura Kahn, Ingold, Prelog, koji nije povezan s konfiguracijom referentne veze ("standard"). Opisano je u obrazovnoj literaturi.

Mliječna kiselina, CH3-CHOH-COOH

Mliječna kiselina se dobiva nitrilom mliječne kiseline ili mliječno-kiselim vrenjem šećernih tvari.

Koristi se u industriji kože i za bojanje tkanina.

Jabučna kiselina

To je dvobazna, troatomna kiselina. U kemijskom smislu pokazuje svojstva α- i β-hidroksi kiselina, jer je hidroksil u odnosu na jednu kiselinsku skupinu u α-položaju, a u odnosu na drugu u β-položaju. Kada se obnovi, daje jantarna kiselina, s dehidracijom - maleinska ili fumarna:

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

Jabučna kiselina ima jedan asimetrični atom ugljika i optički je aktivna.

Lijeva i desna jabučna kiselina tope se na 100°C. Racemat - na 130–131 °C. U prirodi se nalazi lijevi oblik jabučne kiseline: u planinskom pepelu, jabukama, grožđu.

vinske kiseline ( dihidroksisukcinska kiselina)

Imaju istu strukturnu formulu

a razlikuju se po prostornoj strukturi.

Kao što slijedi iz formule, vinska kiselina ima dva asimetrična ugljikova atoma. Broj optičkih izomera za spojeve koji imaju nekoliko asimetričnih ugljikovih atoma u molekularnoj strukturi nalazi se formulom N=2 n , Gdjenje broj asimetričnih ugljikovih atoma.

Stoga, za vinsku kiselinu treba očekivati četiri optička stereoizomera:

U skladu s pravilima za rukovanje formulama projekcije, kada se posljednja dva oblika preklapaju jedan na drugi, ispadaju identični (jedan od oblika treba rotirati u ravnini crteža za 180 °). Tako se vinska kiselina umjesto četiri stereoizomerna oblika ostvaruje u tri. Osim toga, treći stereoizomer (III) ispada optički neaktivan zbog svoje simetrije (slika prikazuje ravninu simetrije): rotacija ravnine polarizacije svjetlosti uzrokovana gornjim tetraedrom potpuno je kompenzirana rotacijom donjeg tetraedra. tetraedar, koji je jednak po veličini, ali suprotnog po predznaku. Pred nama je primjer stereoizomerne forme s asimetričnim ugljikovim atomima, optički neaktivne zbog svoje simetrije. Takvi stereoizomeri nazivaju se mezoforme.

Stereoizomeri tvari koji nisu zrcalne slike jedan drugog nazivaju se dijastereoizomeri. Prema ovoj definiciji, prvi i drugi prostorni oblik vinske kiseline su dijastereomeri u odnosu na mezovinsku kiselinu (i obrnuto).

Jer antipodi imaju istu (samo zrcalno inverznu) strukturu, njihova su svojstva, s izuzetkom odnosa prema polariziranoj svjetlosti, također ista. dijastereomeri nisu identični po svojoj prostornoj strukturi, pa se njihova svojstva malo razlikuju.

Zaključujući analizu prostorne izomerije vinske kiseline, možemo reći da je ona predstavljena s dva antipoda (forme I i II), njihovim racematom, nazvanim vinska kiselina, i dijastereomernom mezoformom (III).

Dekstrorotacijska, (+)-vinska kiselina vrlo je česta u prirodi, posebice u soku od grožđa. Tijekom fermentacije sok od grožđa oslobađa se u obliku vinskog kamenca koji se sastoji od kiselog kalijevog tartarata.

Ova se sol koristi kao sredstvo za jedkanje u bojanju i tiskanju tekstila.

Druga, kalij-natrijeva sol (+)-vinske kiseline - tzv. Rochelle sol,

koristi se kao piezokristal u radiotehnici. Dio je Fehlingove tekućine koja se koristi za analitičko određivanje redukcijskih sredstava (na primjer, aldehida).

Mezo-vinska kiselina se dobiva zajedno s kiselinom od grožđa višesatnim kuhanjem (+)-vinske kiseline s viškom kaustične sode.

Limunska kiselina

Često se nalazi u prirodi: u repi, ogrozdu, grožđu, limunu, malini, lišću duhana. Optički neaktivan.

Limunska kiselina se koristi u prehrambenoj industriji, bojanju, fotografiji, konzerviranju krvi itd.

aldonske kiseline

aldonske kiseline su polihidroksikarboksilne kiseline opće formule HOCH 2 n COOH, koji su formalno produkti oksidacije aldehidne skupine ugljikohidrata(aldoza). Najtipičnija laboratorijska metoda za sintezu aldonske kiseline je oksidacija lako dostupnih aldoza s bromom u njegovoj vodenoj otopini.

Aldonske kiseline i njihovi derivati igraju važnu ulogu u sintetskoj kemiji monosaharida.

Metode razdvajanja racemata na optički aktivne komponente

Trenutno naglo raste potreba za enantiomerno čistim tvarima za proizvodnju suvremenih visoko učinkovitih medicinskih pripravaka, kao i potrebe poljoprivrede i zaštite šuma: proizvodnja novih visoko aktivnih insekticida, herbicida, fungicida i drugih selektivnih tvari za suzbijanje štetnika. . Dobivanje enantiomerno čistih tvari za ove namjene moguće je ili razvojem metoda za njihovu potpunu kemijsku sintezu (niz postignuća u ovom području nagrađena je Nobelovom nagradom za kemiju), ili razdvajanjem racemičnih smjesa. Razmotrimo principe nekih metoda za razdvajanje racemata na optički aktivne komponente.

– mehanički odabir. Tijekom kristalizacije, racemati ponekad kristaliziraju zasebno kao desni i lijevi oblici. Štoviše, njihovi kristali oblikom se međusobno odnose kao predmet prema svojoj zrcalnoj slici. U ovom slučaju, oni se mogu odabrati mehanički po izgledu.

– biokemijska separacija. Temelji se na činjenici da mikroorganizmi tijekom svoje životne aktivnosti mogu preferencijalno konzumirati samo jedan od optičkih izomera. Obično je ovaj optički oblik češći u prirodi. Stoga tijekom razmnožavanja i klijanja gljiva u otopini racemata nakon nekog vremena ostaje samo jedan optički aktivan oblik.

– Metode temeljene na razlici svojstava dijastereomera

Dakle, soli antipoda optički aktivne kiseline s istom optički aktivnom bazom trebale bi dati dijastereomere različite topljivosti. To im omogućuje da se odvoje kristalizacijom.

Uvod

1. Optička aktivnost

1.1 Optički aktivne tvari

1.2 Fizički uzroci optičke aktivnosti

1.2 a. Fenomenološki model

1.2 b. Kvantna teorija

1,2 in. Korpuskularna teorija

2. Kiralne molekule

2.1 Grupe točkaste simetrije

2.1 a. Vlastita os simetrije

2.1 b. Nepravilna os simetrije

2,1 in. Vrste točkastih grupa simetrije

2.2 Simetrična definicija kiralnosti

2.3 Vrste kiralnosti

3. Nomenklatura enantiomera

3.1 Prema konfiguraciji: R - i S

3.2 Optička aktivnost: +/-

3.3 Prema konfiguraciji: D - i L-

4. Metode konfiguracije

4.1 Definicija apsolutne konfiguracije

4.1 a. X-zraka difrakcija

4.1 b. Teorijski proračun optičke rotacije

4.2 Definicija relativne konfiguracije

4.2 a. Kemijska korelacija

4.2 b. Uspostavljanje relativne konfiguracije korištenjem fizikalnih metoda

5. Metode odvajanja enantiomera

5.1 Cijepanje preko dijastereomera

5.2 Kromatografska rezolucija

5.3 Mehaničko cijepanje

5.4 Enzimska probava

5.5 Utvrđivanje optičke čistoće

Zaključak

Književnost

Uvod

Među organskim spojevima postoje tvari koje mogu rotirati ravninu polarizacije svjetlosti. Ta se pojava naziva optička aktivnost, a odgovarajuće tvari optički aktivne. Optički aktivne tvari nalaze se u obliku parova optičkih antipoda - izomera, čija su fizikalna i kemijska svojstva ista u normalnim uvjetima, s izuzetkom jednog - znaka rotacije ravnine polarizacije. (Ako jedan od optičkih antipoda ima npr. specifičnu rotaciju (+20 o, onda drugi ima specifičnu rotaciju - 20 o).

Optička izomerija pojavljuje se kada je u molekuli prisutan asimetrični ugljikov atom; ovo je naziv ugljikovog atoma vezanog na četiri različita supstituenta. Moguća su dva tetraedarska rasporeda supstituenata oko asimetričnog atoma. Obje prostorne forme ne mogu se spojiti nikakvom rotacijom; jedan od njih je zrcalna slika drugog:

Ova vrsta izomerije se također naziva optička izomerija, zrcalna izomerija ili enantiomerija. Oba zrcalna oblika tvore par optičkih antipoda ili enantiomera.

Godine 1815. francuski fizičar Jean Baptiste Biot i njemački fizičar Thomas Seebeck ustanovili su da neke organske tvari (na primjer, šećer ili terpentin) imaju sposobnost rotirati ravninu polarizacije svjetlosti, u kristalnom, tekućem, otopljenom, pa čak i plinovitom stanju. stanje (Ovu pojavu prvi put je otkrio 1811. francuski fizičar François Dominique Arago u blizini kristala kvarca). Tako je dokazano da se optička aktivnost može povezati ne samo s asimetrijom kristala, već i s nekim nepoznatim svojstvom samih molekula. Ispostavilo se da neki kemijski spojevi mogu postojati u obliku desnih i lijevih varijanti, a najpažljivija kemijska analiza ne otkriva nikakve razlike među njima. To je bila nova vrsta izomerije, koja je nazvana optička izomerija. Pokazalo se da osim desno - i ljevorukih, postoji i treća vrsta izomera - optički neaktivni. To je 1830. godine otkrio poznati njemački kemičar Jens Jakob Berzelius na primjeru grožđane (dihidroksijantarne) kiseline HOOC-CH (OH) - CH (OH) - COOH: ova kiselina je optički neaktivna, a vinska kiselina potpuno istog sastava ima pravu rotaciju u otopini. Kasnije je otkrivena "lijeva" vinska kiselina koje nema u prirodi - antipod desnorotatorne.

Optički izomeri se mogu razlikovati pomoću polarimetra – uređaja koji mjeri kut zakreta polarizacijske ravnine. Za otopine ovaj kut linearno ovisi o debljini sloja i koncentraciji optički aktivne tvari (Biotov zakon). Za različite tvari, optička aktivnost može varirati u vrlo širokom rasponu. Dakle, u slučaju vodenih otopina različitih aminokiselina na 25 °C, specifična aktivnost (označava se kao D i mjeri se za svjetlost valne duljine od 589 nm pri koncentraciji od 1 g/ml i debljini sloja od 10 cm) jednaka je -232° za cistin, -86, 2° za prolin, -11,0° za leucin, +1,8° za alanin, +13,5° za lizin i +33,2° za asparagin.

Moderni polarimetri omogućuju mjerenje optičke rotacije s vrlo velikom točnošću (do 0,001°). Takva mjerenja omogućuju brzo i točno određivanje koncentracije optički aktivnih tvari, na primjer, sadržaja šećera u otopinama u svim fazama njezine proizvodnje - od sirovih proizvoda do koncentriranih otopina i melase.

Optička aktivnost kristala fizike bila je povezana s njihovom asimetrijom; potpuno simetrični kristali, kao što su kubični kristali soli, optički su neaktivni. Razlog optičke aktivnosti molekula dugo je ostao potpuno tajanstven. Prvo otkriće koje je rasvijetlilo ovaj fenomen dao je 1848. godine tada nepoznati Louis Pasteur. Pasteura, koji je identificirao dva antipoda vinske kiseline, koji su nazvani enantiomeri (od grčkog enantios - suprotno). Pasteur je za njih uveo oznake L - i D-izomeri (od latinskih riječi laevus - lijevi i dexter - desni). Kasnije je njemački kemičar Emil Fischer ove oznake povezao sa strukturom dvaju enantiomera jedne od najjednostavnijih optički aktivnih tvari - gliceraldehida OHCH2-CH (OH) - CHO. Godine 1956. na prijedlog engleskih kemičara Roberta Kahna i Christophera Ingolda te švicarskog kemičara Vladimira Preloga uvedene su oznake S (od lat. sinister - lijevi) i R (lat. rectus - desni) za optičke izomere; Racemat je označen simbolom RS. No, prema tradiciji, naširoko se koriste i stare oznake (npr. za ugljikohidrate, aminokiseline). Treba napomenuti da ova slova označavaju samo strukturu molekule ("desni" ili "lijevi" raspored određenih kemijskih skupina) i nisu povezana sa smjerom optičke rotacije; potonji je označen znakom plus i minus, na primjer, D (-) - fruktoza, D (+) - glukoza.

Teoriju koja objašnjava razliku između antipodnih molekula stvorio je nizozemski znanstvenik van't Hoff. Prema ovoj teoriji, molekule, poput kristala, mogu biti "desne" i "lijeve", kao zrcalna slika jedna druge. Takve strukture, koje se međusobno razlikuju kao desna ruka od lijeve, nazivaju se kiralne (od grč. nasljednik - ruka). Dakle, optička aktivnost je posljedica prostorne izomerije (stereoizomerije) molekula.

optički izomerizam evantiomer kiralnost

Van't Hoffova teorija, koja je postavila temelje moderne stereokemije, stekla je opće priznanje, a njezin tvorac 1901. postao je prvi dobitnik Nobelove nagrade za kemiju.

1. Optička aktivnost

Optička aktivnost je sposobnost medija (kristala, otopina, para tvari) da izazove rotaciju ravnine polarizacije optičkog zračenja (svjetlosti) koje prolazi kroz njega.

Očituje se u onim slučajevima kada su izomeri istog spoja, u vezi s različitim položajima supstituenata određeni centar, nisu kompatibilni u svemiru. Za derivate alifatske serije, izomerija je povezana sa stereokemijskim značajkama sp 3 hibridnog ugljikovog atoma.

Čak je i Le Bel krajem 18. stoljeća predložio tetraedarsku strukturu ugljikovog atoma. Ako je ugljikov atom povezan s četiri različita supstituenta, postoji mogućnost postojanja 2 izomera, koji su jedan drugom zrcalna slika.

Atom ugljika koji ima sve različite supstituente naziva se asimetričan ili kiralni centar ("hiros" - ruka).

Razmotrite primjer obećavajućih formula:

Stereoizomeri I i II nisu kompatibilni u prostoru, antipodi su ili optički izomeri ( enantiomeri, stereomeri).

Fisherove projekcijske formule

Razmotrimo formule perspektive u drugoj ravnini.

Postavimo asimetrično središte (ugljikov atom) u ravninu lista; zastupnici a I b iza ravnine lista ( iz posmatrač); zastupnici f I d iznad ravnine lista ( bliže promatrač) - u skladu sa strelicama koje pokazuju smjer pogleda promatrača. Dobivamo međusobno okomit smjer veza s kiralnim središtem. Takva konstrukcija izomera naziva se Fisherova projekcijska formula.

Dakle, u Fischerovim projekcijskim formulama supstituenti smješteni vodoravno usmjereni su prema promatraču, a okomito - izvan ravnine lista.

Pri konstruiranju projekcijskih formula najvoluminozniji supstituenti raspoređeni su okomito. Ako su supstituenti atomi ili male skupine koje nisu povezane s glavnim lancem, tada su raspoređeni vodoravno. Za 2-bromobutan

postoje dva antipod:

Enantiomeri, antipodi, stereomeri praktički se ne razlikuju po svojstvima (t vrenja, t taljenja itd.), a također imaju slične termodinamičke konstante. U isto vrijeme, oni imaju razlike:

4) - čvrsti antipodi kristaliziraju uz stvaranje kristala koji su međusobno zrcalni, ali nisu kompatibilni u prostoru.

5) - antipodi rotiraju ravninu polarizirane svjetlosti pod istim kutom, ali u različitim smjerovima. Ako je kut rotacije svjetlosti pozitivan (u smjeru kazaljke na satu), tada se antipod naziva dekstrorotatornim, ako je negativan (u smjeru suprotnom od kazaljke na satu), onda je ljevoruki.

Kut optičke rotacije ravno polarizirane svjetlosti označen je s [ α D]. Ako [ α D]= -31,2°, zatim je proučavan lijevorotatorni antipod.

Polarimetarski uređaj

Tvari koje mogu rotirati ravninu polarizirane svjetlosti nazivaju se optički aktivne ili optički aktivne.

Smjesa dvaju enantiomera u omjeru 1:1 ne rotira ravninu polarizirane svjetlosti i naziva se racemična smjesa, racemat.

Ako u smjesi jedan antipod prevladava nad drugim, tada se govori o njegovoj optičkoj čistoći (ee). Izračunava se razlikom u sadržaju enantiomera u smjesi.

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

Sekundarni i tercijarni amini također može imati optičku aktivnost. Četvrti supstituent je slobodni par elektrona na atomu dušika.

5.4.1 Dijastereomeri

Dijastereometrija je pojava koja značajnije utječe na svojstva tvari i uočava se u slučajevima kada u spoju postoje dva ili više asimetričnih centara. Na primjer:

4-kloropentanol-2

Oslikajmo sve moguće antipode za vezu (I-IV):

Optički izomeri (stereoizomeri) istog spoja koji nisu antipodi nazivaju se dijastereomeri. To jest, parovi izomera I i III, I i IV, II i III, II i IV su dijastereomerni parovi. Broj izomera izračunava se formulom: q \u003d 2 n, gdje

q je ukupan broj stereoizomera,

n je broj asimetričnih centara (C*).

Na primjer, glukoza ima 4 kiralna centra, tada je q = 2 4 = 16 (D-glukoza - 8 izomera, L-glukoza - 8 izomera).

D-glukoza

U prirodi postoje slučajevi kada asimetrični atomi u spoju imaju istu okolinu. To dovodi do činjenice da polovica antipoda nije optički aktivna.

vinska kiselina

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mezoforma

Mezoform je optički neaktivan oblik koji je rezultat unutarnje simetrije u optički aktivnoj tvari.

Za razliku od antipoda, dijastereomeri se razlikuju po vrelištu, gustoći (d 4 20), indeksu loma (n 4 20) itd.