Chemia. Izomeria przestrzenna Możliwe jest istnienie izomerów optycznych

Treść artykułu

IZOMERIA OPTYCZNA.„Kiedy cząsteczka patrzy w lustro” – artykuł opublikowany w czerwcowym numerze 1996 amerykańskiego magazynu pt edukacja chemiczna(Dziennik Edukacji Chemicznej). A na pierwszej stronie okładki tego numeru znalazł się także niezwykły rysunek. Z boku dobrodusznie machał ogonem psa formuła strukturalna penicylamina. Pies spojrzał w lustro, a stamtąd spojrzała na niego straszna bestia z obnażonymi kłami i sterczącymi włosami. Z boku bestii przedstawiono ten sam wzór strukturalny w postaci lustrzanego odbicia pierwszego. Dlaczego właściwie ta sama substancja ma tak różny wygląd? Wyjaśnia to szczególna właściwość niektórych związków chemicznych, która jest ściśle związana z ich aktywnością optyczną.

Polaryzacja światła i aktywność optyczna.

Na początku XIX wieku Angielski fizyk, astronom i lekarz Thomas Young wykazał, że światło można uznać za falę. Francuski fizyk Augustin Fresnel stwierdził, że fale świetlne są poprzeczne: oscylacje w nich zachodzą prostopadle do kierunku ruchu (jak fale na powierzchni wody: fala biegnie do przodu, a pływak po wodzie oscyluje w górę w dół). Już w XX wieku odkryto, że światło jest falą elektromagnetyczną, podobnie jak fala radiowa, z tą różnicą, że długość fali światła jest znacznie krótsza. Termin „elektromagnetyczny” oznacza, że światło ma pola elektryczne i magnetyczne, które okresowo oscylują, niczym fale na powierzchni morza. Nas interesują teraz tylko wahania pole elektryczne. Okazuje się, że oscylacje te nie zachodzą przypadkowo, lecz jedynie prostopadle do kierunku wiązki światła. W zwykłym świetle (emitowanym np. przez słońce, żarówki) oscylacje zachodzą losowo, we wszystkich kierunkach. Ale przechodząc przez niektóre kryształy, na przykład turmalin lub islandzki dźwigar (przezroczysta odmiana kalcytu CaCO 3), światło zyskuje specjalne właściwości: kryształ niejako „odcina” wszelkie oscylacje pola elektrycznego, z wyjątkiem tych znajdujących się w określonej płaszczyźnie. Mówiąc obrazowo, wiązka takiego światła przypomina wełnianą nić przeciąganą przez wąską szczelinę pomiędzy dwoma ostrymi żyletkami.

Francuski fizyk Etienne Louis Malus uważał, że światło składa się z cząstek mających dwa bieguny „północny” i „południowy”, a gdy światło przechodzi przez islandzkie drzewce, wszystkie bieguny są zwrócone w jednym kierunku. Dlatego nazwał takie światło spolaryzowanym. Stwierdzono, że światło jest częściowo spolaryzowane w wyniku odbicia pod pewnymi kątami lub załamania przez błyszczące powierzchnie dielektryków, takich jak szkło. Teoria Malusa nie została potwierdzona, ale nazwa pozostała. Oko ludzkie nie jest w stanie odróżnić zwykłego światła od światła spolaryzowanego, ale można to łatwo zrobić za pomocą najprostszych przyrządów optycznych - polarymetrów; wykorzystują je np. fotografowie: filtry polaryzacyjne pomagają pozbyć się na zdjęciu odblasku, który pojawia się, gdy światło odbija się od powierzchni wody.

Okazało się, że gdy światło spolaryzowane przechodzi przez niektóre substancje, zachodzi ciekawe zjawisko: płaszczyzna, w której znajdują się „strzałki” oscylującego pola elektrycznego, stopniowo obraca się wokół osi, wzdłuż której przebiega wiązka. Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte w 1811 roku przez francuskiego fizyka Francois Dominique Arago w kryształach kwarcu. Naturalne kryształy kwarcu mają nieregularną, asymetryczną budowę i występują w dwóch rodzajach, różniących się kształtem, niczym obiekt odbity w lustrze. Kryształy te obracają płaszczyznę polaryzacji światła w przeciwnych kierunkach; nazywano ich prawo- i leworęcznymi.

W 1815 roku inny francuski fizyk Jean Baptiste Biot i niemiecki fizyk Thomas Seebeck ustalili, że niektóre substancje organiczne (na przykład cukier czy terpentyna) również mają tę właściwość nie tylko w stanie krystalicznym, ale także w stanie ciekłym, rozpuszczonym, a nawet gazowym. Udowodniono zatem, że aktywność optyczną można powiązać nie tylko z asymetrią kryształów, ale także z jakąś nieznaną właściwością samych cząsteczek. Okazało się, że podobnie jak w przypadku kryształów, niektóre związki chemiczne mogą występować zarówno w postaci odmian prawo-, jak i leworęcznych, a najdokładniejsza analiza chemiczna nie ujawnia między nimi żadnych różnic! W rzeczywistości był to nowy rodzaj izomerii, który nazwano izomerią optyczną. Okazało się, że oprócz prawoskrętnych i lewoskrętnych istnieje jeszcze trzeci rodzaj izomerów – optycznie nieczynne. Zostało to odkryte w 1830 roku przez słynnego niemieckiego chemika Jensa Jakoba Berzeliusa na przykładzie kwasu (dihydroksybursztynowego) winogronowego HOOCCH(OH)CH(OH)COOH: kwas ten jest optycznie nieaktywny, a kwas winowy o dokładnie takim samym składzie ma rotację w prawo rozwiązanie. Później odkryto „lewy” kwas winowy, który nie występuje w przyrodzie – przeciwieństwo prawoskrętnego.

Izomery optyczne można rozróżnić za pomocą polarymetru – przyrządu mierzącego kąt obrotu płaszczyzny polaryzacji. W przypadku roztworów kąt ten zależy liniowo od grubości warstwy i stężenia substancji optycznie czynnej (prawo Biota). W przypadku różnych substancji aktywność optyczna może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie. Zatem w przypadku wodnych roztworów różnych aminokwasów w temperaturze 25°C aktywność właściwa (oznaczana jako D i mierzona dla światła o długości fali 589 nm przy stężeniu 1 g/ml i grubości warstwy 10 cm) wynosi 232° dla cystyny, 86, 2° dla proliny, 11,0° dla leucyny, +1,8° dla alaniny, +13,5° dla lizyny i +33,2° dla asparaginy. Nowoczesne polarymetry umożliwiają pomiar skręcalności optycznej z bardzo dużą dokładnością (do 0,001°). Pomiary takie pozwalają szybko i dokładnie określić stężenie substancji optycznie czynnych, np. zawartość cukru w roztworach na wszystkich etapach ich wytwarzania, od produktów surowych po roztwory stężone i melasę.

Odkrycie Pasteura.

W trakcie badań Pasteur otrzymał kwaśną sól sodową kwasu winogronowego C 4 H 5 O 6 Na, nasycając roztwór amoniakiem i powoli odparowując wodę, otrzymano piękne pryzmatyczne kryształy soli sodowo-amoniowej C 4 H 3 O 6 NaNH4. Kryształy te okazały się asymetryczne, niektóre z nich były jakby lustrzanym odbiciem innych: połowa kryształów miała jedną charakterystyczną fasetę po prawej stronie, inne zaś po lewej stronie. Uzbrojony w szkło powiększające i pęsety Pasteur podzielił kryształy na dwa stosy. Ich rozwiązania, zgodnie z oczekiwaniami, miały przeciwną skręcalność optyczną. Pasteur na tym nie poprzestał. Z każdego roztworu wyizolował wyjściowy kwas (który był nieaktywny). Jakie było jego zdziwienie, gdy okazało się, że jeden roztwór to dobrze znany prawoskrętny kwas winowy, a drugi to ten sam kwas, tyle że obracający się w lewo!

Wspomnienia naocznych świadków świadczą o niesamowitym nerwowym podnieceniu młodego naukowca, który ogarnął go w tej chwili; zdając sobie sprawę, czego udało mu się dokonać, Pasteur wybiegł z laboratorium i spotkawszy asystenta laboratoryjnego w biurze fizyki, podbiegł do niego i obejmując go, wykrzyknął: „Właśnie dokonałem wielkiego odkrycia!” A polegało to na tym, że znany od dawna nieaktywny kwas winowy jest po prostu mieszaniną równych ilości znanego również „prawego” kwasu winowego i nieznanego wcześniej „lewego”. Dlatego mieszanina nie wykazuje aktywności optycznej. Dla takiej mieszanki zaczęto używać nazwy racemat (od łacińskich winogron racemus). A dwie antypody kwasu winowego otrzymane przez Pasteura nazwano enancjomerami (od greckiego enantios przeciwnego). Pasteur wprowadził dla nich oznaczenia izomerów L i D (od łacińskich słów laevus lewy i dexter prawy). Później niemiecki chemik Emil Fischer powiązał te oznaczenia ze strukturą dwóch enancjomerów jednej z najprostszych substancji optycznie czynnych, aldehydu glicerynowego OHCH 2 CH(OH)CHO. W 1956 roku, za sugestią angielskich chemików Roberta Kahna i Christophera Ingolda oraz szwajcarskiego chemika Vladimira Preloga, wprowadzono dla izomerów optycznych oznaczenia S (od łac. Sinister lewy) i R (łac. rectus prawy); Racemat jest oznaczony symbolem RS. Jednak zgodnie z tradycją szeroko stosowane są również stare oznaczenia (na przykład węglowodany, aminokwasy). Należy zauważyć, że litery te wskazują jedynie budowę cząsteczki („prawy” lub „lewy” układ niektórych grup chemicznych) i nie są związane z kierunkiem skręcalności optycznej; ta ostatnia jest oznaczona znakami plus i minus, na przykład D()-fruktoza, D(+)-glukoza.

Oprócz „metody ręcznej” Pasteur odkrył jeszcze dwie metody rozdzielania racematu na dwie antypody. Metoda biochemiczna opiera się na selektywnej zdolności niektórych mikroorganizmów do wchłaniania tylko jednego z izomerów. Na przykład grzyb Penicillum glaucum, rosnący na rozcieńczonych roztworach kwasu winowego lub jego soli, „zjada” tylko prawy izomer, pozostawiając lewy bez zmian.

Trzeci sposób rozdzielania racematów był czysto chemiczny. Ale dla niego konieczne było posiadanie z góry substancji optycznie czynnej, która wchodząc w interakcję z mieszaniną racemiczną „wybrałaby” z niej tylko jeden enancjomer. Na przykład optycznie aktywna zasada organiczna dała optycznie aktywną sól z kwasem winowym, z której można było wyizolować odpowiedni enancjomer kwasu winowego.

Teoria izomerii optycznej.

Praca Pasteura, udowadniająca możliwość „rozszczepienia” optycznie nieaktywnego związku na enancjomery antypodów, wzbudziła początkowo nieufność wielu chemików. Nawet sam Biot nie wierzył swojemu asystentowi, dopóki na własnych rękach nie powtórzył swojego doświadczenia i nie przekonał się, że Pasteur ma rację. To i kolejne prace Pasteura wzbudziły duże zainteresowanie chemików. Wkrótce Joseph Le Bel, stosując trzecią metodę Pasteura, rozszczepił kilka alkoholi na optycznie aktywne antypody. Johann Wislicenus ustalił, że istnieją dwa kwasy mlekowe: optycznie nieczynny, powstający w kwaśnym mleku (sfermentowany kwas mlekowy) i prawoskrętny, który pojawia się w pracującym mięśniu (kwas mięsno-mlekowy). Takich przykładów było coraz więcej i potrzebna była teoria, aby wyjaśnić, w jaki sposób cząsteczki antypodów różnią się od siebie. Taką teorię stworzył młody holenderski naukowiec Van't Hoff. Zgodnie z tą teorią cząsteczki, podobnie jak kryształy, mogą być „prawe” i „lewe”, będąc wzajemnym lustrzanym odbiciem. Najprostszy przykład było tak. Atom węgla w związkach organicznych jest czterowartościowy, pod nim skierowane są cztery wiązania chemiczne równe kąty do wierzchołków czworościanu. Jeżeli wszystkie atomy lub grupy atomów znajdujące się na wierzchołkach czworościanu i powiązane z centralnym atomem węgla są różne, wówczas możliwe są dwie różne struktury, które nie są ze sobą połączone poprzez obrót w przestrzeni. Jeżeli przynajmniej dwa z czterech podstawników będą takie same, cząsteczki staną się całkowicie identyczne (łatwo to sprawdzić korzystając z modelu zapałek i kolorowej plasteliny). Struktury takie, które różnią się między sobą jak prawa ręka od lewej, nazywane są chiralnymi (od greckiej ręki spadkobiercy). Zatem aktywność optyczna jest konsekwencją izomerii przestrzennej (stereoizomerii) cząsteczek.

Atom węgla związany z czterema różnymi podstawnikami nazywa się asymetrycznym. Atomy innych pierwiastków krzemu, azotu, fosforu, siarki mogą być również asymetryczne. Jednakże związki bez asymetrycznych atomów węgla mogą być również optycznie czynne, jeśli mogą występować w postaci dwóch izomerów lustrzanych. Cząsteczka będzie asymetryczna, jeśli nie będzie miała ani jednego elementu symetrii, ani środka, ani osi, ani płaszczyzny symetrii. Przykładem jest cząsteczka allenu H2C=C=CH2, która ma dwa różne podstawniki: R1R2C=C=CR1R2. Faktem jest, że podstawniki te nie znajdują się w tej samej płaszczyźnie (jak na przykład w alkenach), ale w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Możliwe jest zatem istnienie dwóch izomerów lustrzanych, których nie da się połączyć ze sobą żadnymi przemieszczeniami i obrotami.

Bardziej złożone zależności zachodzą w przypadku cząsteczek zawierających kilka asymetrycznych atomów węgla. Na przykład w kwasie winowym dwie grupy hydroksylowe na dwóch sąsiednich atomach węgla można ułożyć tak, aby cząsteczka była symetryczna i nie zawierała izomerów lustrzanych. Prowadzi to do powstania innego, optycznie nieaktywnego izomeru, zwanego kwasem mezowinowym (lub antywinowym). Zatem kwas dihydroksybursztynowy może występować w postaci czterech izomerów: prawoskrętnego (kwas D-winowy, który w medycynie nazywa się kwasem winowym), lewoskrętnego (kwas L-winowy), optycznie nieaktywnego (kwas mezowinowy), a także jako mieszanina Izomery L i R, czyli racemat (kwas i-winowy, czyli kwas winowy). Optycznie aktywne kwasy winowe, gdy ich wodne roztwory są ogrzewane przez długi czas, racemizują, zamieniając się w mieszaninę antypodów.

Sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana, gdy w cząsteczce znajduje się wiele centrów asymetrycznych. Na przykład w cząsteczce glukozy są ich cztery. Zatem teoretycznie możliwe jest istnienie 16 stereoizomerów, które tworzą 8 par lustrzanych antypodów. Są one znane chemikom od dawna; jest to sama glukoza, a także alloza, altroza, mannoza, guloza, idoza, galaktoza i taloza. Wiele z nich występuje naturalnie, np. D-glukoza (ale nie L-glukoza, która została wyprodukowana syntetycznie).

Jeśli substancja ma taką samą liczbę „prawych” i „lewych” cząsteczek, będzie optycznie nieaktywna. To właśnie te substancje powstają w kolbie w wyniku konwencjonalnej syntezy chemicznej. I tylko w organizmach żywych, przy udziale środków asymetrycznych (na przykład enzymów), powstają związki optycznie czynne. Oczywiście od razu pojawiło się pytanie, jak takie związki pojawiły się na Ziemi, na przykład ten sam naturalny prawoskrętny kwas winowy, czy „asymetryczne” mikroorganizmy, które żywią się tylko jednym z enancjomerów. Rzeczywiście, pod nieobecność osoby nie było nikogo, kto przeprowadziłby ukierunkowaną syntezę substancji optycznie czynnych, nie było nikogo, kto dzieliłby kryształy na prawe i lewe! Pytania te okazały się jednak na tyle złożone, że do dziś nie ma na nie odpowiedzi. Na przykład nikt nie wie, dlaczego prawie wszystkie naturalne aminokwasy, z których zbudowane są białka, należą do serii L (konfiguracja S), a ich antypody występują tylko sporadycznie w niektórych antybiotykach.

Teoria Van't Hoffa nie od razu zyskała uznanie. I tak wybitny niemiecki chemik eksperymentalny Adolf Kolbe (jego imieniem nazwano kilka reakcji organicznych) opublikował w maju 1877 r. zjadliwy artykuł, w którym ostro negatywnie wypowiadał się na temat nowej teorii. Na szczęście Kolbe był w zdecydowanej mniejszości, a teoria van't Hoffa, która położyła podwaliny pod współczesną stereochemię, zyskała powszechne uznanie, a jej twórca w 1901 roku został pierwszym laureatem. nagroda Nobla w chemii.

Teoria ta umożliwiła wyjaśnienie wielu zjawisk chemicznych. Na przykład w reakcjach podstawienia atomów halogenu na grupy hydroksylowe: w optycznie aktywnych halogenkach alkilu RX + OH ® ROH + X (X atom halogenu) w niektórych przypadkach aktywność optyczna zanika, w innych pozostaje, ale zmienia znak. Okazało się, że reakcja ta może przebiegać na różne sposoby. Pierwszy mechanizm polega na dysocjacji halogenku z utworzeniem pośrednich jonów R+, które szybko łączą się z anionami OH, dając produkt reakcji alkohol. Jeśli początkowy halogenek RX miał aktywność optyczną, zostaje on utracony w wyniku tej reakcji, ponieważ grupa hydroksylowa może zbliżyć się do pośredniego płaskiego kationu z każdej strony, tak że tworzy się mieszanina enancjomerów. Jeżeli reakcja przebiega według drugiego mechanizmu, anion OH zbliża się do atomu węgla od strony przeciwnej do wiązania CX i „wypiera” atom halogenu w postaci anionu. Jeżeli początkowy halogenek R1R2R3CX miał aktywność optyczną, to w wyniku tej reakcji zostaje ona zachowana, ale znak skręcalności optycznej jest odwrócony. Dzieje się tak, ponieważ trzy podstawniki przy asymetrycznym atomie węgla R1, R2 i R3, które podobnie jak atom halogenu znajdują się na wierzchołkach czworościanu, zmieniają swoją konfigurację w stosunku do czwartego podstawnika, gdy zbliża się środek atakujący hydroksyl; taka zmiana konfiguracji jest analogiczna do wywrócenia parasola na lewą stronę podczas silnego wiatru.

Izomeria optyczna i życie.

Chemicy często nazywają enancjomery pojedynczym związkiem, ponieważ Właściwości chemiczne są identyczne. Jednak ich aktywność biologiczna może być zupełnie inna. Stało się to jasne po tragicznej historii talidomidu, leku, który w latach 60. XX wieku. lekarze w wielu krajach przepisywali go kobietom w ciąży jako skuteczny środek nasenny i uspokajający. Jednak z biegiem czasu jest okropny efekt uboczny: substancja okazała się teratogenna (uszkadzająca płód, od greckiego potwora teratos, dziwak) i urodziło się dużo dzieci z wadami wrodzonymi. Dopiero pod koniec lat 80. XX wieku stało się jasne, że przyczyną nieszczęścia był tylko jeden z enancjomerów talidomidu, jego prawoskrętna postać. Niestety taka różnica w działaniu postaci dawkowania nie było wcześniej znane, a talidomid był racemiczną mieszaniną obu antypodów.

Obecnie wielu leki są dostępne w postaci optycznie czystych związków. Zatem spośród 25 najpopularniejszych leków w USA tylko sześć to związki niechiralne, trzy to racematy, a pozostałe to czyste enancjomery. Te ostatnie otrzymuje się trzema metodami: rozdzielaniem mieszanin racemicznych, modyfikacją naturalnych związków optycznie czynnych (m.in. węglowodanów, aminokwasów, terpenów, kwasu mlekowego, winowego itp.) oraz bezpośrednią syntezą. Na przykład znana firma chemiczna Merck opracowała metodę wytwarzania leku przeciwnadciśnieniowego metylodopy, która obejmuje spontaniczną krystalizację tylko pożądanego enancjomeru poprzez wprowadzenie do roztworu małego ziarenka tego izomeru. Synteza bezpośrednia wymaga również źródeł chiralnych, jak każde inne tradycyjne metody synteza daje oba enancjomery w równych proporcjach racemat. Nawiasem mówiąc, jest to jeden z powodów wysoki koszt niektóre leki, ponieważ ukierunkowana synteza tylko jednego z nich jest bardzo trudne zadanie. Nic więc dziwnego, że z ponad 500 syntetycznych leków chiralnych produkowanych na całym świecie tylko około jedna dziesiąta jest optycznie czysta. Jednocześnie spośród 517 preparatów otrzymanych z surowców naturalnych jedynie osiem to racematy.

Zapotrzebowanie na optycznie czyste enancjomery tłumaczy się tym, że często tylko jeden z nich ma wymagane efekt terapeutyczny, podczas gdy druga antypoda może powodować niepożądane skutki uboczne lub nawet być toksyczny. Zdarza się również, że każdy enancjomer ma swoje specyficzne działanie. Zatem S()-tyroksyna („lewotroid”) jest naturalnym hormonem tarczycy. A prawoskrętna R (+) -tyroksyna („dekstroid”) obniża poziom cholesterolu we krwi. Niektórzy producenci dla takich przypadków wymyślają palindromiczne nazwy handlowe, takie jak Darvon i Novrad.

Co wyjaśnia różne działanie enancjomerów? Człowiek jest istotą chiralną. Zarówno jego ciało, jak i cząsteczki substancji biologicznie czynnych, z których się składa, są asymetryczne. Chiralne cząsteczki leku, oddziałując z pewnymi centrami chiralnymi w organizmie, takimi jak enzymy, mogą działać odmiennie w zależności od enancjomeru leku. „Właściwy” lek pasuje do swojego receptora jak klucz do zamka i rozpoczyna pożądaną reakcję biochemiczną. Działanie „niewłaściwego” antypoda można porównać do próby potrząśnięcia prawą ręką gościa prawą ręką.

Jeśli lek jest racematem, to jeden z enancjomerów może w najlepszym przypadku być obojętny, w najgorszym powodować zupełnie niepożądany efekt. Oto kilka przykładów. Zatem środek antyarytmiczny S()-anaprilin działa 100 razy silniej niż forma R(+)! W przypadku werapamilu oba enancjomery działają podobnie, jednak jego forma R(+) ma znacznie mniej nasilone kardiodepresyjne działanie uboczne. Ketamina stosowana do znieczulenia może powodować działania niepożądane w postaci pobudzenia, delirium itp. u 50% pacjentów i jest to charakterystyczne głównie dla izomeru R (), a także dla racematu.W leku przeciw robakom lewamizol , jest aktywny głównie w izomerze S ( ), natomiast jego antypoda R(+) powoduje nudności, dlatego kiedyś racemiczny lewamizol został zastąpiony jednym z enancjomerów. Okazuje się jednak, że synteza czystych izomerów nie zawsze ma sens ekonomiczny. Przykładowo dla powszechnie stosowanego leku przeciwbólowego ibuprofenu pod wpływem enzymów możliwa jest izomeryzacja terapeutycznie nieaktywnej formy R()- do aktywnego S(+)-izomeru, dlatego też w tym przypadku można zastosować znacznie tańszy racemat. używany.

Odmienne działanie biologiczne „prawego” i „lewego” izomeru objawia się nie tylko wśród leków, ale we wszystkich przypadkach, gdy związek chiralny wchodzi w interakcję z organizmami żywymi. Uderzający przykład aminokwas izoleucyna: jego prawoskrętny izomer jest słodki, a jego lewoskrętny izomer jest gorzki. Inny przykład. Karwon jest substancją o bardzo silnym aromacie (ludzki nos jest w stanie wyczuć go już przy zawartości zaledwie 17 milionowych miligrama na litr w powietrzu). Karwon wyodrębnia się z kminku, w oleju którego zawiera około 60%. Jednak dokładnie ten sam związek o tej samej strukturze znajduje się w olejku z mięty zielonej, którego zawartość sięga 70%. Każdy zgodzi się, że zapach mięty i kminku wcale nie jest taki sam. Okazało się, że tak naprawdę są dwa carvony: „prawy” i „lewy”. Różnica w zapachu pomiędzy tymi związkami wskazuje, że komórki receptorowe w nosie odpowiedzialne za percepcję zapachu również muszą być chiralne.

Wróćmy teraz do formuły przedstawionej na psie i wilku. Penicylamina (3,3-dimetylocysteina) jest dość prostą pochodną aminokwasu cysteiny. Substancję tę stosuje się przy ostrych i przewlekłych zatruciach miedzią, rtęcią, ołowiem i innymi metalami ciężkimi, gdyż ma zdolność tworzenia silnych kompleksów z jonami tych metali; powstałe kompleksy są usuwane przez nerki. Penicylaminę stosuje się także w różnych postaciach reumatoidalnego zapalenia stawów, w twardzicy układowej i w wielu innych przypadkach. W tym przypadku stosuje się tylko postać S leku, ponieważ izomer R jest toksyczny i może prowadzić do ślepoty.

Ilia Leenson

W literaturze często stwierdza się, że wyłącznie aminokwasy lewoskrętne nadają się do odżywiania i jako elementy strukturalne naszego metabolizmu. Z psychologicznego punktu widzenia jest to zrozumiałe: naturalne aminokwasy najczęściej należą do tzw. serii L, a litera L kojarzy się zwykle z pojęciem „lewego”. Jednak takie „przypisanie” związków L do lewoskrętnych, a związków serii D do prawoskrętnych jest całkowicie błędne. Wystarczy spojrzeć choćby na listę 23 najważniejszych aminokwasów białkowych (podano je np. w podręczniku A. N. Nesmeyanova i N. A. Nesmeyanova „Principles of Organie Chemistry”), aby upewnić się, że lewoskrętne (dla roztworów w lodowatym kwasie octowym) – tylko siedem, mniej niż jedna trzecia. Pozostałe są prawoskrętne, z wyjątkiem optycznie nieaktywnej glicyny. W „Encyklopedii Chemicznej” na liście 26 najczęściej występujących aminokwasów lewoskrętnych jest ich jeszcze mniej, bo tylko sześć (23%). Wiele osób myli kierunek obrotu płaszczyzny polaryzacji światła przez substancję ze strukturą jej cząsteczek, co można przypisać typowi D lub L.

Polaryzacja światła i aktywność optyczna

Od czasów Newtona w nauce toczą się spory: światło to fale czy cząstki. Thomas Young sformułował w 1800 roku zasadę superpozycji fal i na jej podstawie wyjaśnił zjawisko interferencji światła. W 1808 roku Etienne Louis Malus, eksperymentując z kryształami islandzkiego drzewca (kalcytu), odkrył zjawisko polaryzacji światła. W 1816 roku Augustin Jean Fresnel zaproponował pogląd, że fale świetlne są poprzeczne. Fresnel wyjaśnił także zjawisko polaryzacji światła: w zwykłym świetle oscylacje zachodzą losowo, we wszystkich kierunkach prostopadłych do kierunku wiązki. Ale przechodząc przez niektóre kryształy, takie jak islandzki drzewce lub turmalin, światło nabiera specjalnych właściwości: fale w nim oscylują tylko w jednej płaszczyźnie. Mówiąc obrazowo, wiązka takiego światła przypomina wełnianą nić przeciąganą przez wąską szczelinę pomiędzy dwoma ostrymi żyletkami. Oko ludzkie tylko w rzadkich przypadkach i z trudem potrafi odróżnić światło zwykłe od światła spolaryzowanego, ale można to łatwo zrobić za pomocą najprostszych przyrządów optycznych - polarymetrów.

Stwierdzono również, że gdy światło spolaryzowane przechodzi przez pewne substancje, płaszczyzna polaryzacji obraca się. Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte w 1811 roku przez François Dominique Arago w kryształach kwarcu. Naturalne kryształy kwarcu mają nieregularną, asymetryczną budowę i występują w dwóch rodzajach, różniących się kształtem, niczym obiekt odbity w lustrze. Kryształy te obracają płaszczyznę polaryzacji światła w przeciwnych kierunkach; nazywano ich prawo- i leworęcznymi.

W 1815 roku Jean Baptiste Biot i Thomas Seebeck odkryli, że niektóre substancje organiczne (na przykład cukier czy terpentyna) również mają zdolność obracania płaszczyzny polaryzacji, nie tylko w stanie krystalicznym, ale także w stanie ciekłym, rozpuszczonym, a nawet gazowym . Udowodniono zatem, że aktywność optyczną można powiązać nie tylko z asymetrią kryształów, ale także z jakąś nieznaną właściwością samych cząsteczek. Podobnie jak w przypadku kryształów, niektóre związki chemiczne mogły występować w postaci odmian prawo- i lewoskrętnych, a najdokładniejsza analiza chemiczna nie mogła znaleźć między nimi żadnych różnic. Takie odmiany nazwano izomerami optycznymi, a same związki nazwano optycznie czynnymi. Okazało się, że substancje optycznie czynne posiadają także trzeci rodzaj izomeru – optycznie nieaktywny. Zostało to odkryte w 1830 roku przez słynnego niemieckiego chemika Jene Jacoba Berzeliusa: kwas winowy C 4 H 6 0 6 jest optycznie nieaktywny, a kwas winowy o dokładnie tym samym składzie ma w roztworze rotację w prawo. Później odkryto „lewy” kwas winowy, który nie występuje w przyrodzie – antypodę prawoskrętną.

W 1828 roku William Nicol, wykorzystując przezroczyste kryształy islandzkiego drzewca, zaprojektował polaryzator światła - „pryzmat Nicol”. A po przeprowadzeniu w 1839 r. kombinacji dwóch takich pryzmatów otrzymał polarymetr - urządzenie do pomiaru kąta obrotu płaszczyzny polaryzacji światła. Od tego czasu taki polarymetr stał się jednym z najpowszechniejszych instrumentów w laboratoriach fizycznych.

Odkrycie Pasteura

W trakcie badań Pasteur przygotował roztwór kwaśnej soli sodowej kwasu winowego HOOC-CHOH-CHOH-COONa, nasycił roztwór amoniakiem i powoli odparowując wodę, otrzymał piękne pryzmatyczne kryształy tetrahydratu soli sodowo-amoniowej Na (NH) 4 C 4 H 4 O 6 4H 2 O. Kryształy te okazały się asymetryczne. Niektóre z kryształów miały jedną charakterystyczną twarz po prawej stronie, inne po lewej, a kształt obu rodzajów kryształów był jakby lustrzanym odbiciem siebie. Te i inne kryształy wyszły równie dobrze. Wiedząc, że w takich przypadkach kryształy kwarcu wirują w różnych kierunkach, Pasteur postanowił sprawdzić, czy zjawisko to będzie można zaobserwować na otrzymanej soli. Uzbrojony w szkło powiększające i pincetę Pasteur ostrożnie podzielił kryształy na dwa stosy. Ich roztwory, zgodnie z oczekiwaniami, miały przeciwną skręcalność optyczną, a mieszanina roztworów była optycznie nieaktywna. Nie było jasne, dlaczego jeden materiał wyjściowy dał kryształy różne kształty. Pasteur na tym nie poprzestał. Z każdego roztworu wytrącał nierozpuszczalną sól ołowiu lub baru i działając na te sole mocnym kwasem siarkowym, wypierał z nich słabszą sól organiczną. Można przypuszczać, że w obu przypadkach uzyskany zostanie pierwotny kwas winowy, który jak pamiętamy był nieaktywny. Jakie było zdziwienie Pasteura, gdy okazało się, że z jednego roztworu soli powstał nie kwas winogronowy, a dobrze znany prawoskrętny kwas winowy, a ten sam kwas, tyle że skręcający w lewo, otrzymano z innego roztworu! Do tego czasu nikt nie widział lewoskrętnego kwasu winowego! Kwasy te nazywane są D- winny dla odmiany prawoskrętnej (od łac. zręczność- prawda) i l- winny dla izomeru lewoskrętnego (od łac. laevus- lewy).

Odkrycie polegało na tym, że znany od dawna nieaktywny kwas winowy okazał się mieszaniną równych ilości znanego również „prawego” kwasu winowego i nieznanego wcześniej „lewego”. Dlatego ich mieszanina w krysztale lub w roztworze nie ma aktywności optycznej. Dla takiej mieszaniny zaczęto używać nazwy racemat (od łac racemus- winogrono; po łacinie Acidum racemicum- kwas winowy) i dwie antypody, które po zmieszaniu w równych ilościach dają mieszaninę optycznie nieaktywną, nazywane są enancjomerami (z gr. enantios- naprzeciwko). Pasteur miał szczęście: w przyszłości odkryto tylko kilka podobnych przypadków krystalizacji w określonej temperaturze mieszaniny optycznie różnych kryształów, na tyle dużych, że można je było rozdzielić pod lupą za pomocą pęsety. Ponadto sól sodowo-amoniowa kwasu winowego, z którą pracował Pasteur, tworzy kryształy o różnych kształtach tylko wtedy, gdy krystalizacja zachodzi z roztworu o temperaturze poniżej 28 ° C. W tym przypadku tetrahydrat wytrąca się. Z więcej wysokie temperatury Z roztworu wytrącają się symetryczne kryształy monohydratu.

Wkrótce Pasteur odkrył także czwartą formę kwasu winowego. Był optycznie nieaktywny, ale nie był racematem, ponieważ nie można było go rozdzielić na antypody. Pasteur nazwał ten kwas mezowinowym z języka greckiego. mezo- średni, pośredni. Pasteur znalazł jeszcze dwie metody podziału racematu na dwie antypody. Metoda biochemiczna opiera się na selektywnej zdolności niektórych mikroorganizmów do wchłaniania tylko jednego z izomerów. I tutaj Pasteur miał szczęście. Jeden z aptekarzy aptekarza dał mu starą butelkę kwasu winogronowego, w której pojawiła się zielona pleśń. W swoim laboratorium Pasteur odkrył, że niegdyś nieaktywny kwas stał się lewoskrętny. zielony grzyb pleśniowy Penicillum glaucum w roztworze rozcieńczonego kwasu winowego lub jego soli „zjada” tylko prawy izomer, lewy pozostawiając bez zmian. Pleśń ta ma taki sam wpływ na „nieaktywny” kwas migdałowy, tyle że w tym przypadku asymiluje izomer lewoskrętny bez dotykania izomeru prawoskrętnego. Znanych jest wiele takich przypadków. Na przykład drożdże Saccharomycete ellipsoidalis ( Saccharomyces ellipsoidus), W odróżnieniu Penicillum glaucum, „specjalizuje się” w prawym izomerze kwasu migdałowego, pozostawiając lewy bez zmian. Innym sposobem rozdzielenia racematów był sposób chemiczny. Wymagało to z góry posiadania substancji optycznie czynnej, która wchodząc w interakcję z mieszaniną racemiczną „wybrałaby” z niej tylko jeden enancjomer. Na przykład optycznie aktywna zasada dała optycznie aktywną sól z kwasem winowym, z której można było wyizolować odpowiedni enancjomer winu i kwasu.

Praca Pasteura, udowadniająca możliwość „rozszczepienia” optycznie nieaktywnego związku na antypody, wzbudziła początkowo nieufność wielu chemików. Nawet sam Biot nie uwierzył swojemu asystentowi, dopóki nie powtórzył tego doświadczenia na własnej ręce. Wkrótce Joseph Le Bel, stosując trzecią metodę Pasteura, rozszczepił kilka alkoholi na optycznie aktywne antypody. Johann Wislicenus ustalił, że istnieją dwa kwasy mlekowe: optycznie nieczynny, powstający w kwaśnym mleku (sfermentowany kwas mlekowy) i prawoskrętny, który pojawia się w pracującym mięśniu (kwas mięsno-mlekowy). Takich przykładów było coraz więcej i potrzebna była teoria, aby wyjaśnić, w jaki sposób cząsteczki antypodów różnią się od siebie. Taką teorię stworzył młody holenderski naukowiec Van't Hoff („Chemia i życie”, 2009, nr 1). Zgodnie z tą teorią cząsteczki, podobnie jak kryształy, mogą być „prawe” i „lewe”, będąc wzajemnym lustrzanym odbiciem. Najprostszym przykładem są cząsteczki posiadające tzw. asymetryczny atom węgla otoczony czterema różnymi grupami. Weźmy najprostszy aminokwas alaninę: dwie przedstawione cząsteczki nie mogą być łączone w przestrzeni żadnym zakrętem.

Struktury takie, które różnią się między sobą jak prawa ręka od lewej, nazywane są chiralnymi (z gr. włosy- ręka).

Kwas winowy ma dwa asymetryczne atomy węgla. Jeśli oba są „prawe”, otrzymasz kwas prawoskrętny (+)-winowy, jeśli „lewy” - lewoskrętny (–)-winowy, jeśli jeden jest „lewy”, a drugi „prawy”, to otrzymasz kwas mezowinowy . Jeżeli w mieszaninie znajdują się jednakowo „prawe” i „lewe” cząsteczki, substancja jako całość będzie optycznie nieaktywna. To właśnie te substancje powstają w kolbie w wyniku konwencjonalnej syntezy chemicznej. I tylko w organizmach żywych przy udziale czynników asymetrycznych (na przykład enzymów) powstają związki asymetryczne. Zatem w przyrodzie dominują aminokwasy i sacharydy tylko jednej konfiguracji, a tworzenie ich antypodów jest tłumione. W niektórych przypadkach różne enancjomery można rozróżnić bez użycia jakichkolwiek przyrządów – gdy inaczej oddziałują z asymetrycznymi receptorami w naszym organizmie. Uderzającym przykładem jest aminokwas leucyna: jej prawoskrętny izomer jest słodki, a lewoskrętny jest gorzki. Należy pamiętać, że na naturalne pytanie – jak pojawiły się na Ziemi pierwsze optycznie aktywne związki chemiczne – nie ma jeszcze jasnej odpowiedzi.

Absolutny problem z konfiguracją

Wcześniej nie było możliwe określenie rzeczywistej konfiguracji przestrzennej cząsteczek tej czy innej substancji optycznie czynnej, na przykład wspomnianej powyżej alaniny. Jednak metodami czysto chemicznymi udało się ustalić podobieństwo konfiguracji różnych substancji. Na przykład cząsteczki prawoskrętne D-aldehyd glicerynowy były podobne w swojej konfiguracji do lewoskrętnych l-kwas mlekowy i prawoskrętny D- kwas jabłkowy. W 1906 roku, za sugestią M. A. Rozanowa, jako wzorzec do ustalenia względnej konfiguracji cząsteczek optycznie czynnych wybrano aldehyd glicerynowy. Jednocześnie E. G. Fischer zasugerował, aby prawoskrętnemu aldehydowi glicerynowemu przypisać (czysto arbitralnie) strukturę,

w którym gwiazdka oznacza asymetryczny atom węgla związany z czterema różnymi podstawnikami. Na takich figurach dwa wiązania „poziome” (w tym przypadku są to wiązania C-H i C-OH) znajdują się pod płaszczyzną figury, a dwa wiązania „pionowe” (C-CHO i C-CH2OH) są nad samolotem. Ta metoda obrazowania nazywa się projekcją Fischera i została nazwana na cześć Emila Hermanna Fischera, drugiego laureata Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1902 roku.

Kilka słów o Rozanowie, który jest nam praktycznie nieznany. Martin Andre Rozanov (1874–1951) urodził się na Ukrainie jako syn Abrahama i Clary Rosenbergów. Po ukończeniu gimnazjum klasycznego w rodzinnym Mikołajowie kontynuował naukę w Berlinie i Paryżu, a następnie w Nowym Jorku. Pracował na Uniwersytecie Nowojorskim, następnie w Mellon Institute w Pittsburghu, gdzie po raz pierwszy w historii instytutu uzyskał dożywotni profesor chemii. Siostra Martina Lillian (1886–1986) była dziekanem Wydziału Matematyki na Uniwersytecie Long Island; brat Aaron Joshua był znanym amerykańskim psychiatrą pracującym w Kalifornii. Wśród „niechemicznych” prac M. A. Rozanowa wyróżnia się duży artykuł „Edison w swoim laboratorium” (1932), w którym autor między innymi opisał różne zabawne przypadki, w tym z doświadczenia komunikowania się ze słynnym wynalazca.

Przedstawioną strukturę nazwano D(+)-aldehydem glicerynowym. W związku z tym wszystkie substancje stereochemicznie podobne do tego aldehydu zaczęto przypisywać do serii D. Optyczną antypodę tego aldehydu nazwano aldehydem L-glicerynowym, a powiązane z nim substancje zaczęto przypisywać do serii L („+” oznacza, że płaszczyzna polaryzacji obraca się w prawo, „–” - w lewo):

Aldehyd glicerynowy to jeden z najprostszych związków optycznie czynnych, łatwo go otrzymać poprzez utlenienie gliceryny, a co najważniejsze, można go wykorzystać do uzyskania najbardziej różne połączenia. Ustala to względną konfigurację prawoskrętnego kwasu winowego i jabłkowego oraz izoseryny, lewoskrętnego kwasu mlekowego i wielu innych optycznie czynnych związków. W wyniku kondensacji aldolowej aldehydu glicerynowego z dihydroksyacetonem powstaje mieszanina fruktozy i sorbozy, którą można rozdzielić. Jest oczywiste, że w trakcie takich syntez konfiguracja absolutna asymetrycznego atomu węgla musi pozostać niezmieniona. Dzieje się tak, jeśli wiązanie chemiczne tego atomu węgla z jednym z sąsiednich podstawników nie zostanie zerwane. W przeciwnym razie może nastąpić utrata aktywności optycznej (jak na przykład w reakcjach podstawienia nukleofilowego typu SN 1) lub zmiana konfiguracji na odwrotną. Ostatni proces, tzw. konwersja waldenowska, zachodzi np. w reakcjach S N 2; nosi imię Pawła (Pawła Iwanowicza) Waldena (1863–1957), który odkrył go w 1889 r.

Zamiast małych liter przyjęto duże litery D i L, aby nie mylić konfiguracji substancji ustalonej w odniesieniu do aldehydu glicerynowego z kierunkiem obrotu płaszczyzny polaryzacji światła przez tę substancję. I tak się złożyło, że część związków serii D obraca się w prawo, część w lewo, a kierunek obrotu nie jest w żaden sposób związany z przynależnością substancji do któregokolwiek z tych szeregów. Na przykład w przyrodzie znaleziono jedynie D(-)-fruktozę (inaczej lewulozę, ponieważ obraca płaszczyznę polaryzacji w lewo). Z drugiej strony zarówno L-, jak i D-asparaginy są aminokwasami prawoskrętnymi. Kwas migdałowy C 6 H 5 CH (OH) COOH ma dwa izomery optyczne: lewoskrętny D (–)- i prawoskrętny L (+). Takich przykładów jest wiele. Dlatego nie można z góry określić związku znaku obrotu złącza z jego konfiguracją: dwa złącza o tej samej konfiguracji względnej mogą mieć przeciwne znaki obrotu. I odwrotnie, podobne związki o tym samym znaku rotacji mogą mieć przeciwne względne konfiguracje.

Bezpośrednie określenie konfiguracji absolutnej cząsteczki jest trudnym zadaniem i przez długi czas chemicy radzili sobie jedynie z przypisywaniem cząsteczek do szeregu D lub L. I dopiero w połowie XX wieku problem ten rozwiązał J. Beivut wraz z pracownikami pracującymi w laboratorium Van't Hoff Uniwersytetu w Utrechcie. Przełomowa praca zatytułowana „Wyznaczenie konfiguracji absolutnej substancji optycznie czynnych metodą dyfrakcji rentgenowskiej” została opublikowana 18 sierpnia 1951 roku w czasopiśmie „ Natura". Autorzy, analizując dyfrakcję promieni rentgenowskich kryształów soli potasowo-rubidowej kwasu D(+)-winowego, wykazali, że Fischer nie mylił się postulując absolutną konfigurację enancjomerów aldehydu glicerynowego! A to oznacza, że prawidłowo ustalono nie tylko względne, ale i absolutne konfiguracje wszystkich związków optycznie czynnych! Tak naprawdę Fischer miał dokładnie 50% szans na sukces właściwy wybór lub popełnij błąd. Podobna historia miała miejsce, gdy na długo przed odkryciem elektronu ustalono kierunek przepływu prąd elektryczny. I - popełnili błąd, wybierając kierunek od plusa do minusa.

Ponieważ przełomowa oryginalna publikacja Beivuta w czasopiśmie Natura nie przedstawiono wstępnych danych eksperymentalnych, kwestia słuszności wyciągniętych wniosków pozostała fundamentalna, zwłaszcza że ówczesna technika eksperymentalna była daleka od doskonałości. W szczególności nie było komputerów, bez których nie można obecnie wykonać żadnej pracy w dziedzinie analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich. Aby rozwiać wszelkie możliwe podejrzenia, pracownicy Centrum Biologia molekularna Uniwersytet w Utrechcie Martin Lutz i M. M. Schroers podjęli się niedawno przetestowania wyników swoich kolegów ponad pół wieku temu przy użyciu najnowocześniejszego sprzętu. Ich praca została opublikowana w sierpniu 2008 roku w czasopiśmie Acta Crystallographica", sekcja C: " Komunikacja w strukturze kryształu”, nosił tytuł „Czy Beivut miał rację? Ponowne badanie tetrahydratu winianu sodu - rubidu”. Aby otrzymać monokryształ, autorzy podgrzali roztwór kwasu (+)-winowego do temperatury 60°C i rozpoczęli dodawanie do niego kroplami roztworu równomolowej mieszaniny węglanów sodu i rubidu. Najpierw wytrącił się mniej rozpuszczalny kwaśny winian rubidu. Następnie, gdy wydzielanie dwutlenku węgla dobiegło końca, osad całkowicie przeszedł do roztworu. Kiedy wyparuje temperatura pokojowa Powstał bezbarwny proszek, którego rekrystalizacja z minimalnej ilości wody dała nadające się do badań kryształy Na + ·Rb + ·C 4H 4 O 6 2– ·4H 2 O. Na pytanie postawione w tytule artykułu autorzy odpowiedzieli „tak”.

Współpraca Beivuta ze współpracownikami w 1951 roku była naprawdę epokowa. Po raz pierwszy udało się pozbyć pewnej niespójności w oznaczeniach D i L, które wskazywały jedynie na pokrewieństwo genetyczne z aldehydami glicerynowymi, ale nie na kierunek rotacji optycznej. Możliwość tę zrealizowano w 1956 r. za sugestią Roberta Sidneya Kahna i Christophera Kelka Ingolda oraz laureata Nagrody Nobla z 1975 r. (wraz z J. W. Cornforthem) Władimira Preloga. Ich pierwszy artykuł został opublikowany w stosunkowo mało znanym szwajcarskim czasopiśmie Doświadczenia”, a mimo to propozycja została powszechnie przyjęta. Dlatego jest to szczegółowo opisane w podręczniku chemii organicznej autorstwa Louisa i Mary Feather (1961, tłumaczenie rosyjskie 1966). Ale system ten stał się najbardziej znany po opublikowaniu w 1966 roku szczegółowej uniwersalnej nomenklatury stereochemicznej (patrz Cahn R.S., Ingold S.K., Prelog V. Specyfikacja chiralności molekuł // Angew. Chem., Int. wyd. język angielski, 1966, 5, 385–415; pełny tekst - PDF, 3,4 Mb).

Autorzy zaproponowali wprowadzenie pojęcia chiralności jako właściwości obiektu, która nie daje się pogodzić z jego odbiciem w idealnym zwierciadle płaskim oraz R—S- system (od łac. odbyt- proste, poprawne i złowrogi- po lewej), aby wskazać chiralność.

Szczegółowy opis zastosowania tej reguły do związków optycznie czynnych można znaleźć w podręcznikach chemii organicznej, a także w podręczniku K. P. Butina. Wykorzystuje pewien układ grup wokół centrum chiralnego - zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zgodnie z „starszym stażem” tych grup. W szczególności, zgodnie z nową nomenklaturą, prawoskrętny aldehyd D-glicerynowy otrzymuje oznaczenie R. Notacja R I S są dodawane do nazwy związku jako przedrostki. Zatem enancjomery 1-bromo-1-chloroetanu są R-1-bromo-1-chloroetan i S-1-bromo-1-chloroetan. Oznaczono ich optycznie nieaktywną odmianę racemiczną R, S-1-bromo-1-chloroetan. Jednak zgodnie z tradycją powszechnie stosowane są również stare oznaczenia D i L, na przykład dla cukrów i aminokwasów.

Podsumowując tę sekcję, zauważamy inne bardzo powszechne błędne przekonanie - że wszystkie naturalne aminokwasy rzekomo należą wyłącznie do serii L. W rzeczywistości tak nie jest: D-aminokwasy występują również w przyrodzie, choć rzadziej niż aminokwasy serii L, głównie w świecie organizmów niższych. Występują np. w antybiotykach peptydowych, w otoczce niektórych bakterii. Niektóre termofilne mikroorganizmy żyjące w gorących źródłach i wodach termalnych wykorzystują wysokie stężenia D-alaniny jako osmoregulatora. Osocze krwi organizmów wyższych zawiera również D-aminokwasy. Organizm ludzki wytwarza D-serynę jako neuroprzekaźnik. D-alanina, D-asparagina i D-seryna występują w komórkach nerwowych organizmów wyższych. Pracują z D-aminokwasami na przykład w Katedrze Enzymologii Chemicznej Wydziału Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Natomiast w 2008 roku na Wydziale Biologii Uniwersytetu Moskiewskiego A. V. Dmitriev obronił rozprawę o stopień doktora nauk fizycznych i matematycznych na temat „Fizyczne i chemiczne mechanizmy transportu jonów w naturalnych i chiralnie zmodyfikowanych kanałach modelowych”. Autorka badała w szczególności zmodyfikowane białka modelowe zawierające D-aminokwasy. Wykazano, że do uzyskania pierwszorzędowej struktury białka o naturalnej funkcjonalności zbudowanej z D-aminokwasów wystarczy dziesięć D-aminokwasów.

Leki chiralne

Chemicy często nazywają enancjomery pojedynczym związkiem, ponieważ ich właściwości chemiczne są identyczne. Jednak ich aktywność biologiczna może być zupełnie inna. Stało się to jasne po tragicznej historii talidomidu, leku szeroko stosowanego w Europie w latach 60. XX wieku przez kobiety w ciąży jako skuteczny środek nasenny i uspokajający. Z biegiem czasu ujawniło się jego działanie teratogenne i wiele dzieci urodziło się z wadami wrodzonymi. Następnie Europejczycy zapożyczyli bardziej rygorystyczny amerykański system certyfikacji leków - w Ameryce nie wolno było sprzedawać talidomidu. Ale dopiero pod koniec lat 80. stało się jasne, że przyczyną nieszczęścia stał się tylko jeden z enancjomerów talidomidu. Ta różnica w postaci dawkowania nie była wcześniej znana, a sprzedawany talidomid był mieszaniną racemiczną.

Obecnie wiele leków produkowanych jest w postaci związków optycznie czystych. Otrzymuje się je trzema metodami: rozdzielaniem mieszanin racemicznych, modyfikacją naturalnych związków optycznie czynnych (m.in. węglowodanów, aminokwasów, terpenów, kwasu mlekowego, winowego itp.) oraz bezpośrednią syntezą. To ostatnie wymaga również źródeł chiralnych, ponieważ wszelkie inne konwencjonalne metody syntezy dają racemat. Jest to jeden z powodów wysokich kosztów niektórych leków i nie jest zaskakujące, że spośród wielu syntetycznych leków chiralnych produkowanych na całym świecie tylko niewielka część jest optycznie czysta, reszta to racematy.

Zapotrzebowanie na optycznie czyste enancjomery tłumaczy się także tym, że często tylko jeden z nich daje pożądany efekt terapeutyczny, podczas gdy drugi antypod może być w najlepszym przypadku bezużyteczny, a w najgorszym powodować niepożądane skutki uboczne lub być toksyczny. Zdarza się również, że każdy enancjomer ma swoje specyficzne działanie. Tak, lewa ręka S-tyroksyna ( produkt leczniczy Lewotroid jest naturalnym hormonem tarczycy T4. Prawoskrętny R-tyroksyna („dekstroid”) obniża poziom cholesterolu we krwi. Niektórzy producenci dla takich przypadków wymyślają palindromowe nazwy handlowe, na przykład „ Darvona„dla narkotycznych środków przeciwbólowych i” Nowrad» na lek przeciwkaszlowy.

Jak już zauważono na przykładzie aminokwasu leucyny, człowiek jest istotą chiralną. I dotyczy to nie tylko wygląd. Leki enancjomeryczne, oddziałując z chiralnymi cząsteczkami w organizmie, takimi jak enzymy, mogą działać na różne sposoby. „Właściwy” lek pasuje do swojego receptora jak klucz do zamka i wywołuje pożądaną reakcję biochemiczną. Środek antyarytmiczny S-anaprilin działa sto razy silniej niż R-formularz. Lewamizol, lek przeciwrobaczy, działa głównie w S izomer, podczas gdy jego R- antypoda powoduje nudności, dlatego kiedyś racemiczny lewamizol został zastąpiony jednym z enancjomerów. W latach 60-tych próbowano leczyć parkinsonizm jednym z prekursorów adrenaliny w organizmie – dioksyfenyloalaniną (L-DOPA). Jednocześnie okazało się, że substancja ta, podobnie jak pokrewne dopamina i metylodopa, działają jedynie w postaci S-izomer. W tym samym czasie R-DOPA powoduje poważne skutki uboczne, w tym zaburzenia krwi. Solidny " Merck„opracowali metodę wytwarzania leku przeciwnadciśnieniowego metylodopy, która obejmuje spontaniczną krystalizację tylko pożądanego enancjomeru poprzez wprowadzenie do roztworu małego ziarenka tego izomeru.

I ostatni przykład. Penicylamina (3,3-dimetylocysteina) jest dość prostą pochodną aminokwasu cysteiny. Substancję tę stosuje się przy ostrych i przewlekłych zatruciach miedzią, rtęcią, ołowiem i innymi metalami ciężkimi, gdyż tworzy silne kompleksy z jonami tych metali, które usuwane są przez nerki. Penicylaminę stosuje się także w różnych postaciach reumatoidalnego zapalenia stawów, w twardzicy układowej i w wielu innych przypadkach. Tylko w tym przypadku S-postać leku R-izomer jest toksyczny i może powodować ślepotę. Nie bez powodu na okładce czerwcowego numeru amerykańskiego magazynu „ Dziennik Edukacji Chemicznej» Za rok 1996 umieszczono taki nietypowy rysunek. Nie mniej wymowny był tytuł artykułu o lekach antypodalnych: „Kiedy cząsteczka patrzy w lustro”.

Ilja Abramowicz Leenson,
Doktorat z chemii
„Chemia i życie” nr 5, 2009

Wcześniej opisano izomerię strukturalną, wynikającą z różnej kolejności naprzemienności atomów i wiązań w cząsteczkach oraz dwa rodzaje izomerii przestrzennej: rotacyjną i geometryczną ( cis-trans) związane z różnym rozmieszczeniem fragmentów cząsteczek o tej samej strukturze w przestrzeni. Istnieje inny rodzaj stereoizomerii - izomeria optyczna.

Izomery optyczne są takie same we wszystkich swoich właściwościach fizycznych i chemicznych, a różnią się tylko pod dwoma względami.

1 Podczas krystalizacji tworzą kryształy, które nie posiadają płaszczyzny symetrii i odnoszą się do siebie jak obiekt do swojego lustrzanego odbicia. Ta właściwość pozwoliła Pasteurowi odkryć zjawisko izomerii optycznej. Podczas krystalizacji kwasu winowego wizualnie odkrył kryształy dwóch różne rodzaje i rozdzielając je, wyodrębniono czyste stereoizomeryczne formy kwasu winowego.

2 Izomery optyczne w różny sposób odnoszą się do światła spolaryzowanego.

W wiązce światła oscylacje wektora elektrycznego i magnetycznego zachodzą w kierunkach wzajemnie prostopadłych, a także prostopadłych do kierunku propagacji wiązki. Co więcej, kierunek oscylacji np. wektora elektrycznego zmienia się chaotycznie w czasie, zmieniając odpowiednio kierunek oscylacji wektora magnetycznego. W spolaryzowanej wiązce dla każdego z nich występują oscylacje wektorów elektrycznych i magnetycznych jeden ściśle ustalona płaszczyzna, płaszczyzna polaryzacji. Kiedy spolaryzowana wiązka przechodzi przez przezroczyste substancje ciekłe i krystaliczne, płaszczyzna polaryzacji obraca się. Związki, które obracają płaszczyznę polaryzacji spolaryzowanej wiązki, nazywane są optycznie aktywnymi lub optycznie aktywnymi. Do ilościowego porównania aktywności optycznej różne substancje, oblicz wartość dokładny obrót. Ponieważ wartość kąta, obrót płaszczyzny polaryzacji światła, oprócz charakteru substancji, zależy również od temperatury, długości fali światła, grubości warstwy substancji, przez którą przechodzi światło spolaryzowane , a w przypadku roztworów także rozpuszczalnika i stężenia substancji, skręcalność właściwa w stałej temperaturze i długości fali światła wynosi

gdzie α jest kątem obrotu płaszczyzny polaryzacji na grubości warstwy l i gęstość substancji D, T- temperatura, D jest stałą długością fali żółtej linii z widma sodu.

Rozwiązanie

Gdzie Z- stężenie roztworu w gramach substancji na 100 ml roztworu.

Kwas mlekowy powstający w wyniku fermentacji sacharozy przy pomocy bakterii obraca płaszczyznę polaryzacji światła w lewo(w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara). Nazywa się go lewoskrętnym lub lewym kwasem mlekowym i oznacza się: (-) - kwas mlekowy.

Kwas mlekowy obraca płaszczyznę polaryzacji światła w prawo, nazywa się prawym kwasem mlekowym i oznacza się: (+) - kwas mlekowy. Uwalnia się ta optyczna postać kwasu mlekowego z mięśni zwierzęcych i nazywa się kwasem mięsno-mlekowym.

Wfaza krystaliczna z którą związana jest aktywność optyczna substancjiAsymetria struktury kryształu. Wfazy ciekłej i gazowej związałaz asymetrią molekularną. W 1874 roku van't Hoff i Lebel, twórcy teorii stereochemii, zauważyli niemal jednocześnie, że substancje optycznie czynne zawierają w swoich cząsteczkach co najmniej jeden związany z węglem węgielcztery różnegrupy. Te atomy węgla nazywane są asymetryczny. Obecność asymetrycznego atomu węgla w strukturze cząsteczki jest oznaką asymetrii cząsteczek związku, a co za tym idzie, aktywności optycznej substancji.

Rozważając izomerię optyczną, asymetryczne atomy węgla są zwykle oznaczone gwiazdką (*):

Jak widać ze wzorów strukturalnych, związki zawierające asymetryczny atom węgla nie mają płaszczyzny symetrii.

Izomery optyczne kwasu mlekowego, tj. Formy (-) i (+) tego kwasu charakteryzują się różnym rozmieszczeniem przestrzennym poszczególnych grup w cząsteczce i stanowią względem siebie lustrzane odbicia. Odbicie w lustrze dowolnego obiektu, który nie ma płaszczyzny symetrii, to nie to samo co temat i jest jego antypodą (enancjomerem).

Na przykład odbicie postaci ludzkiej w lustrze nie jest identyczne z oryginałem. Lewa strona człowieka pojawia się w lustrze jako prawa i odwrotnie. Z rysunku widać, że prawy model nałożony w przestrzeni nie pokrywa się z lewym. Właściwość obiektu polegającą na niekompatybilności z jego płaskim odbiciem lustrzanym jest powszechnie nazywana chiralność.

Nazywa się izomery optyczne, które są swoimi lustrzanymi odbiciamiantypody(enancjomery). Obracają płaszczyznę polaryzacjiw różnych kierunkach pod tym samym kątem.

Kwasy mlekowy i mięsno-mlekowy są antypodami (enancjomerami). Te stereoizomery obracają płaszczyznę polaryzacji w różnych kierunkach pod tymi samymi kątami.

Mieszanina równej liczby antypodów jest optycznie nieaktywna ze względu na kompensację obrotu i nazywa sięracemat.

Tym samym otrzymany syntetycznie kwas mlekowy nie wpływa na światło spolaryzowane. Składa się z mieszaniny równych ilości form lewych i prawych, jest optycznie nieaktywny i jest oznaczony (±) - kwas mlekowy.

Dla wygody zobrazowania struktury przestrzennej związków optycznie czynnych stosuje się tzw formuły projekcyjne zaproponowane przez Fischera, uzyskany poprzez rzutowanie czworościennych modeli cząsteczek na płaszczyznę rysunku

Korzystając z nich, należy pamiętać, że przesuwanie formuł projekcyjnych, ich nakładanie na siebie jest dozwolone tylko w płaszczyźnie rysunku. Rozumie się również, że grupy górna i dolna znajdują się za płaszczyzną rysunku, grupy boczne znajdują się przed nią. Formuły projekcji prawego i lewego kwasu mlekowego, z zastrzeżeniem tych zasad, w sposób naturalny nie łączą się.

Bardzo ważnym punktem izomerii optycznej jest to, że wielkość i kierunek obrotu płaszczyzny polaryzacji światła nie są bezpośrednio zależne od konfiguracji (struktury przestrzennej) znajomości.

Na przykład estry i etery prawego kwasu mlekowego, mające tę samą konfigurację co sam kwas, mają lewoskrętną rotację.

Wynika z tego, że znak rotacji jednego z członków szeregu substancji o podobnej budowie chemicznej nie może jeszcze służyć jako cecha konfiguracji i znak rotacji pozostałych jego członków.

Powstaje pytanie, czy znane są konfiguracje izomerów optycznych dla różnych substancji i jak je wyznaczać. Metody chemiczne nie pozwalają na ustalenie absolutnej (prawdziwej) konfiguracji antypodów ze względu na tożsamość właściwości chemicznych antypodów. Jednocześnie metodami tymi można określić względną konfigurację izomerów optycznych. Związki optycznie czynne można przekształcać w siebie chemicznie bez zmiany konfiguracji. Wtedy, jeśli znana jest konfiguracja pierwotnego połączenia „referencyjnego”, uzyskane z niego połączenie będzie miało tę samą konfigurację.

W 1891 r. Fischer i w 1906 r. Rozanov zaproponowali użycie prawej strony (+)-aldehyd glicerynowy. Przypisano mu arbitralnie konfigurację „ D". Jego antypoda, (–)-aldehyd glicerynowy odpowiednio, biorąc pod uwagę konfigurację „ Ł».

Umożliwiło to montaż konfiguracja względna stereoizomery optyczne metodami chemicznymi. W tym przypadku pochodnym D(+)-gliceraldehydu przypisuje się konfigurację względną D.

Na przykład względną konfigurację kwasu mlekowego ustalono poprzez przekształcenie aldehydu glicerynowego w kwas mlekowy.

Okazało się, że aldehyd D(+)-glicerynowy odpowiada konfiguracją lewemu kwasowi D(–)-mlekowym.

Dopiero w 1951 roku ustalono konfigurację absolutną aldehydu D-glicerynowego na podstawie analizy rentgenowskiej. Okazało się, że wybór jego konfiguracji był trafny. W ten sposób znane są obecnie konfiguracje absolutne wielu substancji.

Oprócz opisanych DL- nomenklatura do wyznaczenia konfiguracji stereoizomerów optycznych, tzw RS- nomenklatura Kahna, Ingolda, Preloga, niezwiązane z konfiguracją połączenia referencyjnego („standard”). Jest to opisane w literaturze pedagogicznej.

Kwas mlekowy, CH3-CHOH-COOH

Kwas mlekowy otrzymywany jest z nitrylu kwasu mlekowego lub fermentacji kwasu mlekowego substancji cukrowych.

Wykorzystuje się go w przemyśle skórzanym i do barwienia tkanin.

Kwas jabłkowy

Jest to dwuzasadowy kwas trójatomowy. Pod względem chemicznym wykazuje właściwości α- i β-hydroksykwasów, gdyż hydroksyl znajduje się w pozycji α w stosunku do jednej grupy kwasowej i w pozycji β w stosunku do drugiej. Po przywróceniu daje kwas bursztynowy, z odwodnieniem - maleinowy lub fumarowy:

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

Kwas jabłkowy ma jeden asymetryczny atom węgla i jest optycznie czynny.

Lewy i prawy kwas jabłkowy topią się w temperaturze 100°C. Racemat – w temperaturze 130–131°C. W naturze występuje lewa forma kwasu jabłkowego: w jarzębinie, jabłkach, winogronach.

Kwasy winowe ( dihydroksybursztynowy)

Mają ten sam wzór strukturalny

i różnią się budową przestrzenną.

Jak wynika ze wzoru, kwas winowy ma dwa asymetryczne atomy węgla. Liczbę izomerów optycznych dla związków mających kilka asymetrycznych atomów węgla w strukturze molekularnej określa wzór N=2 N , GdzieNjest liczbą asymetrycznych atomów węgla.

Dlatego w przypadku kwasu winowego należy spodziewać się czterech stereoizomerów optycznych:

Zgodnie z zasadami postępowania ze wzorami rzutowymi, gdy dwie ostatnie formy nałożą się na siebie, okazują się identyczne (jedna z form powinna zostać obrócona w płaszczyźnie rysunku o 180°). Zatem zamiast czterech form stereoizomerycznych, kwas winowy realizuje się w trzech. Dodatkowo trzeci stereoizomer (III) okazuje się optycznie nieaktywny ze względu na swoją symetrię (płaszczyznę symetrii pokazano na rysunku): obrót płaszczyzny polaryzacji światła wywołany przez górny czworościan jest całkowicie kompensowany przez obrót dolny czworościan, który ma taką samą wielkość, ale przeciwny znak. Przed nami przykład formy stereoizomerycznej z asymetrycznymi atomami węgla, optycznie nieaktywnej ze względu na swoją symetrię. Takie stereoizomery nazywane są mezoformami.

Stereoizomery substancji, które nie są swoimi lustrzanymi odbiciami, nazywane są diastereoizomerami. Zgodnie z tą definicją, pierwsza i druga forma przestrzenna kwasu winowego są diastereoizomerami w stosunku do kwasu mezowinowego (i odwrotnie).

Ponieważ antypody mają tę samą (tylko odwrotną lustrzanie) strukturę, ich właściwości, z wyjątkiem związku ze światłem spolaryzowanym, są również takie same. diastereoizomery nie są identyczne w swojej strukturze przestrzennej, więc ich właściwości są nieco inne.

Podsumowując analizę izomerii przestrzennej kwasu winowego, można stwierdzić, że jest on reprezentowany przez dwie antypody (forma I i II), ich racemat, zwany kwasem winowym, oraz diastereomeryczną mezoformę (III).

Prawoskrętny kwas (+)-winowy występuje bardzo powszechnie w przyrodzie, szczególnie w soku winogronowym. Podczas fermentacji soku winogronowego uwalnia się on w postaci kamienia nazębnego, składającego się z kwaśnego winianu potasu.

Sól ta stosowana jest jako zaprawa przy barwieniu i drukowaniu tekstyliów.

Kolejna, potasowo-sodowa sól kwasu (+)-winowego – tzw. sól Rochelle,

stosowany jako piezokryształ w inżynierii radiowej. Jest częścią cieczy Fehlinga, która służy do analitycznego oznaczania środków redukujących (na przykład aldehydów).

Kwas mezowinowy otrzymuje się razem z kwasem winogronowym poprzez gotowanie kwasu (+)-winowego z nadmiarem sody kaustycznej przez kilka godzin.

Kwas cytrynowy

Dość często występuje w przyrodzie: w burakach, agrescie, winogronach, cytrynach, malinach, liściach tytoniu. Optycznie nieaktywny.

Kwas cytrynowy ma zastosowanie w przemyśle spożywczym, farbiarskim, fotograficznym, konserwującym krew itp.

kwasy aldonowe

kwasy aldonowe są kwasy polihydroksykarboksylowe o ogólnym wzorze HOCH 2 n COOH, które formalnie są produktami utleniania grupy aldehydowej węglowodany(aldoza). Najbardziej typową laboratoryjną metodą syntezy kwasów aldonowych jest utlenianie łatwo dostępnych aldoz bromem w jego wodnym roztworze.

Kwasy aldonowe i ich pochodne odgrywają ważną rolę w chemii syntetycznej monosacharydów.

Metody rozdzielania racematów na składniki optycznie czynne

Obecnie szybko rośnie zapotrzebowanie na enancjomerycznie czyste substancje do produkcji nowoczesnych, wysoce skutecznych preparatów medycznych, a także potrzeby rolnictwa i ochrony lasów: produkcja nowych wysoce aktywnych środków owadobójczych, herbicydów, grzybobójców i innych selektywnych substancji do zwalczania szkodników . Uzyskanie do tych celów substancji enancjomerycznie czystych jest możliwe albo poprzez opracowanie metod ich pełnej syntezy chemicznej (szereg osiągnięć w tym zakresie zostało nagrodzonych Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii), albo poprzez rozdział mieszanin racemicznych. Rozważmy zasady niektórych metod rozdzielania racematów na składniki optycznie czynne.

– selekcja mechaniczna. Podczas krystalizacji racematy czasami krystalizują oddzielnie w postaci prawej i lewej. Co więcej, ich kryształy formą odnoszą się do siebie jak obiekt do swojego lustrzanego odbicia. W takim przypadku można je wybrać mechanicznie na podstawie ich wyglądu.

– separacja biochemiczna. Polega ona na tym, że mikroorganizmy w trakcie swojej aktywności życiowej są w stanie preferencyjnie zużywać tylko jeden z izomerów optycznych. Zwykle ta forma optyczna jest bardziej powszechna w przyrodzie. Dlatego podczas rozmnażania i kiełkowania grzybów w roztworze racematu po pewnym czasie pozostaje tylko jedna forma optycznie czynna.

– Metody oparte na różnicy właściwości diastereoizomerów

Zatem sole antypodów optycznie aktywnego kwasu z tą samą optycznie aktywną zasadą powinny dawać diastereoizomery o różnej rozpuszczalności. Umożliwia to ich rozdzielenie poprzez krystalizację.

Wstęp

1. Aktywność optyczna

1.1 Substancje optycznie czynne

1.2 Fizyczne przyczyny aktywności optycznej

1,2 a. Model fenomenologiczny

1.2 b. Teoria kwantowa

1,2 cala Teoria korpuskularna

2. Cząsteczki chiralne

2.1 Grupy symetrii punktowej

2.1 a. Własna oś symetrii

2.1 b. Niewłaściwa oś symetrii

2,1 cala Rodzaje grup symetrii punktowej

2.2 Symetryczna definicja chiralności

2.3 Rodzaje chiralności

3. Nazewnictwo enancjomerów

3.1 Według konfiguracji: R - i S

3.2 Aktywność optyczna: +/-

3.3 Według konfiguracji: D - i L-

4. Metody konfiguracji

4.1 Definicja konfiguracji absolutnej

4.1 a. Dyfrakcja rentgenowska

4.1 b. Teoretyczne obliczenia skręcalności optycznej

4.2 Definicja konfiguracji względnej

4.2 a. Korelacja chemiczna

4.2 b. Ustalanie konfiguracji względnej przy użyciu metod fizycznych

5. Metody rozdzielania enancjomerów

5.1 Rozszczepienie przez diastereoizomery

5.2 Rozdzielczość chromatograficzna

5.3 Łupanie mechaniczne

5.4 Trawienie enzymatyczne

5.5 Ustalenie czystości optycznej

Wniosek

Literatura

Wstęp

Do związków organicznych zaliczają się substancje zdolne do obracania płaszczyzny polaryzacji światła. Zjawisko to nazywa się aktywnością optyczną, a odpowiadające mu substancje nazywane są optycznie czynnymi. Substancje optycznie czynne występują w postaci par antypodów optycznych - izomerów, których właściwości fizyczne i chemiczne są takie same w normalnych warunkach, z wyjątkiem jednego - znaku obrotu płaszczyzny polaryzacji. (Jeśli jedna z antypodów optycznych ma np. obrót właściwy (+20 o, to druga ma obrót właściwy - 20 o).

Izomeria optyczna pojawia się, gdy w cząsteczce występuje asymetryczny atom węgla; jest to nazwa atomu węgla związanego z czterema różnymi podstawnikami. Możliwe są dwa czworościenne układy podstawników wokół asymetrycznego atomu. Obie formy przestrzenne nie mogą być łączone żadnym obrotem; jeden z nich jest lustrzanym odbiciem drugiego:

Ten typ izomerii nazywany jest również izomerią optyczną, izomerią lustrzaną lub enancjomerią. Obie formy lustrzane tworzą parę optycznych antypodów lub enancjomerów.

W 1815 roku francuski fizyk Jean Baptiste Biot i niemiecki fizyk Thomas Seebeck ustalili, że niektóre substancje organiczne (na przykład cukier czy terpentyna) mają zdolność obracania płaszczyzny polaryzacji światła w stanie krystalicznym, ciekłym, rozpuszczonym, a nawet gazowym. stan (Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte w 1811 roku przez francuskiego fizyka François Dominique Arago w pobliżu kryształów kwarcu). Udowodniono zatem, że aktywność optyczną można powiązać nie tylko z asymetrią kryształów, ale także z jakąś nieznaną właściwością samych cząsteczek. Okazało się, że niektóre związki chemiczne mogą występować w postaci zarówno prawoskrętnej, jak i lewoskrętnej, a najdokładniejsza analiza chemiczna nie ujawnia między nimi żadnych różnic. Był to nowy rodzaj izomerii, który nazwano izomerią optyczną. Okazało się, że oprócz prawo- i lewoskrętnych istnieje jeszcze trzeci rodzaj izomerów - optycznie nieczynne. Zostało to odkryte w 1830 roku przez słynnego niemieckiego chemika Jensa Jakoba Berzeliusa na przykładzie kwasu winogronowego (dihydroksybursztynowego) HOOC-CH (OH) - CH (OH) - COOH: kwas ten jest optycznie nieaktywny, a kwas winowy ma dokładnie taki sam skład ma rotację prawostronną w roztworze. Później odkryto „lewy” kwas winowy, który nie występuje w przyrodzie – antypodę prawoskrętną.

Izomery optyczne można rozróżnić za pomocą polarymetru – urządzenia mierzącego kąt obrotu płaszczyzny polaryzacji. W przypadku roztworów kąt ten zależy liniowo od grubości warstwy i stężenia substancji optycznie czynnej (prawo Biota). W przypadku różnych substancji aktywność optyczna może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie. Zatem w przypadku wodnych roztworów różnych aminokwasów w temperaturze 25°C aktywność właściwa (oznaczana jako D i mierzona dla światła o długości fali 589 nm przy stężeniu 1 g/ml i grubości warstwy 10 cm) wynosi - 232° dla cystyny, - 86, 2° dla proliny, -11,0° dla leucyny, +1,8° dla alaniny, +13,5° dla lizyny i +33,2° dla asparaginy.

Nowoczesne polarymetry umożliwiają pomiar skręcalności optycznej z bardzo dużą dokładnością (do 0,001°). Pomiary takie pozwalają szybko i dokładnie określić stężenie substancji optycznie czynnych, np. zawartość cukru w roztworach na wszystkich etapach ich wytwarzania – od produktów surowych po roztwory stężone i melasę.

Aktywność optyczna kryształów fizyki była związana z ich asymetrią; całkowicie symetryczne kryształy, takie jak sześcienne kryształy soli, są optycznie nieaktywne. Przyczyna aktywności optycznej cząsteczek przez długi czas pozostawała całkowicie tajemnicza. Pierwszego odkrycia, które rzuciło światło na to zjawisko, dokonał w 1848 roku nieznany wówczas Louis Pasteur. Pasteura, który zidentyfikował dwie antypody kwasu winowego, które nazwano enancjomerami (od greckiego enantios – przeciwieństwo). Pasteur wprowadził dla nich oznaczenia izomerów L i D (od łacińskich słów laevus - lewy i zręczny - prawy). Później niemiecki chemik Emil Fischer skojarzył te oznaczenia ze strukturą dwóch enancjomerów jednej z najprostszych substancji optycznie czynnych – aldehydu glicerynowego OHCH2-CH (OH) – CHO. W 1956 roku, za sugestią angielskich chemików Roberta Kahna i Christophera Ingolda oraz szwajcarskiego chemika Vladimira Preloga, wprowadzono dla izomerów optycznych oznaczenia S (od łac. sinister - po lewej) i R (łac. rectus - po prawej); Racemat jest oznaczony symbolem RS. Jednak zgodnie z tradycją szeroko stosowane są również stare oznaczenia (na przykład węglowodany, aminokwasy). Należy zauważyć, że litery te wskazują jedynie strukturę cząsteczki („prawy” lub „lewy” układ niektórych grup chemicznych) i nie są związane z kierunkiem skręcalności optycznej; ten ostatni jest oznaczony znakami plus i minus, na przykład D (-) - fruktoza, D (+) - glukoza.

Teorię wyjaśniającą różnicę między cząsteczkami antypodów stworzył holenderski naukowiec van't Hoff. Zgodnie z tą teorią cząsteczki, podobnie jak kryształy, mogą być „prawe” i „lewe”, będąc wzajemnym lustrzanym odbiciem. Struktury takie, które różnią się między sobą jak prawa ręka od lewej, nazywane są chiralnymi (od gr. spadkobierca – ręka). Zatem aktywność optyczna jest konsekwencją izomerii przestrzennej (stereoizomerii) cząsteczek.

izomeria optyczna, chiralność ewancjomerów

Teoria Van't Hoffa, która położyła podwaliny pod współczesną stereochemię, zyskała powszechne uznanie, a jej twórca w 1901 roku został pierwszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii.

1. Aktywność optyczna

Aktywność optyczna to zdolność ośrodka (kryształy, roztwory, pary substancji) do powodowania obrotu płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez niego promieniowania optycznego (światła).

Manifestuje się w tych przypadkach, gdy izomery tego samego związku są połączone z różnymi pozycjami podstawników niektórzy Centrum, niekompatybilny w kosmosie. W przypadku pochodnych szeregu alifatycznego izomeria jest powiązana ze stereochemicznymi cechami hybrydowego atomu węgla sp3.

Nawet Le Bel pod koniec XVIII wieku sugerował czworościenną strukturę atomu węgla. Jeśli atom węgla jest podłączony z czterema różnymi podstawników, istnieje możliwość istnienia 2 izomerów, które są wobec siebie lustrzanymi odbiciami.

Nazywa się atom węgla, który ma wszystkie różne podstawniki asymetryczny Lub chiralnyśrodek („hiros” - ręka).

Rozważ przykład obiecujących formuł:

Stereoizomery I i II nie są kompatybilne w przestrzeni, są antypodami lub izomerami optycznymi ( enancjomery, stereomery).

Wzory projekcji Fishera

Rozważmy formuły perspektywiczne w innej płaszczyźnie.

Umieśćmy środek asymetryczności (atom węgla) w płaszczyźnie arkusza; zastępcy A I B za płaszczyzną arkusza ( z obserwator); zastępcy F I D nad płaszczyzną arkusza ( bliżej do obserwator) – zgodnie ze strzałkami wskazującymi kierunek spojrzenia obserwatora. Otrzymujemy wzajemnie prostopadły kierunek wiązań z centrum chiralnym. Taka konstrukcja izomerów nazywa się wzorami projekcji Fishera.

Zatem we wzorach rzutowania Fischera podstawniki umieszczone poziomo są skierowane w stronę obserwatora, a pionowo - poza płaszczyznę arkusza.

Podczas konstruowania formuł projekcyjnych najbardziej obszerne podstawniki są ułożone pionowo. Jeśli podstawnikami są atomy lub małe grupy niezwiązane z łańcuchem głównym, wówczas są one ułożone poziomo. Dla 2-bromobutanu

istnieją dwa antypoda:

Enancjomery, antypody, stereomery są praktycznie nie do odróżnienia pod względem właściwości (t wrzenia, t topnienia itp.), a także mają podobne stałe termodynamiczne. Jednocześnie mają różnice:

4) - stałe antypody krystalizują, tworząc kryształy, które są względem siebie lustrzane, ale nie są kompatybilne w przestrzeni.

5) - antypody obracają płaszczyznę światła spolaryzowanego pod tym samym kątem, ale w różnych kierunkach. Jeżeli kąt obrotu światła jest dodatni (zgodnie z ruchem wskazówek zegara), wówczas antypodę nazywa się prawoskrętną, jeśli jest ujemna (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara), to jest lewoskrętna.

Kąt rotacji optycznej płaskiego światła spolaryzowanego jest oznaczony przez [ α D] Jeśli [ α D]= -31,2°, następnie badano antypodę lewoskrętną.

Urządzenie polarymetryczne

Substancje zdolne do obracania płaszczyzny światła spolaryzowanego nazywane są optycznie aktywnymi lub optycznie aktywnymi.

Mieszanina dwóch enancjomerów w stosunku 1:1 nie powoduje obracania płaszczyzny światła spolaryzowanego i nazywana jest mieszaniną racemiczną, racematem.

Jeśli w mieszaninie jedna antypoda dominuje nad drugą, wówczas mówi się o jej czystości optycznej (ee). Oblicza się go na podstawie różnicy zawartości enancjomerów w mieszaninie.

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

Aminy drugo- i trzeciorzędowe może mieć również aktywność optyczną. Czwarty podstawnik to samotna para elektronów na atomie azotu.

5.4.1 Diastereoizomery

Diastereometria jest zjawiskiem, które ma bardziej znaczący wpływ na właściwości substancji i jest obserwowane w przypadkach, gdy w związku występują dwa lub więcej centrów asymetryczności. Na przykład:

4-chloropentanol-2

Przedstawmy wszystkie możliwe antypody do połączenia (I-IV):

Izomery optyczne (stereoizomery) tego samego związku, które nie są antypodami, nazywane są diastereoizomerami. Oznacza to, że pary izomerów I i III, I i IV, II i III, II i IV są parami diastereoizomerycznymi. Liczbę izomerów oblicza się ze wzoru: q \u003d 2 n, gdzie

q to całkowita liczba stereoizomerów,

n to liczba środków asymetrycznych (C*).

Na przykład glukoza ma 4 centra chiralne, wówczas q = 2 4 = 16 (D-glukoza - 8 izomerów, L-glukoza - 8 izomerów).

D-glukoza

W naturze zdarzają się przypadki, gdy asymetryczne atomy w związku mają to samo środowisko. Prowadzi to do tego, że połowa antypodów nie jest optycznie czynna.

kwas winny

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mezoforma

Mezoforma jest formą nieaktywną optycznie, powstałą w wyniku wewnętrznej symetrii substancji optycznie czynnej.

W przeciwieństwie do antypodów, diastereoizomery różnią się temperaturą wrzenia, gęstością (d 4,20), współczynnikiem załamania światła (n 4,20) itp.