Kimia. Izomerizmi hapësinor Ekzistenca e izomerëve optikë është e mundur për

Përmbajtja e artikullit

ISOMERIA OPTIKE."Kur një molekulë duket në një pasqyrë" një artikull i botuar në numrin e qershorit 1996 të një reviste amerikane kushtuar edukimi i kimisë(Journal of Chemical Education). Dhe në faqen e parë të kopertinës së këtij numri kishte edhe një vizatim të pazakontë. Në anën e një qeni që tundej me natyrë të mirë ishte formula strukturore e penicilaminës. Qeni u pa në pasqyrë dhe prej andej e shikoi një bishë e tmerrshme me gojë të zhveshur dhe flokë të ngritur në këmbë. Në anën e bishës përshkruhej e njëjta formulë strukturore në formën e një imazhi pasqyre të së parës. Pse në fakt e njëjta substancë ka pamje kaq të ndryshme? Kjo shpjegohet me një veti të veçantë të disa përbërjeve kimike, e cila lidhet ngushtë me aktivitetin e tyre optik.

Polarizimi i dritës dhe aktivitetit optik.

Në fillim të shekullit të 19-të Fizikani, astronomi dhe mjeku anglez Thomas Young tregoi se drita mund të konsiderohet si valë. Fizikani francez Augustin Fresnel zbuloi se valët e dritës janë tërthore: lëkundjet në to ndodhin pingul me drejtimin e lëvizjes (si valët në sipërfaqen e ujit: vala shkon përpara, dhe notimi në ujë lëkundet lart poshtë). Tashmë në shekullin e 20-të u zbulua se drita është një valë elektromagnetike, si një valë radio, vetëm gjatësia e valës së dritës është shumë më e shkurtër. Termi "elektromagnetike" do të thotë se drita ka fusha elektrike dhe magnetike që lëkunden periodikisht, si valët në sipërfaqen e detit. Tani na interesojnë vetëm luhatjet fushe elektrike. Rezulton se këto lëkundje nuk ndodhin rastësisht, por vetëm pingul me drejtimin e rrezes së dritës. Në dritën e zakonshme (ajo emetohet, për shembull, nga dielli, llambat inkandeshente), lëkundjet ndodhin rastësisht, në të gjitha drejtimet. Por, duke kaluar nëpër disa kristale, për shembull, turmalinë ose spar islandez (një varietet transparent i kalcitit CaCO 3), drita fiton veti të veçanta: kristali, si të thuash, "pret" të gjitha lëkundjet e fushës elektrike, përveç atij që ndodhet në një plan të caktuar. Në mënyrë figurative, një rreze e tillë drite është si një fije leshi që tërhiqet përmes një hendek të ngushtë midis dy briskut të mprehtë.

Fizikani francez Etienne Louis Malus besonte se drita përbëhet nga grimca me dy pole "veri" dhe "jug", dhe në dritën që kalon nëpër sparin islandez, të gjitha polet kthehen në një drejtim. Prandaj, ai e quajti një dritë të tillë të polarizuar. Është zbuluar se drita polarizohet pjesërisht duke u reflektuar në kënde të caktuara nga ose përthyer nga sipërfaqet me shkëlqim të dielektrikëve, si qelqi. Teoria e Malus nuk u konfirmua, por emri mbeti. Syri i njeriut nuk mund të dallojë dritën e zakonshme nga drita e polarizuar, por kjo është e lehtë të bëhet me ndihmën e pajisjeve më të thjeshta optike - polarimetrat; ato përdoren, për shembull, nga fotografët: filtrat polarizues ndihmojnë për të hequr qafe shkëlqimin në foto, i cili ndodh kur drita reflektohet nga sipërfaqja e ujit.

Doli se kur drita e polarizuar kalon nëpër disa substanca, ndodh një fenomen interesant: rrafshi në të cilin ndodhen "shigjetat" e fushës elektrike lëkundëse rrotullohet gradualisht rreth boshtit përgjatë të cilit shkon rrezja. Ky fenomen u zbulua për herë të parë në 1811 nga fizikani francez Francois Dominique Arago në kristale kuarci. Kristalet natyrale të kuarcit kanë një strukturë të parregullt, asimetrike dhe janë dy llojesh, të cilat ndryshojnë në formën e tyre, si një objekt nga imazhi i tij në pasqyrë. Këto kristale rrotullojnë rrafshin e polarizimit të dritës në drejtime të kundërta; quheshin djathtas dhe majtas.

Në 1815, një fizikan tjetër francez Jean Baptiste Biot dhe fizikani gjerman Thomas Seebeck vërtetuan se disa substanca organike (për shembull, sheqeri ose terpentina) gjithashtu e kanë këtë veti, jo vetëm në gjendje kristalore, por edhe në gjendje të lëngët, të tretur dhe madje të gaztë. Pra, u vërtetua se aktiviteti optik mund të shoqërohet jo vetëm me asimetrinë e kristaleve, por edhe me disa veti të panjohura të vetë molekulave. Doli se, si në rastin e kristaleve, disa komponimet kimike mund të ekzistojë në formën e varieteteve si djathtas ashtu edhe majtas, dhe analiza kimike më e kujdesshme nuk zbulon ndonjë ndryshim midis tyre! Në fakt, ishte një lloj i ri i izomerizmit, i cili u quajt izomerizëm optik. Doli se përveç dekstrorotatorit dhe levorotatorit, ekziston edhe një lloj i tretë izomerësh - optikisht joaktivë. Kjo u zbulua në vitin 1830 nga kimisti i famshëm gjerman Jens Jakob Berzelius duke përdorur si shembull acidin e rrushit (dihidroksisukcinik) HOOCCH(OH)CH(OH)COOH: ky acid është optikisht joaktiv, dhe acidi tartarik me saktësisht të njëjtën përbërje ka rrotullim të duhur në zgjidhje. Më vonë, u zbulua acidi tartarik "i majtë", i cili nuk gjendet në natyrë - e kundërta e dekstrorotatorit.

Ju mund të dalloni midis izomerëve optikë duke përdorur një polarimetër, një instrument që mat këndin e rrotullimit të planit të polarizimit. Për tretësirat, ky kënd varet në mënyrë lineare nga trashësia e shtresës dhe përqendrimi i substancës optikisht aktive (ligji i Biot-it). Për substanca të ndryshme, aktiviteti optik mund të ndryshojë në një gamë shumë të gjerë. Pra, në rastin e tretësirave ujore të aminoacideve të ndryshme në 25 ° C, aktiviteti specifik (ai caktohet si D dhe matet për dritën me një gjatësi vale 589 nm në një përqendrim 1 g / ml dhe një trashësi shtresë 10 cm) është 232° për cistinën, 86, 2° për prolinën, 11,0° për leucinën, +1,8° për alaninën, +13,5° për lizinën dhe +33,2° për asparaginën. Polarimetrat modernë bëjnë të mundur matjen e rrotullimit optik me saktësi shumë të lartë (deri në 0,001°). Matjet e tilla ju lejojnë të përcaktoni shpejt dhe me saktësi përqendrimin e substancave optike aktive, për shembull, përmbajtjen e sheqerit në solucione në të gjitha fazat e prodhimit të tij, nga produktet e papërpunuara deri te solucionet e koncentruara dhe melasa.

Zbulimi i Pasterit.

Gjatë studimit, Pasteur mori kripën acidike të natriumit të acidit të rrushit C 4 H 5 O 6 Na, e ngopi tretësirën me amoniak dhe duke avulluar ngadalë ujin përftoi kristale të bukura prizmatike të kripës së natriumit të amonit C 4 H 3 O 6 NaNH 4 . Këto kristale rezultuan të ishin asimetrike, disa prej tyre ishin, si të thuash, një imazh pasqyrë i të tjerëve: gjysma e kristaleve kishin një aspekt karakteristik në të djathtë, ndërsa të tjerët kishin një në të majtë. I armatosur me një xham zmadhues dhe piskatore, Pasteur i ndau kristalet në dy pirgje. Zgjidhjet e tyre, siç pritej, kishin rrotullim optik të kundërt. Pasteri nuk u ndal me kaq. Nga çdo tretësirë, ai izoloi acidin origjinal (i cili ishte joaktiv). Cila ishte habia e tij kur doli se njëra zgjidhje është acidi tartarik i njohur dekstrorotator, dhe tjetra është i njëjti acid, por që rrotullohet majtas!

Kujtimet e dëshmitarëve okularë dëshmojnë për eksitimin e pabesueshëm nervor të shkencëtarit të ri, që e kapi atë në atë moment; Pasi e kuptoi atë që kishte arritur të bënte, Pasteri doli me vrap nga laboratori dhe, duke takuar një laborant në zyrën e fizikës, nxitoi drejt tij dhe, duke e përqafuar, bërtiti: "Sapo bëra një zbulim të madh!" Dhe konsistonte në faktin se acidi tartarik joaktiv i njohur prej kohësh është thjesht një përzierje e sasive të barabarta të acidit tartarik "të djathtë" të njohur dhe atij "të majtë" të panjohur më parë. Kjo është arsyeja pse përzierja nuk ka aktivitet optik. Për një përzierje të tillë filloi të përdoret emri racemate (nga latinishtja racemus grapes). Dhe dy antipodet e acidit tartarik të marra nga Pasteri u quajtën enantiomere (nga greqishtja enantios përballë). Pasteri prezantoi për ta emërtimet L- dhe D-izomerë (nga fjalët latine laevus majtas dhe dexter djathtas). Më vonë, kimisti gjerman Emil Fischer i lidhi këto emërtime me strukturën e dy enantiomerëve të një prej substancave më të thjeshta optikisht aktive, gliceraldehidit OHCH 2 CH(OH)CHO. Në vitin 1956, me sugjerimin e kimistëve anglezë Robert Kahn dhe Christopher Ingold dhe kimistit zviceran Vladimir Prelog, emërtimet S (nga latinishtja sinister majtas) dhe R (latinisht rectus djathtas) u prezantuan për izomerët optikë; Racemati shënohet me simbolin RS. Sidoqoftë, sipas traditës, emërtimet e vjetra përdoren gjithashtu gjerësisht (për shembull, për karbohidratet, aminoacidet). Duhet të theksohet se këto shkronja tregojnë vetëm strukturën e molekulës (rregullimi "djathtas" ose "majtas" i grupeve të caktuara kimike) dhe nuk lidhen me drejtimin e rrotullimit optik; kjo e fundit shënohet me shenja plus dhe minus, për shembull, D()-fruktozë, D(+)-glukozë.

Përveç "metodës manuale", Pasteur zbuloi dy metoda të tjera për ndarjen e një racemate në dy antipode. Metoda biokimike bazohet në aftësinë selektive të disa mikroorganizmave për të absorbuar vetëm një nga izomerët. Për shembull, kërpudhat Penicillum glaucum, duke u rritur në solucione të holluara të acidit tartarik ose kripërave të tij, "ha" vetëm izomerin e djathtë, duke e lënë të pandryshuar atë të majtë.

Mënyra e tretë për të ndarë racematet ishte thjesht kimike. Por për të ishte e nevojshme që paraprakisht të kishte një substancë optike aktive, e cila, kur ndërvepronte me një përzierje racemike, do të "zgjidhte" vetëm një enantiomer prej saj. Për shembull, një bazë organike optikisht aktive dha një kripë optikisht aktive me acid tartarik, nga e cila mund të izolohej enantiomeri përkatës i acidit tartarik.

Teoria e izomerizmit optik.

Puna e Pasteur, duke vërtetuar mundësinë e "ndarjes" së një përbërësi optikisht joaktiv në enantiomere antipode, fillimisht ngjalli mosbesim tek shumë kimistë. As vetë Biot nuk i besoi asistentit të tij, derisa ai përsëriti përvojën e tij me duart e veta dhe u bind se Pasteur kishte të drejtë. Kjo dhe veprat e mëvonshme të Pasteur tërhoqën vëmendjen e kimistëve. Së shpejti, Joseph Le Bel, duke përdorur metodën e tretë të Pasteur, ndau disa alkoole në antipode optikisht aktive. Johann Wislicenus vërtetoi se ekzistojnë dy acide laktike: optikisht joaktive, të formuara në qumësht të thartë (acidi laktik i fermentuar) dhe dekstrorotator, i cili shfaqet në muskulin e punës (mish-acidi laktik). Shembuj të tillë kishte gjithnjë e më shumë dhe duhej një teori për të shpjeguar se si ndryshojnë molekulat e antipodeve nga njëra-tjetra. Një teori e tillë u krijua nga një shkencëtar i ri holandez Van't Hoff. Sipas kësaj teorie, molekulat, si kristalet, mund të jenë "djathtas" dhe "majtas", duke qenë një imazh pasqyrë i njëra-tjetrës. Shembulli më i thjeshtë ishte ky. Atomi i karbonit në përbërjet organike është katërvalent, katër lidhje kimike drejtohen prej tij në kënde të barabarta me kulmet e tetraedrit. Nëse të gjithë atomet ose grupet e atomeve të vendosura në kulmet e tetraedrit dhe të lidhur me atomin qendror të karbonit janë të ndryshëm, atëherë janë të mundshme dy struktura të ndryshme që nuk kombinohen me njëra-tjetrën me anë të rrotullimit në hapësirë. Nëse të paktën dy nga katër zëvendësuesit janë të njëjtë, molekulat do të bëhen plotësisht identike (kjo është e lehtë të kontrollohet duke përdorur një model shkrepsash dhe plastelinë me ngjyrë). Struktura të tilla, të cilat ndryshojnë nga njëra-tjetra si dora e djathtë nga e majta, quhen kirale (nga dora greke trashëgimtare). Kështu, aktiviteti optik është pasojë e izomerizmit hapësinor (stereoizomerizmit) të molekulave.

Një atom karboni i lidhur me katër zëvendësues të ndryshëm quhet asimetrik. Atomet e elementeve të tjerë të silikonit, azotit, fosforit, squfurit mund të jenë gjithashtu asimetrike. Megjithatë, komponimet pa atome asimetrike të karbonit mund të jenë gjithashtu optikisht aktive nëse mund të ekzistojnë në formën e dy izomerëve pasqyrë. Një molekulë do të jetë asimetrike nëse nuk ka një element të vetëm simetrie, as qendër, as boshte, as rrafsh simetrie. Një shembull është molekula e alenit H 2 C=C=CH 2 , e cila ka dy zëvendësues të ndryshëm: R 1 R 2 C=C=CR 1 R 2 . Fakti është se këta zëvendësues nuk janë në të njëjtin rrafsh (si, për shembull, në alkenet), por në dy plane reciproke pingul. Prandaj, është e mundur ekzistenca e dy izomerëve pasqyrë, të cilët nuk mund të kombinohen me njëri-tjetrin me asnjë zhvendosje dhe rrotullim.

Marrëdhëniet më komplekse ndodhin në rastin e molekulave me disa atome asimetrike të karbonit. Për shembull, në acidin tartarik, dy grupe hidroksil në dy atome karboni ngjitur mund të rregullohen në mënyrë që molekula të jetë simetrike dhe të mos ketë izomerë pasqyrë. Kjo çon në formimin e një izomeri tjetër, optikisht joaktiv, i cili quhet acid mezo-tartarik (ose anti-tartarik). Kështu, acidi dihidroksiukcinik mund të jetë në formën e katër izomerëve: dekstrorotator (acidi D-tartarik, i cili në mjekësi quhet acid tartarik), levorotator (acidi L-tartarik), optikisht joaktiv (acidi mezotartarik), dhe gjithashtu si një përzierje e Izomerët L- dhe R, d.m.th. racemat (i-tartarik, ose acid tartarik). Acidet tartarike optikisht aktive, kur tretësirat e tyre ujore nxehen për një kohë të gjatë, racemizohen, duke u shndërruar në një përzierje antipodësh.

Situata është edhe më e ndërlikuar kur ka shumë qendra asimetrike në molekulë. Për shembull, ka katër prej tyre në një molekulë glukoze. Prandaj, teorikisht është e mundur që të ekzistojnë 16 stereoizomerë, të cilët formojnë 8 palë antipode pasqyre. Ata kanë qenë prej kohësh të njohur për kimistët; është vetë glukoza, si dhe aloza, altroza, manoza, guloza, idoza, galaktoza dhe taloza. Shumë prej tyre ndodhin natyrshëm, siç është D-glukoza (por jo L-glukoza, e cila është prodhuar në mënyrë sintetike).

Nëse substanca ka një numër të barabartë molekulash "djathtas" dhe "majtas", ajo do të jetë optikisht joaktive. Janë këto substanca që përftohen në balonë si rezultat i sintezës kimike konvencionale. Dhe vetëm në organizmat e gjallë, me pjesëmarrjen e agjentëve asimetrik (për shembull, enzimat), formohen komponime optikisht aktive. Natyrisht, menjëherë u ngrit pyetja se si u shfaqën komponime të tilla në Tokë, për shembull, i njëjti acid tartarik dekstrorotator natyror, ose mikroorganizma "asimetrik" që ushqehen vetëm me një nga enantiomeret. Në të vërtetë, në mungesë të një personi, nuk kishte njeri që të kryente një sintezë të drejtuar të substancave optike aktive, nuk kishte kush të ndante kristalet në të djathtë dhe në të majtë! Sidoqoftë, këto pyetje doli të ishin aq komplekse sa që nuk ka përgjigje për to edhe sot e kësaj dite. Për shembull, askush nuk e di pse pothuajse të gjitha aminoacidet natyrore nga të cilat janë ndërtuar proteinat i përkasin serisë L (konfigurimi S), dhe antipodet e tyre gjenden vetëm herë pas here në disa antibiotikë.

Teoria e Van't Hoff nuk fitoi menjëherë njohjen. Kështu, kimisti i shquar eksperimental gjerman Adolf Kolbe (disa reaksione organike janë emëruar pas tij) botoi një artikull të ashpër në maj 1877, në të cilin ai foli ashpër negativisht për teorinë e re. Për fat të mirë, Kolbe ishte në një pakicë të qartë dhe teoria e van't Hoff, e cila hodhi themelet e stereokimisë moderne, fitoi njohjen e përgjithshme dhe krijuesi i saj në 1901 u bë laureati i parë. Çmimi Nobël në kimi.

Kjo teori bëri të mundur shpjegimin e shumë fenomeneve kimike. Për shembull, në reaksionet e zëvendësimit të atomeve halogjene për grupet hidroksil: në halidet alkile optikisht aktive RX + OH ® ROH + X (X një atom halogjen), në disa raste, aktiviteti optik zhduket, në të tjera mbetet, por ndryshon shenjën. Doli se ky reagim mund të shkojë në mënyra të ndryshme. Mekanizmi i parë përfshin ndarjen e halogjenit me formimin e joneve të ndërmjetme R +, të cilët shpejt bashkohen me anionet OH, duke i dhënë produktit të reaksionit alkool. Nëse halidi fillestar RX kishte aktivitet optik, ai humbet si rezultat i këtij reaksioni, pasi hidroksili mund t'i afrohet kationit planar të ndërmjetëm nga secila anë, kështu që formohet një përzierje enantiomeresh. Nëse reaksioni vazhdon sipas mekanizmit të dytë, anioni OH i afrohet atomit të karbonit nga ana e kundërt me lidhjen CX dhe "zhvendos" atomin e halogjenit në formën e një anioni. Nëse halidi fillestar R 1 R 2 R 3 CX ka pasur aktivitet optik, ai mbahet si rezultat i këtij reaksioni, por shenja e rrotullimit optik është e kundërt. Kjo ndodh sepse tre zëvendësuesit në atomin asimetrik të karbonit R 1, R 2 dhe R 3, të cilët, si atomi halogjen, janë në majat e tetraedrit, ndryshojnë konfigurimin e tyre në lidhje me zëvendësuesin e katërt kur agjenti sulmues hidroksil afrohet; një ndryshim i tillë në konfigurim është analog me kthimin e një ombrellë brenda jashtë në një erë të fortë.

Izomerizmi optik dhe jeta.

Kimistët shpesh i referohen enantiomerëve si një përbërje e vetme, sepse vetitë e tyre kimike janë identike. Sidoqoftë, aktiviteti i tyre biologjik mund të jetë krejtësisht i ndryshëm. Kjo u bë e dukshme pas historisë tragjike të talidomidit, një ilaç që në vitet '60 të shekullit të 20-të. mjekët në shumë vende ua përshkruajnë atë grave shtatzëna si një pilulë efektive gjumi dhe qetësues. Megjithatë, me kalimin e kohës, e tij e tmerrshme efekte anesore: substanca rezultoi teratogjene (duke dëmtuar fetusin, nga përbindëshi grek teratos, fanatik) dhe lindën shumë bebe me deformime të lindura. Vetëm në fund të viteve 1980 u bë e qartë se vetëm një nga enantiomerët e talidomidit, forma e tij dextrorotatore, ishte shkaku i fatkeqësisë. Fatkeqësisht, ky ndryshim në veprim format e dozimit nuk ishte i njohur më parë, dhe talidomidi ishte një përzierje racemike e të dy antipodeve.

Aktualisht, shumë barna janë të disponueshme si komponime optikisht të pastra. Kështu, nga 25 barnat më të zakonshme në SHBA, vetëm gjashtë janë komponime jokirale, tre janë racemate dhe pjesa tjetër janë enantiomere të pastër. Këto të fundit përftohen me tre metoda: ndarja e përzierjeve racemike, modifikimi i përbërjeve natyrale optikisht aktive (këto përfshijnë karbohidratet, aminoacidet, terpenet, acidet laktike dhe tartarike, etj.) dhe sinteza e drejtpërdrejtë. Për shembull, kompania e njohur kimike Merck ka zhvilluar një metodë për prodhimin e ilaçit antihipertensiv metildopa, i cili përfshin kristalizimin spontan të vetëm enantiomerit të dëshiruar duke futur një farë të vogël të këtij izomeri në tretësirë. Sinteza e drejtpërdrejtë kërkon gjithashtu burime kirale, pasi çdo metodë tjetër tradicionale e sintezës jep të dy enantiomeret në përmasa të barabarta racemat. Rastësisht, kjo është një nga arsyet kosto e larte disa barna, pasi sinteza e drejtuar vetëm e njërit prej tyre është shumë detyrë e vështirë. Prandaj, nuk është për t'u habitur që nga më shumë se 500 barna sintetike kirale të prodhuara në mbarë botën, vetëm rreth një e dhjeta janë të pastra optikisht. Në të njëjtën kohë, nga 517 preparate të marra nga lëndët e para natyrore, vetëm tetë janë racemate.

Nevoja për enantiomerë optikisht të pastër shpjegohet me faktin se shpesh vetëm njëri prej tyre ka efektin terapeutik të kërkuar, ndërsa antipodi i dytë mund të shkaktojë efekte të padëshirueshme. Efektet anësore apo edhe të jenë toksike. Ndodh gjithashtu që çdo enantiomer të ketë veprimin e tij specifik. Pra, S()-tiroksina ("levotroid") është një hormon natyral i tiroides. Dhe dekstrorotator R (+) -tiroksinë ("deksroid") ul kolesterolin në gjak. Disa prodhues dalin me emra tregtarë palindromikë për raste të tilla, si Darvon dhe Novrad.

Çfarë i shpjegon veprimet e ndryshme të enantiomerëve? Njeriu është një qenie kirale. Si trupi i tij ashtu edhe molekulat e substancave biologjikisht aktive nga të cilat ai përbëhet janë asimetrike. Molekulat kirale të barit, që ndërveprojnë me qendra të caktuara kirale në trup, siç janë enzimat, mund të veprojnë ndryshe në varësi të cilit enantiomer është ilaçi. Ilaçi "korrekt" futet në receptorin e tij si një çelës në një bravë dhe fillon reaksionin e dëshiruar biokimik. Veprimi i antipodit "të gabuar" mund të krahasohet me një përpjekje për të shtrënguar dorën e djathtë të mysafirit të tij me dorën e djathtë.

Nëse ilaçi është një racemat, atëherë një nga enantiomerët në rastin më të mirë mund të jetë indiferent, në rastin më të keq të shkaktojë një efekt krejtësisht të padëshiruar. Ketu jane disa shembuj. Kështu, agjenti antiaritmik S()-anaprilin vepron 100 herë më i fortë se forma R(+)! Në rastin e verapamilit, të dy enantiomeret kanë një efekt të ngjashëm, por forma e tij R(+) ka një efekt anësor dukshëm më pak të rëndë kardiodepresiv. Ketamina e përdorur për anestezi mund të shkaktojë efekte anësore në formën e agjitacionit, delirit, etj., në 50% të pacientëve, dhe kjo është kryesisht e natyrshme vetëm në izomerin R () si dhe në racemat. Në ilaçin antihelmintik levamisole , është aktiv kryesisht në S ( )-izomer, ndërsa antipodi i tij R(+) shkakton të përziera, kështu që në një kohë levamisole racemike u zëvendësua nga një prej enantiomerëve. Por rezulton se jo gjithmonë ka kuptim ekonomik të sintetizosh izomerë të pastër. Për shembull, për ibuprofenin analgjezik të përdorur gjerësisht, nën veprimin e enzimave, është i mundur izomerizimi i formës R()-terapeutike joaktive në izomerin aktiv S(+), prandaj, në këtë rast, mund të jetë një racemat shumë më i lirë. të përdorura.

Veprimi i ndryshëm biologjik i izomerëve "të djathtë" dhe "të majtë" manifestohet jo vetëm midis ilaçeve, por në të gjitha rastet kur një përbërës kiral ndërvepron me organizmat e gjallë. Një shembull i mrekullueshëm aminoacidi izoleucinë: izomeri i tij dekstrorotator është i ëmbël dhe izomeri i tij levorrotator është i hidhur. Një shembull tjetër. Carvone është një substancë me një aromë shumë të fortë (hunda e njeriut është në gjendje ta nuhasë atë në një përmbajtje prej vetëm 17 milionta të miligramit për litër në ajër). Carvone është i izoluar nga qimnoni, në vajin e të cilit përmban rreth 60%. Megjithatë, saktësisht i njëjti përbërës me të njëjtën strukturë gjendet në vajin e mentes, ku përmbajtja e tij arrin 70%. Të gjithë do të pajtohen që aroma e mentes dhe qimnonit nuk janë aspak të njëjta. Doli se në fakt ka dy karvonë "djathtas" dhe "majtas". Dallimi në erë midis këtyre përbërjeve tregon se qelizat receptore në hundë përgjegjëse për perceptimin e erës duhet gjithashtu të jenë kirale.

Tani le t'i kthehemi formulës së përshkruar te qeni dhe ujku. Penicilamina (3,3-dimetilcisteinë) është një derivat mjaft i thjeshtë i aminoacidit cisteinë. Kjo substancë përdoret për helmim akut dhe kronik me bakër, merkur, plumb dhe metale të tjera të rënda, pasi ka aftësinë të formojë komplekse të forta me jonet e këtyre metaleve; komplekset që rezultojnë hiqen nga veshkat. Penicilamina përdoret gjithashtu në forma të ndryshme të artritit reumatoid, në sklerodermën sistemike dhe në një sërë rastesh të tjera. Në këtë rast, përdoret vetëm forma S e ilaçit, pasi izomeri R është toksik dhe mund të çojë në verbëri.

Ilya Leenson

Në literaturë, shpesh thuhet se vetëm aminoacidet e majta janë të përshtatshme për ushqim dhe si elementë strukturorë të metabolizmit tonë. Psikologjikisht, kjo është e kuptueshme: aminoacidet natyrore më së shpeshti i përkasin të ashtuquajturës seri L, dhe shkronja L zakonisht shoqërohet me konceptin "majtas". Sidoqoftë, një "caktim" i tillë i komponimeve L në levorotatory, dhe komponimet e serisë D - në dextrorotatory është absolutisht i gabuar. Mjafton të shikojmë të paktën listën e 23 aminoacideve proteinike më të rëndësishme (ato janë dhënë, për shembull, në librin shkollor nga A. N. Nesmeyanov dhe N. A. Nesmeyanov "Parimet e kimisë organike") për t'u siguruar që levorotatory (për zgjidhje në acid acetik akullnajor) - vetëm shtatë, më pak se një e treta. Pjesa tjetër janë dekstrorotatore, me përjashtim të glicinës optikisht joaktive. Në "Enciklopedinë Kimike" në listën e 26 aminoacideve më të zakonshme të majtas, ka edhe më pak, vetëm gjashtë (23%). Shumë njerëz ngatërrojnë drejtimin e rrotullimit të planit të polarizimit të dritës nga një substancë dhe strukturën e molekulave të saj, të cilat mund t'i atribuohen tipit D- ose L.

Polarizimi i dritës dhe aktivitetit optik

Që nga koha e Njutonit, ka pasur mosmarrëveshje në shkencë: drita është valë ose grimca. Thomas Young formuloi në vitin 1800 parimin e mbivendosjes së valëve dhe mbi bazën e tij shpjegoi fenomenin e ndërhyrjes së dritës. Në 1808, Etienne Louis Malus, duke eksperimentuar me kristalet e sparit islandez (kalcit), zbuloi fenomenin e polarizimit të dritës. Në 1816, Augustin Jean Fresnel propozoi idenë se valët e dritës janë tërthore. Fresnel shpjegoi gjithashtu fenomenin e polarizimit të dritës: në dritën e zakonshme, lëkundjet ndodhin rastësisht, në të gjitha drejtimet pingul me drejtimin e rrezes. Por, duke kaluar nëpër disa kristale, si spar ose turmalinë islandeze, drita fiton veti të veçanta: valët në të lëkunden vetëm në një rrafsh. Në mënyrë figurative, një rreze e tillë drite është si një fije leshi që tërhiqet përmes një hendek të ngushtë midis dy briskut të mprehtë. Syri i njeriut vetëm në raste të rralla dhe me vështirësi mund të dallojë dritën e zakonshme nga drita e polarizuar, por kjo mund të bëhet lehtësisht duke përdorur instrumentet më të thjeshta optike - polarimetrat.

U zbulua gjithashtu se kur drita e polarizuar kalon nëpër substanca të caktuara, rrafshi i polarizimit rrotullohet. Ky fenomen u zbulua për herë të parë në 1811 nga François Dominique Arago në kristale kuarci. Kristalet natyrale të kuarcit kanë një strukturë të parregullt, asimetrike dhe janë dy llojesh, të cilat ndryshojnë në formën e tyre, si një objekt nga imazhi i tij në pasqyrë. Këto kristale rrotullojnë rrafshin e polarizimit të dritës në drejtime të kundërta; quheshin djathtas dhe majtas.

Në 1815, Jean Baptiste Biot dhe Thomas Seebeck zbuluan se disa substanca organike (për shembull, sheqeri ose terpentina) gjithashtu kanë aftësinë të rrotullojnë planin e polarizimit, jo vetëm në gjendje kristalore, por edhe në gjendje të lëngshme, të tretur dhe madje të gaztë. . Pra, u vërtetua se aktiviteti optik mund të shoqërohet jo vetëm me asimetrinë e kristaleve, por edhe me disa veti të panjohura të vetë molekulave. Ashtu si në rastin e kristaleve, disa komponime kimike mund të ekzistojnë në formën e varieteteve djathtas dhe majtas, dhe analiza kimike më e kujdesshme nuk mund të gjente ndonjë ndryshim midis tyre. Varietetet e tilla quheshin izomerë optikë, dhe vetë përbërjet quheshin optikisht aktive. Doli që substancat optikisht aktive kanë gjithashtu një lloj të tretë të izomerit - optikisht joaktiv. Kjo u zbulua në vitin 1830 nga kimisti i famshëm gjerman Jene Jacob Berzelius: acidi tartarik C 4 H 6 0 6 është optikisht joaktiv, dhe acidi tartarik me saktësisht të njëjtën përbërje ka rrotullim djathtas në tretësirë. Më vonë, u zbulua acidi tartarik "i majtë", i cili nuk gjendet në natyrë - antipodi i dekstrorotatorit.

Në 1828, William Nicol, duke përdorur kristale transparente të sparit islandez, krijoi një polarizues të lehtë - "prizmin e Nicol". Dhe pasi kreu në 1839 një kombinim të dy prizmave të tillë, ai mori një polarimetër - një pajisje për matjen e këndit të rrotullimit të planit të polarizimit të dritës. Që atëherë, një polarimetër i tillë është bërë një nga instrumentet më të zakonshëm në laboratorët fizikë.

Zbulimi i Pasterit

Gjatë studimit, Pasteur përgatiti një tretësirë të kripës acidike të natriumit të acidit tartarik HOOC-CHOH-CHOH-COONa, e ngopi tretësirën me amoniak dhe, duke avulluar ngadalë ujin, përftoi kristale të bukura prizmatike të kripës tetrahidrat natriumi-amoniumi Na. (NH) 4 C 4 H 4 O 6 4H 2 O. Këto kristale rezultuan të ishin asimetrike. Disa nga kristalet kishin një fytyrë karakteristike në të djathtë, ndërsa të tjerët kishin një në të majtë, dhe forma e dy llojeve të kristaleve ishte, si të thuash, një imazh pasqyrë i njëri-tjetrit. Ato dhe kristalet e tjera dolën në mënyrë të barabartë. Duke ditur se në raste të tilla kristalet e kuarcit rrotullohen në drejtime të ndryshme, Pasteur vendosi të kontrollonte nëse ky fenomen do të vihej re në kripën që merrte. I armatosur me një xham zmadhues dhe piskatore, Pasteur i ndau me kujdes kristalet në dy pirgje. Tretësirat e tyre, siç pritej, kishin rrotullim optik të kundërt, dhe përzierja e tretësirave ishte optikisht joaktive. Nuk ishte e qartë pse një material fillestar dha kristale forma të ndryshme. Pasteri nuk u ndal me kaq. Nga çdo tretësirë, ai precipitonte një kripë të patretshme plumbi ose bariumi dhe duke vepruar në këto kripëra me acid sulfurik të fortë, ai zhvendosi prej tyre atë organike më të dobët. Mund të supozohej se në të dyja rastet do të përftohej acidi tartarik origjinal, i cili, siç kujtojmë, ishte joaktiv. Cila ishte çudia e Pasteur kur doli se nga një tretësirë kripe u formua jo acidi i rrushit, por acidi tartarik dekstrorotator dhe i njëjti acid, por duke u rrotulluar majtas, përftohej nga një tretësirë tjetër! Deri atëherë, askush nuk e kishte parë acidin tartarik të majtë! Këto acide quhen d- vinoz për varietetin dekstrorotator (nga lat. shkathët- drejtë) dhe l- vinoz për izomerin levorotator (nga lat. laevus- majtas).

Zbulimi ishte se acidi tartarik joaktiv i njohur prej kohësh doli të ishte një përzierje e sasive të barabarta të acidit tartarik "të djathtë" të njohur dhe të "majtas" të panjohur më parë. Kjo është arsyeja pse përzierja e tyre në një kristal ose në tretësirë nuk ka aktivitet optik. Për një përzierje të tillë, emri racemate filloi të përdoret (nga latinishtja racemus- rrushi; në latinisht Acid racemicum- acidi tartarik), dhe dy antipode, të cilët, kur përzihen në sasi të barabarta, japin një përzierje optikisht joaktive, quhen enantiomere (nga greqishtja. enantios- e kundërt). Pasteur ishte me fat: në të ardhmen, u zbuluan vetëm disa raste të ngjashme të kristalizimit në një temperaturë të caktuar të një përzierjeje kristalesh optikisht të ndryshëm, mjaft i madh për t'u ndarë nën një xham zmadhues me piskatore. Për më tepër, kripa natriumi-amonium e acidit tartarik, me të cilën punoi Pasteur, formon kristale të formave të ndryshme vetëm nëse kristalizimi ndodh nga një zgjidhje, temperatura e së cilës është nën 28 ° C. Në këtë rast, tetrahidrati precipiton. Me më shumë temperaturat e larta kristalet monohidrate simetrike precipitojnë jashtë tretësirës.

Së shpejti Pasteur zbuloi edhe formën e katërt të acidit tartarik. Ai ishte optikisht joaktiv, por nuk ishte një racemate, pasi ishte e pamundur ta ndash atë në antipode. Pasteri e quajti këtë acid mesotartaric, nga greqishtja. mesos- e mesme, e ndërmjetme. Pasteur gjeti dy metoda të tjera për të ndarë një racemate në dy antipode. Metoda biokimike bazohet në aftësinë selektive të disa mikroorganizmave për të absorbuar vetëm një nga izomerët. Dhe këtu Pasteri ishte me fat. Një nga farmacistët e farmacistit i dha atij një shishe me acid rrushi të vjetër, në të cilën filloi një myk i gjelbër. Në laboratorin e tij, Pasteur zbuloi se acidi dikur joaktiv u bë mëngjarash. kërpudhat e mykut të gjelbër Penicillum glaucum në një tretësirë të acidit tartarik të holluar ose kripërave të tij, ai "ha" vetëm izomerin e djathtë, duke lënë të pandryshuar atë të majtë. Ky myk ka të njëjtin efekt në acidin mandelik "joaktiv", vetëm në këtë rast ai asimilon izomerin levorotator pa prekur atë dekstrorotator. Shumë raste të tilla janë bërë të njohura. Për shembull, maja Saccharomycete ellipsoidalis ( Saccharomyces ellipsoidus), Ndryshe nga Penicillum glaucum, “specializohet” në izomerin e djathtë të acidit mandelik, duke e lënë të pandryshuar atë të majtën. Një mënyrë tjetër për të ndarë racematet ishte kimike. Kërkohej paraprakisht të kishte një substancë optike aktive, e cila, kur ndërvepronte me një përzierje racemike, do të "zgjidhte" vetëm një enantiomer prej saj. Për shembull, një bazë optikisht aktive dha një kripë optikisht aktive me acid tartarik, nga e cila mund të izolohej enantiomeri përkatës i tartarikut dhe acidit.

Puna e Pasteur, duke vërtetuar mundësinë e "ndarjes" së një përbërësi optikisht joaktiv në antipode, fillimisht ngjalli mosbesim tek shumë kimistë. Edhe vetë Biot nuk i besoi asistentit të tij derisa ai përsëriti përvojën e tij me dorën e tij. Së shpejti, Joseph Le Bel, duke përdorur metodën e tretë të Pasteur, ndau disa alkoole në antipode optikisht aktive. Johann Wislicenus vërtetoi se ekzistojnë dy acide laktike: optikisht joaktive, të formuara në qumësht të thartë (acidi laktik i fermentuar) dhe dekstrorotator, i cili shfaqet në muskulin e punës (mish-acidi laktik). Shembuj të tillë kishte gjithnjë e më shumë dhe duhej një teori për të shpjeguar se si ndryshojnë molekulat e antipodeve nga njëra-tjetra. Një teori e tillë u krijua nga një shkencëtar i ri holandez Van't Hoff ("Kimia dhe jeta", 2009, nr. 1). Sipas kësaj teorie, molekulat, si kristalet, mund të jenë "djathtas" dhe "majtas", duke qenë një imazh pasqyrë i njëra-tjetrës. Shembulli më i thjeshtë janë molekulat që kanë një atom karboni të ashtuquajtur asimetrik të rrethuar nga katër grupe të ndryshme. Le të marrim aminoacidin më të thjeshtë alaninën: dy molekulat e përshkruara nuk mund të kombinohen në hapësirë me asnjë kthesë.

Struktura të tilla, të cilat ndryshojnë nga njëra-tjetra si dora e djathtë nga e majta, quhen kirale (nga greqishtja. flokët- dora).

Acidi tartarik ka dy atome karboni asimetrike. Nëse të dyja janë "djathtas", ju merrni acid tartarik dekstrorotator (+)-tartarik, nëse "majtas" - levorotator (–)-tartarik, nëse njëri është "majtas" dhe tjetri është "djathtas", atëherë merrni acid mezotartarik. . Nëse përzierja është po aq molekula "djathtas" dhe "majtas", substanca në tërësi do të jetë optikisht joaktive. Janë këto substanca që përftohen në balonë si rezultat i sintezës kimike konvencionale. Dhe vetëm në organizmat e gjallë, me pjesëmarrjen e agjentëve asimetrik (për shembull, enzimat), formohen komponime asimetrike. Kështu, aminoacidet dhe saharidet e vetëm një konfigurimi mbizotërojnë në natyrë, dhe formimi i antipodeve të tyre shtypet. Në disa raste, enantiomere të ndryshëm mund të dallohen pa asnjë instrument - kur ato ndërveprojnë ndryshe me receptorët asimetrik në trupin tonë. Një shembull i mrekullueshëm është aminoacidi leucina: izomeri i tij dekstrorotator është i ëmbël dhe levorotatori i tij është i hidhur. Vini re se pyetja natyrore - si u shfaqën përbërjet e para kimike optike aktive në Tokë - nuk ka ende një përgjigje të qartë.

Problem absolut i konfigurimit

Më parë, nuk ishte e mundur të përcaktohej se cili ishte konfigurimi hapësinor aktual i molekulave të një ose një substance optike aktive, për shembull, alanina e përmendur më lart. Sidoqoftë, me metoda thjesht kimike ishte e mundur të vërtetohej ngjashmëria e konfigurimeve të substancave të ndryshme. Për shembull, molekulat dekstrorotatore d-gliceraldehidet ishin të ngjashme në konfigurimin e tyre me të majtët l-acidi laktik dhe dekstrorotator d- acid malik. Në vitin 1906, me sugjerimin e M. A. Rozanov, gliceraldehidi u zgjodh si një standard për vendosjen e konfigurimit relativ të molekulave optikisht aktive. Në të njëjtën kohë, E. G. Fischer sugjeroi që gliceraldehidit dekstrorotator t'i caktohet (thjesht arbitrarisht) një strukturë,

në të cilin një yll tregon një atom karboni asimetrik të lidhur me katër zëvendësues të ndryshëm. Në figura të tilla, dy lidhje "horizontale" (në këtë rast, këto janë lidhje C-H dhe C-OH) ndodhen nën rrafshin e figurës, dhe dy lidhje "vertikale" (C-CHO dhe C-CH 2 OH) janë. mbi aeroplan. Kjo metodë imazherike quhet projeksioni Fischer, i quajtur pas Emil Hermann Fischer, marrësi i dytë i Çmimit Nobel në Kimi në 1902.

Disa fjalë për Rozanovin, i cili është praktikisht i panjohur për ne. Martin Andre Rozanov (1874–1951) lindi në Ukrainë nga Abraham dhe Clara Rosenberg. Pas mbarimit të gjimnazit klasik në vendlindjen e tij Nikolaev, ai vazhdoi shkollimin në Berlin dhe Paris, dhe më pas në Nju Jork. Ai punoi në Universitetin e Nju Jorkut, më pas në Institutin Mellon të Pitsburgut, ku për herë të parë në historinë e institutit iu dha një profesor i përjetshëm i kimisë. Motra Martina Lillian (1886–1986) ishte Dekane e Departamentit të Matematikës në Universitetin Long Island; vëllai Aaron Joshua ishte një psikiatër i famshëm amerikan që punonte në Kaliforni. Ndër veprat "jo kimike" të M. A. Rozanov, spikat një artikull i madh "Edison në laboratorin e tij" (1932), në të cilin autori, ndër të tjera, përshkroi raste të ndryshme qesharake, përfshirë nga përvoja e tij e komunikimit me një të famshëm. shpikës.

Struktura e paraqitur u emërua D(+)-gliceraldehid. Prandaj, të gjitha substancat stereokimikisht të ngjashme me këtë aldehid filluan të caktohen në serinë D. Antipodi optik i këtij aldehidi u quajt L-gliceraldehid, dhe substancat e lidhura me të filluan t'i atribuohen serisë L ("+" do të thotë që rrafshi i polarizimit rrotullohet në të djathtë, "-" - në të majtë):

Gliceraldehidi është një nga përbërësit më të thjeshtë optikisht aktiv, përftohet lehtësisht nga oksidimi i glicerinës dhe më e rëndësishmja, mund të përdoret për të marrë sa më shumë. lidhje të ndryshme. Kjo vendos konfigurimin relativ të acideve tartarike dhe malike dekstrorotatore dhe izoserinës, acidit laktik levorotator dhe shumë komponimeve të tjera optikisht aktive. Kondensimi aldol i gliceraldehidit me dihidroksiaceton prodhon një përzierje fruktoze dhe sorbozë, të cilat mund të ndahen. Është e qartë se gjatë sintezave të tilla, konfigurimi absolut i atomit asimetrik të karbonit duhet të mbetet i pandryshuar. Kjo është ajo që ndodh nëse lidhja kimike e këtij atomi karboni me një nga zëvendësuesit fqinjë nuk prishet. Përndryshe, ose mund të ndodhë një humbje e aktivitetit optik (si, për shembull, në reaksionet e zëvendësimit nukleofilik të tipit S N 1), ose një ndryshim në konfigurim në të kundërtën. Procesi i fundit, i ashtuquajturi konvertim valdenian, ndodh, për shembull, në reaksionet S N 2; është emëruar pas Paul (Pavel Ivanovich) Walden (1863–1957), i cili e zbuloi atë në 1889.

Shkronjat e mëdha D dhe L në vend të shkronjave të vogla u miratuan për të mos ngatërruar konfigurimin e substancës, të vendosur në lidhje me gliceraldehidin, me drejtimin e rrotullimit të planit të polarizimit të dritës nga kjo substancë. Dhe kështu ndodhi që disa nga komponimet e serisë D rrotullohen në të djathtë, disa - në të majtë, dhe drejtimi i rrotullimit nuk lidhet në asnjë mënyrë me përkatësinë e substancës në ndonjë nga këto seri. Për shembull, vetëm D(-)-fruktoza (aka levuloza, sepse rrotullon rrafshin e polarizimit në të majtë) është gjetur në natyrë. Nga ana tjetër, si L- dhe D-asparaginat janë aminoacide dekstrorotatore. Acidi mandelik C 6 H 5 CH (OH) COOH ka dy izomerë optikë: një izomerë rrotullues D (–)- dhe një izomerë rrotullues L (+). Ka shumë shembuj të tillë. Prandaj, marrëdhënia midis shenjës së rrotullimit të një nyjeje dhe konfigurimit të saj nuk mund të paracaktohet: dy nyje me të njëjtin konfigurim relativ mund të kenë shenja të kundërta rrotullimi. Në të kundërt, komponimet e ngjashme me të njëjtën shenjë rrotullimi mund të kenë konfigurime relative të kundërta.

Përcaktimi i drejtpërdrejtë i konfigurimit absolut të një molekule është një detyrë e vështirë, dhe për një kohë të gjatë kimistët ia dolën vetëm duke caktuar molekulat në serinë D ose L. Dhe vetëm në mesin e shekullit të 20-të këtë problem e zgjidh J. Beivut me punonjësit që punonin në laboratorin Van't Hoff të Universitetit të Utrechtit. Puna historike e titulluar "Përcaktimi i konfigurimit absolut të substancave optike aktive nga difraksioni i rrezeve X" u botua më 18 gusht 1951 në revistën " Natyra". Autorët, me analizën e difraksionit me rreze X të kristaleve të kripës kalium-rubidium të acidit D (+)-tartarik, treguan se Fischer nuk gaboi në postulimin e konfigurimit absolut të enantiomerëve të gliceraldehidit! Dhe kjo do të thotë që jo vetëm konfigurimet relative, por edhe absolute të të gjitha përbërjeve optikisht aktive u vendosën saktë! Në fakt, Fischer kishte saktësisht 50% shanse për të bërë zgjedhja e duhur ose bëni një gabim. Një histori e ngjashme ndodhi kur, shumë përpara zbulimit të elektronit, drejtimi për rrjedhën e rryme elektrike. Dhe - ata bënë një gabim duke zgjedhur drejtimin nga plus në minus.

Sepse botimi origjinal i Beivut-it në revistë Natyra të dhënat fillestare eksperimentale nuk u prezantuan, çështja e vlefshmërisë së përfundimeve të bëra mbeti themelore, veçanërisht pasi teknika eksperimentale e atyre kohërave ishte larg nga e përsosura. Në veçanti, nuk kishte kompjuterë, pa të cilët asnjë punë e vetme në fushën e analizës së difraksionit me rreze X nuk mund të bëjë tani. Për të hequr të gjitha dyshimet e mundshme, stafi i Qendrës Biologji Molekulare Universiteti i Utrecht Martin Lutz dhe M. M. Schroers kohët e fundit morën përsipër të testonin rezultatet e kolegëve të tyre më shumë se gjysmë shekulli më parë duke përdorur pajisje moderne. Puna e tyre, botuar në gusht 2008 në revistë Acta Crystallographica", seksioni C: " Komunikimet e Strukturës Kristale”, quhej “A kishte të drejtë Beivut? Ri-hetimi i tetrahidratit të tartratit të natriumit – rubidium”. Për të marrë një kristal të vetëm, autorët ngrohën një tretësirë të (+)-acidit tartarik në 60°C dhe filluan të shtonin me pika një zgjidhje të një përzierjeje ekuimolare të karbonateve të natriumit dhe rubidiumit në të. Rubidium tartrati acidik më pak i tretshëm precipitoi i pari. Pastaj, kur përfundoi evolucioni i dioksidit të karbonit, precipitati kaloi plotësisht në tretësirë. Kur avullon temperatura e dhomës u formua një pluhur pa ngjyrë, rikristalizimi i të cilit nga një sasi minimale uji dha kristale Na + ·Rb + ·C 4 H 4 O 6 2– ·4H 2 O të përshtatshme për kërkime. Pyetjes së parashtruar në titullin e artikullit, autorët iu përgjigjën “po”.

Puna e Beivut me bashkëpunëtorët në vitin 1951 ishte vërtet epokale. Për herë të parë, u bë e mundur të hiqeshin disa mospërputhje në përcaktimet D dhe L, të cilat treguan vetëm një marrëdhënie gjenetike me aldehidet e glicerinës, por jo drejtimin e rrotullimit optik. Kjo mundësi u realizua në vitin 1956 me sugjerimin e Robert Sidney Kahn dhe Christopher Kelk Ingold dhe fituesit të çmimit Nobel të vitit 1975 (me J. W. Cornforth) Vladimir Prelog. Artikulli i tyre i parë u botua në revistën relativisht të errët zvicerane Eksperiencë”, dhe megjithatë propozimi u miratua gjerësisht. Kështu, ajo përshkruhet në detaje në librin shkollor të kimisë organike nga Louis dhe Mary Feather (1961, përkthim rusisht 1966). Por ky sistem u bë më i famshëm pas publikimit në 1966 të një nomenklature të detajuar stereokimike universale (shih Cahn R.S., Ingold S.K., Prelog V. Specification of Molecule Chirality // Angew. Chem., Int. Ed. anglisht, 1966, 5, 385–415; teksti i plotë - PDF, 3.4 Mb).

Autorët propozuan të prezantohej koncepti i kiralitetit si veti e një objekti që të jetë i papajtueshëm me reflektimin e tij në një pasqyrë ideale të sheshtë dhe R—S- sistemi (nga lat. rektus- drejt, korrekt dhe ogurzi- majtas) për të treguar kiralitetin.

Një përshkrim i detajuar i zbatimit të këtij rregulli për përbërjet optikisht aktive mund të gjendet në tekstet e kimisë organike, si dhe në tekstin e K. P. Butin. Ai përdor një rregullim të caktuar të grupeve rreth qendrës kirale - në drejtim të akrepave të orës, në përputhje me "vjetërsinë" e këtyre grupeve. Në veçanti, sipas nomenklaturës së re, D-gliceraldehidi dekstrorotator merr emërtimin R. Shënimi R Dhe S i shtohen emrit të përbërjes si parashtesa. Kështu, enantiomeret e 1-bromo-1-kloroetanit janë R-1-bromo-1-kloroetan dhe S-1-bromo-1-kloroetan. Përcaktohet modifikimi i tyre racemik optikisht joaktiv R, S-1-bromo-1-kloroetan. Sidoqoftë, sipas traditës, emërtimet e vjetra D dhe L përdoren gjithashtu gjerësisht, për shembull, për sheqernat dhe aminoacidet.

Në përfundim të këtij seksioni, vërejmë një keqkuptim tjetër shumë të zakonshëm - që të gjitha aminoacidet natyrore supozohet se i përkasin ekskluzivisht serisë L. Në fakt, nuk është kështu: aminoacidet D gjenden edhe në natyrë, megjithëse më rrallë se aminoacidet e serisë L, kryesisht në botën e organizmave më të ulët. Ato janë të pranishme, për shembull, në antibiotikët peptide, në guaskën e disa baktereve. Disa mikroorganizma termofile që jetojnë në burime të nxehta dhe ujëra termale përdorin përqendrime të larta të D-alaninës si osmorregullator. Plazma e gjakut e organizmave më të lartë gjithashtu përmban D-aminoacide. Trupi i njeriut prodhon D-serinë si një neurotransmetues. D-alanine, D-asparagine dhe D-serine gjenden në qelizat nervore të organizmave më të lartë. Ata punojnë me aminoacide D, për shembull, në Departamentin e Enzimologjisë Kimike, Fakulteti i Kimisë, Universiteti Shtetëror i Moskës. Dhe në vitin 2008, në Fakultetin e Biologjisë të Universitetit Shtetëror të Moskës, A. V. Dmitriev mbrojti disertacionin e tij për gradën Doktor i Shkencave Fizike dhe Matematikore me temën "Mekanizmat fizikë dhe kimikë të transportit të joneve në kanalet e modelit natyror dhe kirik". Autori studioi, në veçanti, proteinat model të modifikuar që përmbajnë D-aminoacide. Është treguar se dhjetë D-aminoacide janë të mjaftueshme për të marrë strukturën parësore të një proteine me funksionalitet natyror të ndërtuar nga D-aminoacidet.

Droga kirale

Kimistët shpesh i referohen enantiomerëve si një përbërje e vetme, sepse vetitë e tyre kimike janë identike. Sidoqoftë, aktiviteti i tyre biologjik mund të jetë krejtësisht i ndryshëm. Kjo u bë e dukshme pas historisë tragjike të talidomidit, një ilaç që përdorej gjerësisht në Evropë në vitet 60 të shekullit të 20-të nga gratë shtatzëna si një pilulë efektive gjumi dhe qetësues. Me kalimin e kohës, efekti i saj teratogjen u shfaq dhe shumë foshnja lindën me deformime të lindura. Pas kësaj, evropianët huazuan një sistem më të rreptë amerikan të certifikimit të barnave - në Amerikë, talidomidi nuk lejohej të shitet. Por vetëm në fund të viteve '80 u bë e qartë se vetëm një nga enantiomerët e talidomidit u bë shkaku i fatkeqësisë. Ky ndryshim në formën e dozimit nuk ishte i njohur më parë, dhe talidomidi i tregtuar ishte një përzierje racemike.

Aktualisht, shumë ilaçe prodhohen në formën e përbërjeve optikisht të pastra. Përftohen me tre metoda: ndarja e përzierjeve racemike, modifikimi i përbërjeve natyrale optikisht aktive (këto përfshijnë karbohidratet, aminoacidet, terpenet, acidet laktike dhe tartarike, etj.) dhe sinteza e drejtpërdrejtë. Kjo e fundit kërkon gjithashtu burime kirale, pasi çdo metodë tjetër sintetike konvencionale jep një racemate. Kjo është një nga arsyet e kostos së lartë të disa barnave dhe nuk është për t'u habitur që nga shumë barna sintetike kirale të prodhuara në të gjithë botën, vetëm një pjesë e vogël janë të pastra optikisht, pjesa tjetër janë racemate.

Nevoja për enantiomerë optikisht të pastër shpjegohet edhe me faktin se shpesh vetëm njëri prej tyre ka efektin e dëshiruar terapeutik, ndërsa antipodi i dytë në rastin më të mirë mund të jetë i padobishëm dhe në rastin më të keq të shkaktojë efekte anësore të padëshiruara ose të jetë toksik. Ndodh gjithashtu që çdo enantiomer të ketë veprimin e tij specifik. Po, dora e majtë S-tiroksina (droga levotroid) është një hormon natyral i tiroides T4. Një dextrorotator R-tiroksina ("deksroid") ul kolesterolin në gjak. Disa prodhues dalin me emra tregtarë palindromë për raste të tilla, për shembull " Darvon"për analgjezik narkotik dhe" Novrad» për një ilaç antitusivë.

Siç u përmend tashmë në shembullin e aminoacidit leucinë, njeriu është një qenie kirale. Dhe kjo vlen jo vetëm për pamjen. Ilaçet enantiomerike, që ndërveprojnë me molekulat kirale në trup, si enzimat, mund të veprojnë në mënyra të ndryshme. Ilaçi "korrekt" futet në receptorin e tij si një çelës në një bravë dhe shkakton reaksionin e dëshiruar biokimik. Agjent antiaritmik S-anaprilina vepron njëqind herë më e fortë se R-formë. Ilaçi antihelmintik levamisole është aktiv kryesisht në S izomeri, ndërsa i saj R- antipodi shkakton nauze, kështu që në një kohë levamisole racemike u zëvendësua nga një prej enantiomerëve. Në vitet '60, një nga pararendësit e adrenalinës në trup - dihidroksifenilalanina (L-DOPA) u përpoq për të trajtuar parkinsonizmin. Në të njëjtën kohë, doli se kjo substancë, si dhe dopamina dhe metildopa e lidhur, janë efektive vetëm në formë S-izomer. Ne te njejten kohe R-DOPA shkakton efekte anësore serioze, duke përfshirë çrregullime të gjakut. firma " Merck"Zhvilloi një metodë për prodhimin e ilaçit antihipertensiv metildopa, i cili përfshin kristalizimin spontan të vetëm enantiomerit të dëshiruar duke futur një farë të vogël të këtij izomeri në tretësirë.

Dhe shembulli i fundit. Penicilamina (3,3-dimetilcisteinë) është një derivat mjaft i thjeshtë i aminoacidit cisteinë. Kjo substancë përdoret për helmime akute dhe kronike me bakër, merkur, plumb dhe metale të tjera të rënda, pasi jep komplekse të forta me jonet e këtyre metaleve dhe këto komplekse largohen nga veshkat. Penicilamina përdoret gjithashtu në forma të ndryshme të artritit reumatoid, në sklerodermën sistemike dhe në një sërë rastesh të tjera. Në këtë rast, vetëm S-forma e barit R-izomeri është toksik dhe mund të shkaktojë verbëri. Jo pa arsye në kopertinën e numrit të qershorit të revistës amerikane " Journal of Chemical Education» Për vitin 1996, u vendos një vizatim kaq i pazakontë. Titulli i artikullit mbi ilaçet antipodale nuk ishte më pak elokuent: "Kur një molekulë duket në një pasqyrë".

Ilya Abramovich Leenson,
PhD në Kimi
"Kimia dhe jeta" №5, 2009

Më parë, ishte përshkruar izomerizmi strukturor, për shkak të rendit të ndryshëm të alternimit të atomeve dhe lidhjeve në molekula, dhe dy llojeve të izomerizmit hapësinor: rrotullues dhe gjeometrik ( cis-trans) i lidhur me renditjen e ndryshme të fragmenteve të molekulave të së njëjtës strukturë në hapësirë. Ekziston një lloj tjetër i stereoizomerizmit - izomerizmi optik.

Izomerët optikë janë të njëjtë në të gjitha vetitë e tyre fizike dhe kimike dhe ndryshojnë vetëm në dy aspekte.

1 Gjatë kristalizimit, ato formojnë kristale që nuk kanë një plan simetrie dhe lidhen me njëri-tjetrin si një objekt me imazhin e tij pasqyrues. Kjo veti i lejoi Pasterit të zbulonte fenomenin e izomerizmit optik. Gjatë kristalizimit të acidit tartarik, ai zbuloi vizualisht kristale të dy lloje të ndryshme dhe duke i ndarë ato, izoluan format e pastra stereoizomerike të acidit tartarik.

2 Izomerët optikë lidhen ndryshe me dritën e polarizuar.

Në një rreze drite, lëkundjet e vektorëve elektrikë dhe magnetikë ndodhin në drejtime reciproke pingule, si dhe pingul me drejtimin e përhapjes së rrezes. Për më tepër, drejtimi i lëkundjeve, për shembull, i vektorit elektrik ndryshon në mënyrë kaotike me kalimin e kohës, duke ndryshuar në përputhje me rrethanat drejtimin e lëkundjes së vektorit magnetik. Në një rreze të polarizuar për secilin ndodhin lëkundjet e vektorëve elektrikë dhe magnetikë një plani rreptësisht i fiksuar, rrafshi i polarizimit. Kur një rreze e polarizuar kalon nëpër disa substanca transparente të lëngshme dhe kristalore, rrafshi i polarizimit rrotullohet. Komponimet që rrotullojnë rrafshin e polarizimit të një rreze të polarizuar quhen optikisht aktive ose optikisht aktive. Për një krahasim sasior të aktivitetit optik të substancave të ndryshme, llogaritet vlera rrotullim specifik. Meqenëse vlera e këndit, rrotullimi i rrafshit të polarizimit të dritës, përveç natyrës së substancës, varet edhe nga temperatura, gjatësia e valës së dritës, trashësia e shtresës së substancës nëpër të cilën kalon drita e polarizuar. , dhe për tretësirat gjithashtu mbi tretësin dhe përqendrimin e substancës, rrotullimi specifik në një temperaturë konstante dhe gjatësi vale të dritës është

ku α është këndi i rrotullimit të planit të polarizimit në trashësinë e shtresës l dhe dendësia e substancës d, t- temperatura, Dështë një gjatësi vale fikse e vijës së verdhë nga spektri i natriumit.

Për zgjidhje

Ku ME- përqendrimi i tretësirës në gram substancë, për 100 ml tretësirë.

Acidi laktik nga fermentimi i saharozës me ndihmën e baktereve rrotullon rrafshin e polarizimit të dritës në të majtë(në drejtim të kundërt të orës). Quhet acid laktik levorotator ose i majtë dhe shënohet: (-) - acid laktik.

Acidi laktik rrotullon rrafshin e polarizimit të dritës në të djathtë, quhet acid laktik i duhur dhe shënohet: (+) - acid laktik. Kjo formë optike e acidit laktik lirohet nga muskujt e kafshëve dhe quhet acid-laktik i mishit.

NËfaza kristalore aktiviteti optik i një lënde lidhet measimetria e strukturës kristalore. NËfazat e lëngëta dhe të gazta ajo lidhime asimetri molekulare. Në 1874, van't Hoff dhe Lebel, themeluesit e teorisë stereokimike, vunë re pothuajse njëkohësisht se Substancat optikisht aktive përmbajnë në molekulat e tyre të paktën një karbon të lidhur mekatër të ndryshmegrupe. Këto atome karboni quhen asimetrike. Prania e një atomi karboni asimetrik në strukturën e një molekule është një shenjë e asimetrisë së molekulave të përbërjes dhe, rrjedhimisht, e aktivitetit optik të substancës.

Kur merret parasysh izomerizmi optik, atomet asimetrike të karbonit zakonisht shënohen me një yll (*):

Siç mund të shihet nga formulat strukturore, përbërjet që përmbajnë një atom karboni asimetrik nuk kanë një plan simetrie.

Izomerët optikë të acidit laktik, d.m.th. (-) dhe (+)-format e këtij acidi kanë rregullim të ndryshëm hapësinor të grupeve individuale në molekulë dhe janë imazhe pasqyruese të njëra-tjetrës. Reflektimi në pasqyrë i çdo objekti, i cili nuk ka një plan simetrie, jo e njëjtë me subjektin, dhe është antipodi (enantiomer) i tij.

Për shembull, pasqyrimi i një figure njerëzore në një pasqyrë nuk është identik me origjinalin. Ana e majtë e një personi shfaqet në pasqyrë si ana e djathtë dhe anasjelltas. Nga figura shihet se modeli i djathtë, kur mbivendoset në hapësirë, nuk përkon me atë të majtë. Kjo veti e një objekti që të jetë e papajtueshme me imazhin e tij të pasqyrës së sheshtë zakonisht quhet kiraliteti.

Izomerët optikë që janë imazhe pasqyruese të njëri-tjetrit quhenantipode(enantiomere). Ata rrotullojnë rrafshin e polarizimitnë drejtime të ndryshme në të njëjtat kënde.

Acidet laktike dhe mish-laktike janë antipode (enantiomere). Këta stereoizomerë rrotullojnë rrafshin e polarizimit në drejtime të ndryshme në të njëjtat kënde.

Një përzierje me numër të barabartë antipodësh është optikisht joaktive për shkak të kompensimit të rrotullimit dhe quhetracemate.

Kështu, acidi laktik i marrë në mënyrë sintetike nuk ndikon në dritën e polarizuar. Ai përbëhet nga një përzierje e sasive të barabarta të formave majtas dhe djathtas, është optikisht joaktiv dhe shënohet (±) - acid laktik.

Për lehtësinë e përshkrimit të strukturës hapësinore të përbërjeve optikisht aktive, të ashtuquajturat formulat e projeksionit të propozuara nga Fischer, e marrë duke projektuar modele tetraedrale të molekulave në rrafshin e vizatimit

Gjatë përdorimit të tyre, duhet të mbahet mend se lëvizja e formulave të projeksionit, vendosja e tyre ndaj njëra-tjetrës lejohet vetëm në rrafshin e vizatimit. Kuptohet gjithashtu që grupet e sipërme dhe të poshtme janë prapa planit të vizatimit, grupet anësore janë para tij. Formulat e projeksionit të acidit laktik të djathtë dhe të majtë, që i nënshtrohen këtyre rregullave, natyrisht nuk kombinohen.

Një pikë shumë e rëndësishme e izomerizmit optik është se madhësia dhe drejtimi i rrotullimit të planit të polarizimit të dritës nuk varen drejtpërdrejt nga konfigurimi (struktura hapësinore). lidhjet.

Për shembull, esteret dhe eteret e acidit laktik të djathtë, që kanë të njëjtin konfigurim si vetë acidi, kanë rrotullim majtas.

Nga kjo rezulton se shenja e rrotullimit të njërit prej anëtarëve të një sërë substancash të ngjashme në strukturën kimike nuk mund të shërbejë ende si një karakteristikë e konfigurimit dhe shenjës së rrotullimit të pjesës tjetër të anëtarëve të saj.

Shtrohet pyetja nëse dihen dhe si përcaktohen konfigurimet e izomerëve optikë për substanca të ndryshme. Metodat kimike nuk lejojnë vendosjen e konfigurimit absolut (të vërtetë) të antipodeve për shkak të identitetit të vetive kimike të antipodeve. Në të njëjtën kohë, këto metoda mund të përcaktojnë konfigurimin relativ të izomerëve optikë. Komponimet optikisht aktive mund të konvertohen kimikisht në njëra-tjetrën pa ndryshuar konfigurimin. Pastaj, nëse dihet konfigurimi i lidhjes origjinale "referencë", lidhja e marrë prej saj do të ketë të njëjtin konfigurim.

Në 1891 Fischer dhe në 1906 Rozanov sugjeruan përdorimin e së drejtës (+)-gliceraldehid. Atij iu caktua në mënyrë arbitrare konfigurimi " D". Antipodi i tij, (–)-gliceraldehid, respektivisht, duke pasur parasysh konfigurimin " L».

Kjo bëri të mundur instalimin konfigurim relativ stereoizomerët optikë me mjete kimike. Në këtë rast, derivateve të D(+)-gliceraldehidit u caktohet një konfigurim relativ D.

Për shembull, konfigurimi relativ i acidit laktik është vendosur duke konvertuar gliceraldehidin në acid laktik.

Doli që D(+)-gliceraldehidi korrespondon në konfigurim me acidin laktik D(-)-laktik të majtë.

Vetëm në vitin 1951, konfigurimi absolut i D-gliceraldehidit u vendos nga analiza me rreze X. Doli se zgjedhja e konfigurimit të tij ishte e saktë. Kështu, tashmë janë bërë të njohura konfigurimet absolute të shumë substancave.

Përveç të përshkruarit DL- nomenklatura për të përcaktuar konfigurimin e stereoizomerëve optikë, të ashtuquajturit RS-nomenklatura e Kahn, Ingold, Prelog, që nuk lidhet me konfigurimin e lidhjes së referencës ("standarde"). Është përshkruar në literaturën arsimore.

Acid laktik, CH3-CHOH-COOH

Acidi laktik fitohet nga fermentimi i nitrilit të acidit laktik ose acidit laktik të substancave me sheqer.

Përdoret në industrinë e lëkurës dhe në ngjyrosjen e pëlhurave.

Acidi i mollës

Është një acid dybazik, triatomik. Në terma kimikë, ai shfaq vetitë e acideve α- dhe β-hidroksi, pasi hidroksili është në pozicionin α në lidhje me një grup acid, dhe në pozicionin β në lidhje me tjetrin. Kur restaurohet, jep acidi succinic, me dehidrim - maleik ose fumarik:

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

Acidi malik ka një atom karboni asimetrik dhe është optikisht aktiv.

Acidet malike majtas dhe djathtas shkrihen në 100°C. Racemate - në 130–131 °C. Në natyrë, forma e majtë e acidit malik gjendet: në hirin e malit, mollët, rrushin.

Acidet tartarike ( dihidroksisucinik)

Ata kanë të njëjtën formulë strukturore

dhe ndryshojnë në strukturën hapësinore.

Siç vijon nga formula, acidi tartarik ka dy atome karboni asimetrike. Numri i izomerëve optikë për komponimet që kanë disa atome asimetrike të karbonit në strukturën molekulare gjendet me formulën N=2 n , Kunështë numri i atomeve asimetrike të karbonit.

Prandaj, për acidin tartarik, duhet të priten katër stereoizomerë optikë:

Në përputhje me rregullat për trajtimin e formulave të projeksionit, kur dy format e fundit mbivendosen mbi njëra-tjetrën, ato rezultojnë të jenë identike (një nga format duhet të rrotullohet në rrafshin e vizatimit me 180 °). Kështu, në vend të katër formave stereoizomerike, acidi tartarik realizohet në tre. Përveç kësaj, stereoizomeri i tretë (III) rezulton të jetë optikisht joaktiv për shkak të simetrisë së tij (rrafshi i simetrisë tregohet në figurë): rrotullimi i planit të polarizimit të dritës i shkaktuar nga tetraedri i sipërm kompensohet plotësisht nga rrotullimi i tetraedri i poshtëm, i cili është i barabartë në madhësi, por i kundërt në shenjë. Para nesh është një shembull i një forme stereoizomerike me atome karboni asimetrik, optikisht joaktive për shkak të simetrisë së saj. Të tilla stereoizomere quhen mezoforma.

Stereoizomerët e një substance që nuk janë imazhe pasqyruese të njëri-tjetrit quhen diastereoizomere. Sipas këtij përkufizimi, forma e parë dhe e dytë hapësinore e acidit tartarik janë diastereomerë në lidhje me acidin mezotartarik (dhe anasjelltas).

Sepse antipode kanë të njëjtën strukturë (vetëm inverse spekulare), vetitë e tyre, me përjashtim të lidhjes së tyre me dritën e polarizuar, janë gjithashtu të njëjta. diastereomerë nuk janë identike në strukturën e tyre hapësinore, kështu që vetitë e tyre janë paksa të ndryshme.

Duke përfunduar analizën e izomerizmit hapësinor të acidit tartarik, mund të themi se ai përfaqësohet nga dy antipode (forma I dhe II), racemati i tyre, i quajtur acid tartarik dhe mezoforma diastereomerike (III).

Acidi dekstrorotator, (+)-tartarik është shumë i zakonshëm në natyrë, veçanërisht në lëngun e rrushit. Gjatë fermentimit të lëngut të rrushit, ai lirohet në formën e tartarit, i përbërë nga tartrati acid kaliumi.

Kjo kripë përdoret si zbutës në ngjyrosjen dhe shtypjen e tekstileve.

Një tjetër kripë kalium-natriumi e acidit tartarik (+) - e ashtuquajtura kripë Rochelle,

përdoret si piezokristal në inxhinierinë radio. Është pjesë e lëngut të Fehling, i cili përdoret për përcaktimin analitik të agjentëve reduktues (për shembull, aldehidet).

Acidi mezo-tartarik përftohet së bashku me acidin e rrushit duke zier për disa orë (+)-acid tartarik me tepricë të sodës kaustike.

Acidi limoni

Gjendet mjaft shpesh në natyrë: në panxhar, patëllxhanë, rrush, limon, mjedër, gjethe duhani. Optikisht joaktiv.

Acidi citrik përdoret në industrinë ushqimore, ngjyrosje, fotografi, ruajtje të gjakut etj.

acidet aldonike

acidet aldonike janë acide polihidroksikarboksilike të formulës së përgjithshme HOCH 2 n COOH, të cilat formalisht janë produkte oksidimi të grupit aldehid karbohidratet(aldozë). Metoda më tipike laboratorike për sintezën e acideve aldonike është oksidimi i aldozave lehtësisht të disponueshme me bromin në tretësirën ujore të tij.

Acidet aldonike dhe derivatet e tyre luajnë një rol të rëndësishëm në kiminë sintetike të monosakarideve.

Metodat për ndarjen e racemateve në komponentë optikisht aktivë

Aktualisht, nevoja për substanca të pastra enantiomerike po rritet me shpejtësi për prodhimin e preparateve mjekësore moderne shumë efektive, si dhe për nevojat e bujqësisë dhe mbrojtjes së pyjeve: prodhimin e insekticideve të reja shumë aktive, herbicideve, fungicideve dhe substancave të tjera selektive për dëmtuesit. kontrollin. Marrja e substancave enantiomerisht të pastra për këto qëllime është e mundur ose përmes zhvillimit të metodave për sintezën e tyre të plotë kimike (një numër arritjesh në këtë fushë janë vlerësuar me çmime Nobel në kimi), ose me ndarjen e përzierjeve racemike. Le të shqyrtojmë parimet e disa metodave për ndarjen e racemateve në përbërës optikisht aktivë.

– përzgjedhje mekanike. Gjatë kristalizimit, racematet ndonjëherë kristalizohen veçmas në formë djathtas dhe majtas. Për më tepër, kristalet e tyre në formë lidhen me njëri-tjetrin si një objekt për imazhin e tij pasqyrues. Në këtë rast, ato mund të zgjidhen mekanikisht nga pamja e tyre.

– ndarje biokimike. Bazohet në faktin se mikroorganizmat gjatë aktivitetit të tyre jetësor janë në gjendje të konsumojnë në mënyrë preferenciale vetëm një nga izomerët optikë. Zakonisht kjo formë optike është më e zakonshme në natyrë. Prandaj, gjatë riprodhimit dhe mbirjes së kërpudhave në një zgjidhje racemate, pas një kohe mbetet vetëm një formë optikisht aktive.

– Metodat e bazuara në ndryshimin në vetitë e diastereomerëve

Kështu, kripërat e antipodeve të një acidi optikisht aktiv me të njëjtën bazë optikisht aktive duhet të japin diastereomere me tretshmëri të ndryshme. Kjo u lejon atyre të ndahen me anë të kristalizimit.

Prezantimi

1. Aktiviteti optik

1.1 Substancat optike aktive

1.2 Shkaqet fizike të aktivitetit optik

1.2 a. Modeli fenomenologjik

1.2 b. Teoria kuantike

1.2 inç. Teoria korpuskulare

2. Molekulat kirale

2.1 Grupet e simetrisë së pikës

2.1 a. Boshti i vet i simetrisë

2.1 b. Boshti jo i duhur i simetrisë

2.1 inç. Llojet e grupeve të simetrisë së pikës

2.2 Përkufizimi simetrik i kiralitetit

2.3 Llojet e kiralitetit

3. Nomenklatura e enantiomereve

3.1 Sipas konfigurimit: R - dhe S

3.2 Aktiviteti optik: +/-

3.3 Sipas konfigurimit: D - dhe L-

4. Metodat e konfigurimit

4.1 Përkufizimi absolut i konfigurimit

4.1 a. Difraksioni i rrezeve X

4.1 b. Llogaritja teorike e rrotullimit optik

4.2 Përkufizimi relativ i konfigurimit

4.2 a. Korrelacioni kimik

4.2 b. Vendosja e konfigurimit relativ duke përdorur metoda fizike

5. Metodat për ndarjen e enantiomereve

5.1 Shkëputja nëpërmjet diastereomerëve

5.2 Rezolucioni kromatografik

5.3 Ndarja mekanike

5.4 Tretja enzimatike

5.5 Vendosja e pastërtisë optike

konkluzioni

Letërsia

Prezantimi

Midis përbërjeve organike ka substanca të afta të rrotullojnë rrafshin e polarizimit të dritës. Ky fenomen quhet aktivitet optik, dhe substancat përkatëse quhen optikisht aktive. Substancat optikisht aktive gjenden në formën e çifteve të antipodeve optike - izomereve, vetitë fizike dhe kimike të të cilave janë të njëjta në kushte normale, me përjashtim të një - shenjës së rrotullimit të planit të polarizimit. (Nëse një nga antipodet optike ka, për shembull, një rrotullim specifik (+20 o, atëherë tjetri ka një rrotullim specifik - 20 o).

Izomerizmi optik shfaqet kur një atom karboni asimetrik është i pranishëm në molekulë; ky është emri i një atomi karboni të lidhur me katër zëvendësues të ndryshëm. Dy rregullime tetraedrale të zëvendësuesve rreth një atomi asimetrik janë të mundshme. Të dyja format hapësinore nuk mund të kombinohen me asnjë rrotullim; njëra prej tyre është një pasqyrë e tjetrës:

Ky lloj izomerizmi quhet edhe izomerizëm optik, izomeri pasqyrë ose enantiomeri. Të dyja format e pasqyrës formojnë një palë antipode optike ose enantiomere.

Në 1815, fizikani francez Jean Baptiste Biot dhe fizikani gjerman Thomas Seebeck vërtetuan se disa substanca organike (për shembull, sheqeri ose terpentina) kanë aftësinë të rrotullojnë rrafshin e polarizimit të dritës, në një kristal, të lëngët, të tretur dhe madje të gaztë. gjendje (Ky fenomen u zbulua për herë të parë në vitin 1811 fizikani francez François Dominique Arago pranë kristaleve të kuarcit). Pra, u vërtetua se aktiviteti optik mund të shoqërohet jo vetëm me asimetrinë e kristaleve, por edhe me disa veti të panjohura të vetë molekulave. Doli se disa komponime kimike mund të ekzistojnë në formën e varieteteve të djathta dhe të majta, dhe analiza kimike më e kujdesshme nuk zbulon ndonjë ndryshim midis tyre. Ky ishte një lloj i ri i izomerizmit, i cili u quajt izomerizëm optik. Doli se përveç djathtas - dhe të majtës, ekziston një lloj i tretë izomerësh - optikisht joaktiv. Kjo u zbulua në vitin 1830 nga kimisti i famshëm gjerman Jens Jakob Berzelius duke përdorur shembullin e acidit të rrushit (dihidroksisucinik) HOOC-CH (OH) - CH (OH) - COOH: ky acid është optikisht joaktiv, dhe acidi tartarik me të njëjtën përbërje. ka rrotullim të drejtë në tretësirë. Më vonë, u zbulua acidi tartarik "i majtë", i cili nuk gjendet në natyrë - antipodi i dekstrorotatorit.

Izomerët optikë mund të dallohen duke përdorur një polarimetër - një pajisje që mat këndin e rrotullimit të planit të polarizimit. Për tretësirat, ky kënd varet në mënyrë lineare nga trashësia e shtresës dhe përqendrimi i substancës optikisht aktive (ligji i Biot-it). Për substanca të ndryshme, aktiviteti optik mund të ndryshojë në një gamë shumë të gjerë. Pra, në rastin e tretësirave ujore të aminoacideve të ndryshme në 25 ° C, aktiviteti specifik (ai caktohet si D dhe matet për dritën me një gjatësi vale 589 nm në një përqendrim 1 g / ml dhe një trashësi shtresë 10 cm) është - 232 ° për cistinën, - 86, 2 ° për prolinën, -11,0 ° për leucinën, +1,8 ° për alaninën, +13,5 ° për lizinën dhe +33,2 ° për asparaginën.

Polarimetrat modernë bëjnë të mundur matjen e rrotullimit optik me saktësi shumë të lartë (deri në 0,001°). Matjet e tilla bëjnë të mundur përcaktimin e shpejtë dhe të saktë të përqendrimit të substancave optikisht aktive, për shembull, përmbajtjes së sheqerit në tretësirë në të gjitha fazat e prodhimit të tij - nga produktet e papërpunuara deri te solucionet e koncentruara dhe melasa.

Aktiviteti optik i kristaleve të fizikës u shoqërua me asimetrinë e tyre; Kristalet plotësisht simetrike, të tilla si kristalet kub të kripës, janë optikisht joaktive. Arsyeja e aktivitetit optik të molekulave mbeti krejtësisht misterioze për një kohë të gjatë. Zbulimi i parë që hodhi dritë mbi këtë fenomen u bë në vitin 1848 nga Louis Pasteur i panjohur në atë kohë. Pasteur, i cili identifikoi dy antipode të acidit tartarik, të cilat u quajtën enantiomere (nga greqishtja enantios - e kundërta). Pasteur prezantoi për ta emërtimet L - dhe D-izomerë (nga fjalët latine laevus - majtas dhe dexter - djathtas). Më vonë, kimisti gjerman Emil Fischer i lidhi këto emërtime me strukturën e dy enantiomerëve të një prej substancave më të thjeshta optike aktive - gliceraldehidit OHCH2-CH (OH) - CHO. Në vitin 1956, me sugjerimin e kimistëve anglezë Robert Kahn dhe Christopher Ingold dhe kimistit zviceran Vladimir Prelog, emërtimet S (nga latinishtja sinister - majtas) dhe R (latinisht rectus - djathtas) u prezantuan për izomerët optikë; Racemati shënohet me simbolin RS. Sidoqoftë, sipas traditës, emërtimet e vjetra përdoren gjithashtu gjerësisht (për shembull, për karbohidratet, aminoacidet). Duhet të theksohet se këto shkronja tregojnë vetëm strukturën e molekulës (rregullimi "djathtas" ose "majtas" i grupeve të caktuara kimike) dhe nuk lidhen me drejtimin e rrotullimit optik; kjo e fundit shënohet me shenja plus dhe minus, për shembull, D (-) - fruktozë, D (+) - glukozë.

Teoria që shpjegon ndryshimin midis molekulave antipode u krijua nga shkencëtari holandez van't Hoff. Sipas kësaj teorie, molekulat, si kristalet, mund të jenë "djathtas" dhe "majtas", duke qenë një imazh pasqyrë i njëra-tjetrës. Struktura të tilla, që ndryshojnë nga njëra-tjetra si dora e djathtë nga e majta, quhen kirale (nga greqishtja. trashëgimtar - dorë). Kështu, aktiviteti optik është pasojë e izomerizmit hapësinor (stereoizomerizmit) të molekulave.

izomerizmi optik kiraliteti evantiomer

Teoria e Van't Hofit, e cila hodhi themelet e stereokimisë moderne, fitoi njohje të përgjithshme dhe krijuesi i saj në vitin 1901 u bë fituesi i parë i çmimit Nobel në kimi.

1. Aktiviteti optik

Aktiviteti optik është aftësia e një mediumi (kristalet, tretësirat, avujt e një lënde) për të shkaktuar rrotullimin e planit të polarizimit të rrezatimit optik (dritës) që kalon nëpër të.

Manifestohet në ato raste kur izomerët e të njëjtit përbërje, në lidhje me pozicione të ndryshme të zëvendësuesve të caktuara qendër, i papajtueshëm në hapësirë. Për derivatet e serisë alifatike, izomerizmi shoqërohet me veçoritë stereokimike të atomit hibrid të karbonit sp 3.

Edhe Le Bel në fund të shekullit të 18-të sugjeroi strukturën tetraedrale të atomit të karbonit. Nëse lidhet një atom karboni me katër të ndryshme zëvendësues, ekziston mundësia e ekzistencës së 2 izomerëve, të cilët janë imazhe pasqyre të njëri-tjetrit.

Një atom karboni që ka të gjithë zëvendësuesit e ndryshëm quhet asimetrike ose kirale qendër ("hiros" - dorë).

Konsideroni shembullin e formulave premtuese:

Stereoizomerët I dhe II nuk janë të pajtueshëm në hapësirë, janë antipode ose izomerë optikë ( enantiomere, stereomerë).

Formulat e projeksionit të Fisher

Le të shqyrtojmë formulat e perspektivës në një plan tjetër.

Le të vendosim qendrën asimetrike (atomin e karbonit) në rrafshin e fletës; deputetë a Dhe b prapa planit të fletës ( nga vëzhgues); deputetë f Dhe d mbi planin e fletës ( më afër vëzhgues) - në përputhje me shigjetat që tregojnë drejtimin e shikimit të vëzhguesit. Ne marrim një drejtim reciprok pingul të lidhjeve me qendrën kirale. Një ndërtim i tillë izomerësh quhet formula e projeksionit Fisher.

Kështu, në formulat e projeksionit të Fischer, zëvendësuesit e vendosur horizontalisht drejtohen drejt vëzhguesit, dhe vertikalisht - përtej rrafshit të fletës.

Gjatë ndërtimit të formulave të projeksionit, zëvendësuesit më voluminoz janë rregulluar vertikalisht. Nëse zëvendësuesit janë atome ose grupe të vogla që nuk kanë lidhje me zinxhirin kryesor, atëherë ato janë të renditura horizontalisht. Për 2-bromobutanin

janë dy antipodi:

Enantiomerët, antipodet, stereomeret janë praktikisht të padallueshëm për nga vetitë (zierja e t, shkrirja t, etj.), dhe gjithashtu kanë konstante të ngjashme termodinamike. Në të njëjtën kohë, ato kanë dallime:

4) - antipodet e ngurta kristalizohen me formimin e kristaleve që janë si pasqyrë me njëri-tjetrin, por jo të pajtueshëm në hapësirë.

5) - antipodet rrotullojnë rrafshin e dritës së polarizuar në të njëjtin kënd, por në drejtime të ndryshme. Nëse këndi i rrotullimit të dritës është pozitiv (në drejtim të akrepave të orës), atëherë antipodi quhet dekstrorotator, nëse është negativ (në drejtim të kundërt), atëherë ai është i majtë.

Këndi i rrotullimit optik të dritës së polarizuar të rrafshët shënohet me [ α D]. Nëse [ α D]= -31,2°, më pas u studiua antipodi levorotator.

Pajisja e polarimetrit

Substancat që mund të rrotullojnë rrafshin e dritës së polarizuar quhen optikisht aktive ose optikisht aktive.

Një përzierje e dy enantiomerëve në një raport 1:1 nuk e rrotullon rrafshin e dritës së polarizuar dhe quhet një përzierje racemike, një racemate.

Nëse një antipod mbizotëron mbi tjetrin në përzierje, atëherë dikush flet për pastërtinë e tij optike (ee). Ajo llogaritet nga diferenca në përmbajtjen e enantiomerëve në përzierje.

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

Aminet sekondare dhe terciare mund të ketë edhe aktivitet optik. Zëvendësuesi i katërt është çifti i vetëm i elektroneve në atomin e azotit.

5.4.1 Diastereomerë

Diastereometria është një fenomen që ka një efekt më domethënës në vetitë e substancave dhe vërehet në rastet kur në përbërje ka dy ose më shumë qendra asimetrike. Për shembull:

4-kloropentanol-2

Le të përshkruajmë të gjitha antipodet e mundshme për lidhje (I-IV):

Izomerët optikë (stereoizomerët) të së njëjtës përbërje që nuk janë antipode quhen diastereomere. Domethënë, çiftet e izomerëve I dhe III, I dhe IV, II dhe III, II dhe IV janë çifte diastereomere. Numri i izomerëve llogaritet me formulën: q \u003d 2 n, ku

q është numri i përgjithshëm i stereoizomerëve,

n është numri i qendrave asimetrike (C*).

Për shembull, glukoza ka 4 qendra kirale, pastaj q = 2 4 = 16 (D-glukoza - 8 izomere, L-glukoza - 8 izomere).

D-glukoza

Në natyrë, ka raste kur atomet asimetrike në një përbërje kanë të njëjtin mjedis. Kjo çon në faktin se gjysma e antipodeve nuk janë optikisht aktive.

acidi i verës

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mezoformë

Mesoform është një formë optikisht joaktive që rezulton nga simetria e brendshme në një substancë optikisht aktive.

Ndryshe nga antipodet, diastereomeret ndryshojnë në pikën e vlimit, densitetin (d 4 20), indeksin e thyerjes (n 4 20), etj.