Imaju li optički izomeri sljedeća jedinjenja. Prostorna izomerija. Optički aktivne tvari

Prostorni izomeri (stereoizomeri) imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav i isti redoslijed vezivanja atoma (hemijska struktura), ali različit prostorni raspored atoma u molekuli.

Postoje dvije vrste prostorne izomerije: optički i geometrijski.

Optička izomerija

U optičkoj izomeriji različiti fragmenti molekula nalaze se različito u odnosu na određeni atom, tj. imaju različite konfiguracija. Na primjer:

Takvi molekuli nisu identični, međusobno se odnose kao objekt i njegova zrcalna slika i nazivaju se enantiomeri.

Enantiomeri imaju svojstva kiralnosti. Najjednostavniji slučaj kiralnosti nastaje zbog prisutnosti u molekuli centar hiralnosti(hiralni centar), koji može biti atom koji sadrži četiri različita supstituenta. Takvom atomu nedostaju elementi simetrije. Iz tog razloga naziva se i asimetričnim.

Da bi se ustanovilo je li molekul kiralan, potrebno je izgraditi njegov model, model njegove zrcalne slike (slika 3.1. , a) i saznajte odgovaraju li zajedno u svemiru. Ako se ne podudaraju, molekula je kiralna (slika 3.1, b), ako se podudaraju, ahiralna je.

Pirinač. 3.1.

Sva hemijska svojstva enantiomera su identična. Njihova fizička svojstva su također ista, s izuzetkom optičke aktivnosti: jedan oblik rotira ravninu polarizacije svjetlosti ulijevo, a drugi za isti kut udesno.

Mješavina jednakih količina optičkih antipoda ponaša se kao pojedinačni kemijski spoj, lišen optičke aktivnosti i po fizičkim svojstvima vrlo različit od svakog od antipoda. Takva tvar se naziva racemična smjesa, ili racemate.

Za sve kemijske transformacije u kojima nastaju novi asimetrični atomi ugljika uvijek se dobiju racemati. Postoje posebne metode za odvajanje racemata u optički aktivne antipode.

U slučaju prisutnosti nekoliko asimetričnih atoma u molekuli, moguća je situacija da prostorni izomeri nisu optički antipodi. Na primjer:

Zovu se prostorni izomeri koji međusobno nisu enantiomeri dijastereomeri.

Poseban slučaj dijastereomera je geometrijski (cistrais-) izomere.

Geometrijska izomerija

Geometrijska (cis-trans) izomerija je karakterističan za spojeve koji sadrže dvostruke veze (C = C, C = N, itd.), kao i za ne-aromatične ciklične spojeve te je posljedica nemogućnosti slobodne rotacije atoma oko dvostruke veze ili u ciklusu. Supstituenti u geometrijskim izomerima mogu se nalaziti na jednoj strani ravni dvostruke veze ili ciklusa - ^ wc -pozicija, ili na suprotnim stranama - thirsch / c -pozicija (slika 3.2).

Pirinač. 3.2. Dis izomer (a) itrans-izomer(b)

Geometrijski izomeri obično se značajno razlikuju po fizičkim svojstvima (tačke ključanja i topljenja, rastvorljivost, dipolni momenti, termodinamička stabilnost itd.)

Izraz "kiralnost" znači da su dva objekta u takvom međusobnom odnosu, kao što su lijeva i desna ruka (od grč. Stolica - ruka), tj. su zrcalne slike koje se ne podudaraju kada ih pokušavate kombinirati u prostoru.

Sadržaj članka

OPTIČKA IZOMERIJA."Kad molekula gleda u ogledalo" bio je neobičan naslov članka objavljenog u junskom izdanju američkog časopisa Chemical Education. A na prvoj stranici naslovnice ovog broja bio je i neobičan crtež. Sa strane psa, dobrodušno mašući repom, nalazila se strukturna formula penicilamina. Pas se pogledao u ogledalo, a odatle ga je pogledala strašna zvijer s golim iskrzanim ustima i dlakom na glavi. Na strani zvijeri ista je strukturna formula prikazana kao zrcalna slika prve. Zašto onda jedna te ista tvar ima tako različit izgled? To se objašnjava posebnim svojstvom nekih kemijskih spojeva, koje je usko povezano s njihovom optičkom aktivnošću.

Polarizacija svjetlosti i optička aktivnost.

Početkom 19. stoljeća. Engleski fizičar, astronom i ljekar Thomas Jung pokazao je da se svjetlost može posmatrati kao val. Francuski fizičar Augustin Fresnel ustanovio je da su svjetlosni valovi poprečni: vibracije u njima nastaju okomito na smjer kretanja (poput valova na površini vode: val trči naprijed, a plovak na vodi vibrira gore -dolje). Već u 20. vijeku. otkriveno je da je svjetlost elektromagnetski val, poput radio vala, samo što je valna duljina svjetlosti mnogo kraća. Izraz "elektromagnetsko" znači da svjetlost ima električna i magnetska polja koja periodično osciliraju, poput valova na površini mora. Sada nas zanimaju samo oscilacije električnog polja. Ispostavilo se da se ove vibracije ne pojavljuju nasumično, već samo okomito na smjer svjetlosnog snopa. U običnom svjetlu (emitira ga, na primjer, sunce, žarulje sa žarnom niti) vibracije se javljaju nasumično, u svim smjerovima. No, nakon što je prošao kroz neke kristale, na primjer, turmalin ili islandski lopatica (prozirna raznolikost CaCO 3 kalcita), svjetlost dobiva posebna svojstva: kristal, takoreći, "odsijeca" sve oscilacije električnog polja, osim koji se nalazi u određenoj ravni. Slikovito rečeno, snop takve svjetlosti je poput vunene niti koja je provučena kroz uski razmak između dvije oštre britvice.

Francuski fizičar Etienne Louis Malus vjerovao je da se svjetlost sastoji od čestica sa dva pola - "sjevernim" i "južnim", a u svjetlu koje je prolazilo kroz islandski spar, svi su polovi okrenuti u istom smjeru. Stoga je on nazvao ovu svjetlost polariziranom. Utvrđeno je da je svjetlost djelomično polarizirana, reflektirajući se pod nekim kutovima od sjajnih površina dielektrika, na primjer, od stakla, ili se u njima lomi. Malusova teorija nije potvrđena, ali je ime ostalo. Ljudsko oko ne može razlikovati običnu svjetlost od polarizirane, ali to je lako učiniti uz pomoć najjednostavnijih optičkih uređaja - polarimetara; Koriste ih, na primjer, fotografi: polarizacijski filteri pomažu u uklanjanju odsjaja na fotografiji, koji nastaje kada se svjetlost reflektira s površine vode.

Pokazalo se da kada polarizirana svjetlost prolazi kroz neke tvari, dolazi do zanimljivog fenomena: ravnina u kojoj se nalaze "strelice" oscilirajućeg električnog polja postepeno se okreće oko osi po kojoj snop putuje. Ovaj fenomen je prvi otkrio 1811. godine francuski fizičar François Dominique Arago u kristalima kvarca. Prirodni kristali kvarca imaju nepravilnu, asimetričnu strukturu i dvije su vrste koje se razlikuju po svom obliku, poput predmeta od zrcalne slike. Ovi kristali rotiraju ravninu polarizacije svjetlosti u suprotnim smjerovima; zvali su se desni i levogirat.

1815. drugi francuski fizičar Jean Baptiste Biot i njemački fizičar Thomas Seebeck utvrdili su da neke organske tvari (na primjer, šećer ili terpentin) također imaju ovo svojstvo, i to ne samo u kristalnom stanju, već i u tekućem, otopljenom, pa čak i plinovitom stanju država. Tako je dokazano da se optička aktivnost može povezati ne samo s asimetrijom kristala, već i s nekim nepoznatim svojstvom samih molekula. Pokazalo se da, kao i u slučaju kristala, neki kemijski spojevi mogu postojati u obliku i desnih i levogiratnih sorti, a najpažljivija kemijska analiza ne otkriva nikakve razlike među njima! U stvari, ovo je bila nova vrsta izomerije, koja se zvala optička izomerija. Pokazalo se da osim desnog i levogirata postoji i treća vrsta izomera - optički neaktivna. Ovo je 1830. godine otkrio poznati njemački hemičar Jones Jakob Berzelius na primjeru grožđe (dihidroksi sukcinske) kiseline HOOC - CH (OH) –CH (OH) –COOH: ova kiselina je optički neaktivna, a vinska kiselina potpuno iste kompozicija ima desnu rotaciju u rastvoru. Kasnije je otkrivena i nije pronađena u prirodi "lijeva" vinska kiselina - antipod dekstrorotacijske.

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

Otkriće Pastera.

Fizičari su povezivali optičku aktivnost kristala s njihovom asimetrijom; potpuno simetrični kristali, na primjer, kubni kristali natrijevog klorida, optički su neaktivni. Razlog optičke aktivnosti molekula dugo je ostao potpuno tajanstven. Prvo otkriće koje je rasvijetlilo ovaj fenomen napravio je 1848. godine Louis Pasteur, tada nikome nepoznat. Još dok je bio student, Pasteur je bio zainteresiran za kemiju i kristalografiju, radeći pod vodstvom fizičara Jean-Baptiste Bioa i istaknutog francuskog kemičara Jean Baptiste Dumas. Nakon što je završio Višu normalnu školu u Parizu, mladi (imao je samo 26 godina) Pasteur radio je kao laboratorijski pomoćnik Antoine Balard. Balar je već bio poznati kemičar koji je 22 godine ranije postao poznat po otkriću novog elementa - broma. On je svom asistentu dao temu iz kristalografije, ne sugerirajući da bi to dovelo do izvanrednog otkrića.

Tijekom svog istraživanja, Pasteur je dobio kiselu natrijevu sol vinske kiseline C 4 H 5 O 6 Na, zasitio otopinu amonijakom i polaganim isparavanjem vode dobio prekrasne prizmatične kristale natrij-amonijeve soli C 4 H 3 O 6 NaNH 4. Pokazalo se da su ti kristali asimetrični, neki su bili poput zrcalne slike drugih: polovica kristala imala je jedno karakteristično lice s desne strane, dok su drugi - s lijeve strane. Naoružan povećalom i pincetom, Pasteur je podijelio kristale na dvije hrpe. Njihova rješenja, očekivano, imala su suprotnu optičku rotaciju. Pasteur tu nije stao. Iz svakog rastvora izolovao je originalnu kiselinu (koja je bila neaktivna). Zamislite njegovo iznenađenje kada se ispostavilo da je jedno rješenje dobro poznata okretna vinska kiselina, a drugo ista kiselina, ali rotirajuća ulijevo!

Sjećanja očevidaca svjedoče o nevjerovatnom nervoznom uzbuđenju mladog naučnika, koje ga je u tom trenutku obuzelo; shvativši u čemu je uspio, Pasteur je istrčao iz laboratorije i, srevši laborantkinju u prostoriji za fiziku, pojurio k njemu i zagrlivši ga, uzviknuo: "Upravo sam došao do velikog otkrića!" Sastojala se u činjenici da je odavno poznata neaktivna vinska kiselina samo mješavina jednakih količina također poznate "desne" vinske kiseline i prethodno nepoznate "lijeve". Zbog toga smjesa nije optički aktivna. Za takvu mješavinu počeli su koristiti naziv racemat (od latinskog racemus - grožđe). Dva antipoda vinske kiseline koje je dobio Pasteur zvali su se enantiomeri (od grčkog enantios - suprotno). Pasteur je za njih uveo L- i D -izomere (od latinskih riječi laevus - lijevo i dexter - desno). Kasnije je njemački kemičar Emil Fischer ove oznake povezao sa strukturom dva enantiomera jedne od najjednostavnijih optički aktivnih tvari - glicerolnog aldehida OHCH 2 –CH (OH) –CHO. Godine 1956., na prijedlog engleskih kemičara Roberta Kahna i Christophera Ingolda i švicarskog kemičara Vladimira Preloga, uvedene su oznake S (od latinskog sinister - lijevo) i R (latinski rectus - desno) za optičke izomere; racemat je označen simbolom RS. Međutim, tradicionalno se stare oznake također široko koriste (na primjer, za ugljikohidrate, aminokiseline). Treba napomenuti da ova slova označavaju samo strukturu molekula ("desni" ili "lijevi" raspored određenih kemijskih grupa) i nisu povezana sa smjerom optičke rotacije; potonji je označen znakovima plus i minus, na primjer, D ( -) - fruktoza, D (+) - glukoza.

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

Treća metoda za odvajanje racemata bila je čisto kemijska. Ali za njega je bilo potrebno unaprijed imati optički aktivnu tvar koja bi, u interakciji s racemskom smjesom, "odabrala" samo jedan enantiomer iz nje. Na primjer, optički aktivna organska baza formirala je s vinskom kiselinom optički aktivnu sol iz koje se mogao izolirati odgovarajući enantiomer vinske kiseline.

Teorija optičke izomerije.

Pasterov rad, koji je dokazivao mogućnost "cijepanja" optički neaktivnog spoja na antipode - enantiomere, u početku je izazvao nevjericu kod mnogih kemičara. Čak ni sam Bio nije vjerovao svom pomoćniku sve dok on osobno nije ponovio svoje iskustvo i bio uvjeren da je Pasteur bio u pravu. Ovo i kasnija Pasterova djela privukla su veliku pažnju kemičara. Ubrzo je Joseph Le Bel, koristeći treću Pasterovu metodu, podijelio nekoliko alkohola u optički aktivne antipode. Johann Wislicenus je utvrdio da postoje dvije mliječne kiseline: optički neaktivna, nastala u kiselom mlijeku (fermentacijska mliječna kiselina) i dekstrorotacijska, koja se pojavljuje u radnom mišiću (mliječna kiselina). Takvih je primjera bilo sve više i bila je potrebna teorija koja bi objasnila kako se molekule antipoda razlikuju jedna od druge. Ovu teoriju stvorio je mladi holandski naučnik Van't Hoff. Prema ovoj teoriji, molekuli, poput kristala, mogu biti "desnoruki" i "ljevoruki", koji su međusobno zrcalne slike. Najjednostavniji primjer bio je ovaj. Atom ugljika u organskim spojevima je četverovalentan; četiri kemijske veze usmjerene su iz njega pod jednakim kutom prema vrhovima tetraedra. Ako su svi atomi ili skupine atoma koji se nalaze na vrhovima tetraedra i povezani sa središnjim atomom ugljika različiti, tada su moguće dvije različite strukture koje nisu međusobno poravnane rotacijom u prostoru. Ako su barem dva od četiri supstituenta jednaki, molekule će postati potpuno identične (to se lako može provjeriti pomoću modela šibica i obojenog plastelina). Takve strukture, koje se međusobno razlikuju po desnoj i lijevoj ruci, nazivaju se kiralne (od grčkog nasljednika - ruka). Dakle, optička aktivnost posljedica je prostorne izomerije (stereoizomerije) molekula.

Atom ugljika vezan za četiri različita supstituenta naziva se asimetričan. Atomi drugih elemenata - silicija, dušika, fosfora, sumpora - također mogu biti asimetrični. Međutim, spojevi bez asimetričnih atoma ugljika mogu biti i optički aktivni ako mogu postojati u obliku dva zrcalna izomera. Molekula će biti asimetrična ako u njoj nema elementa simetrije - nema centra, nema osi, nema ravnine simetrije. Primjer je molekula alena H 2 C = C = CH 2, u kojoj postoje dva različita supstituenta: R 1 R 2 C = C = CR 1 R 2. Poanta je u tome da ti supstituenti nisu u istoj ravnini (kao, na primjer, u alkenima), već u dvije međusobno okomite ravnine. Stoga je moguće postojanje dva zrcalna izomera, koji se ne mogu međusobno kombinirati nikakvim pomacima i rotacijama.

Složeniji odnosi nalaze se u slučaju molekula s nekoliko asimetričnih atoma ugljika. Na primjer, u vinskoj kiselini dvije hidroksilne skupine na dva susjedna atoma ugljika mogu se rasporediti tako da je molekula simetrična i da nema izomera ogledala. To dovodi do stvaranja drugog, optički neaktivnog, izomera, koji se naziva meso vinska (ili vinska kiselina). Tako dihidroksi sukcinska kiselina može biti u obliku četiri izomera: dekstrorotatorna (D-vinska kiselina, koja se u medicini naziva vinska kiselina), levorotatorna (L-vinska kiselina), optički neaktivna (mezo-vinska kiselina), a također i u oblik mješavine L- i R-izomera, odnosno racemata (i-vinska ili vinska kiselina). Optički aktivne vinske kiseline, pri dugotrajnom zagrijavanju vodenih otopina, se racemiziraju, pretvarajući se u mješavinu antipoda.

Situacija je još kompliciranija kada molekula ima mnogo asimetričnih centara. Na primjer, u molekuli glukoze ima ih četiri. Stoga je teoretski moguće da postoji 16 stereoizomera, koji tvore 8 parova zrcalnih antipoda. Hemičarima su odavno poznati; to su sama glukoza, kao i aloza, altroza, manoza, guloza, idoza, galaktoza i taloza. Mnogi od njih se prirodno pojavljuju, poput D-glukoze (ali ne i L-glukoze, koja je sintetički proizvedena).

Ako u tvari ima jednakih dijelova "desnih" i "lijevih" molekula, ona će biti optički neaktivna. Te se tvari dobivaju u tikvici kao rezultat konvencionalne kemijske sinteze. I samo u živim organizmima, uz sudjelovanje asimetričnih agenasa (na primjer, enzima), nastaju optički aktivni spojevi. Naravno, odmah se postavilo pitanje kako su se takvi spojevi pojavili na Zemlji, na primjer, ista prirodna okretna vinska kiselina ili "asimetrični" mikroorganizmi koji se hrane samo jednim od enantiomera. Zaista, u nedostatku čovjeka, nije bilo nikoga tko bi provodio usmjerenu sintezu optički aktivnih tvari, nije bilo nikoga tko je podijelio kristale na desno i lijevo! Međutim, takva su se pitanja pokazala toliko složenim da na njih još uvijek nema odgovora. Na primjer, nitko ne zna zašto gotovo sve prirodne aminokiseline, od kojih se grade proteini, pripadaju L-redu (S-konfiguracija), a njihovi se antipodi samo povremeno nalaze u nekim antibioticima.

Van't Hoffova teorija nije odmah stekla priznanje. Tako je izvanredni njemački eksperimentalni kemičar Adolf Kolbe (po njemu je nazvano nekoliko organskih reakcija) u svibnju 1877. objavio oštar članak u kojem je oštro kritizirao novu teoriju. Srećom, Kolbe je bio u jasnoj manjini, a Van't Hoffova teorija, koja je postavila temelje moderne stereokemije, stekla je opće priznanje, a njen tvorac 1901. postao je prvi dobitnik Nobelove nagrade za kemiju.

Ova teorija omogućila je objašnjenje mnogih hemijskih fenomena. Na primjer, u reakcijama supstitucije atoma halogena za hidroksilne skupine: u optički aktivnim alkil halidima R - X + OH - ® R - OH + X - (X je atom halogena), u nekim slučajevima, optička aktivnost nestaje, u drugima je sačuvan, ali mijenja znak. Pokazalo se da ova reakcija može ići na različite načine. Prvi mehanizam uključuje disocijaciju halogenida s stvaranjem intermedijarnih R + iona, koji se brzo spajaju s OH - anionima, dajući produktu reakcije alkohol. Ako je početni R - X halid imao optičku aktivnost, on se gubi kao rezultat ove reakcije, jer se hidroksil može približiti međuplanarnom kationu s obje strane, tako da nastaje smjesa enantiomera. Ako se reakcija odvija prema drugom mehanizmu, OH– anion se približava atomu ugljika sa strane suprotne od veze C - X i „istiskuje” atom halogena u obliku aniona. Ako je početni halogenid R 1 R 2 R 3 C - X imao optičku aktivnost, on se zadržava kao rezultat ove reakcije, ali je znak optičke rotacije obrnut. To se događa jer tri supstituenta na asimetričnom atomu ugljika R 1, R 2 i R 3, koji su, poput atoma halogena, na vrhovima tetraedra, pri pristupu napadajućeg agensa - hidroksila, mijenjaju svoju konfiguraciju u odnosu na četvrti supstituent; takva promjena konfiguracije analogna je inverziji kišobrana pri jakom vjetru.

Optička izomerija i život.

Hemičari često nazivaju enantiomere jedinstvenim spojem jer su njihova kemijska svojstva identična. Međutim, njihova biološka aktivnost može biti potpuno drugačija. To je postalo očito nakon tragične priče o talidomidu, lijeku koji je 60 -ih godina 20. lekari u mnogim zemljama prepisali su trudnicama kao efikasnu pilulu za spavanje i sedativ. Međutim, s vremenom se pokazao njegov strašni nuspojava: tvar se pokazala teratogenom (oštetivši embrij, od grčkog teratos - čudovište, nakaza), a rođeno je i puno beba s urođenim deformitetima. Tek krajem 1980 -ih postalo je jasno da je uzrok nesreća samo jedan od enantiomera talidomida - njegov okretni oblik. Nažalost, takva razlika u djelovanju doznih oblika ranije nije bila poznata, a talidomid je bio racemična mješavina oba antipoda.

Trenutno su mnogi lijekovi dostupni u obliku optički čistih spojeva. Tako je od 25 najčešćih lijekova u Sjedinjenim Državama samo šest nehiralnih spojeva, tri su racemati, a ostali su čisti enantiomeri. Potonji se dobivaju pomoću tri metode: odvajanjem racemičnih smjesa, modifikacijom prirodnih optički aktivnih spojeva (oni uključuju ugljikohidrate, aminokiseline, terpene, mliječnu i vinsku kiselinu itd.) I izravnom sintezom. Na primjer, poznata kemijska kompanija Merck razvila je metodu za proizvodnju antihipertenzivnog lijeka metildope, koja uključuje spontanu kristalizaciju samo željenog enantiomera unošenjem malog zrna ovog izomera u otopinu. Direktna sinteza također zahtijeva hiralne izvore, jer bilo koja druga konvencionalna metoda sinteze daje oba enantiomera u jednakim omjerima - racemat. Ovo je, inače, jedan od razloga vrlo visoke cijene nekih lijekova, jer je ciljana sinteza samo jednog od njih vrlo težak zadatak. Stoga ne čudi da je od više od 500 sintetičkih kiralnih pripravaka proizvedenih u svijetu, samo oko jedna desetina optički čista. U isto vrijeme, od 517 preparata dobivenih od prirodnih sirovina, samo je osam racemata.

Potreba za optički čistim enantiomerima objašnjava se činjenicom da često samo jedan od njih ima željeni terapeutski učinak, dok drugi antipod može izazvati neželjene nuspojave ili čak biti toksičan. Također se događa da svaki enantiomer ima svoje specifično djelovanje. Dakle, S ( -) - tiroksin ("levotroid") je prirodni hormon štitnjače. I okretni R (+) - tiroksin ("dekstroid") snižava kolesterol u krvi. Neki proizvođači nude trgovačke nazive za takve slučajeve, palindrome, na primjer, Darvon i Novrad.

Šta objašnjava različito djelovanje enantiomera? Čovek je kiralno biće. Njegovo tijelo i molekule biološki aktivnih tvari koje ga čine asimetrične su. Molekuli kiralnih lijekova u interakciji s određenim kiralnim centrima u tijelu, poput enzima, mogu djelovati različito ovisno o tome koji je enantiomer lijek. "Pravi" lijek pristupa svom receptoru kao ključ za bravu i pokreće željenu biokemijsku reakciju. Djelovanje "pogrešnog" antipoda može se usporediti s pokušajem da se desnom rukom stisne desna ruka gosta.

Ako je lijek racemat, tada bi jedan od enantiomera u najboljem slučaju mogao biti ravnodušan, u najgorem slučaju - izazvati potpuno neželjeni učinak. Evo nekoliko primjera. Dakle, antiaritmik S ( -) - anaprilin djeluje 100 puta jače od R (+) - oblika! U slučaju verapamila, oba enantiomera imaju sličan učinak, ali njegov R (+) - oblik ima značajno manje snažan nuspojava kardiodepresiva. Koristeći se za anesteziju, ketamin može izazvati nuspojave u 50% pacijenata u obliku agitacije, delirija itd., A to je uglavnom svojstveno samo R (-) izomeru, kao i racematu. , levamisol je aktivan uglavnom u S ( -) izomeru, dok njegov R (+) - antipod izaziva mučninu, pa je u jednom trenutku racemski levamisol zamijenjen jednim od enantiomera. No, pokazalo se da sintetiziranje čistih izomera nema uvijek ekonomski smisao. Na primjer, za široko korišteni analgetik ibuprofen pod djelovanjem enzima moguće je izomerizirati terapijski neaktivan R ( -) - oblik u aktivni S (+) - izomer; stoga u ovom slučaju može doći do mnogo jeftinijeg racemata biti korišteno.

Različiti biološki učinak "desnih" i "lijevih" izomera ne očituje se samo među lijekovima, već u svim slučajevima kada kiralni spoj stupa u interakciju sa živim organizmima. Upečatljiv primjer je aminokiselinski izoleucin: njegov okretni izomer je sladak, a levorotacijski izomer je gorak. Još jedan primjer. Karvon je tvar s vrlo jakom aromom (ljudski nos može osjetiti miris kada sadrži samo 17 milionitih dijelova miligrama po litru u zraku). Karvon se izolira iz sjemena kima, čije ulje sadrži oko 60%. Međutim, potpuno isti spoj iste strukture nalazi se u ulju nane - njegov sadržaj doseže 70%. Svi se slažu da miris nane i kima uopće nije isti. Ispostavilo se da zapravo postoje dva karvona - "desno" i "lijevo". Razlika u mirisu ovih spojeva ukazuje na to da receptorske stanice u nosu odgovorne za miris također moraju biti kiralne.

Vratimo se sada formuli prikazanoj na psu i vuku. Penicilamin (3,3-dimetilcistein) prilično je jednostavan derivat aminokiseline cistein. Ova tvar se koristi za akutno i kronično trovanje bakrom, živom, olovom i drugim teškim metalima, jer ima sposobnost da daje jake komplekse s ionima ovih metala; nastali kompleksi se uklanjaju bubrezima. Penicilamin se također koristi za različite oblike reumatoidnog artritisa, za sistemsku sklerodermiju i u nizu drugih slučajeva. U ovom slučaju koristi se samo S-oblik lijeka jer je R-izomer otrovan i može dovesti do sljepoće.

Ilya Leenson

Optička aktivnost tvari shvaća se kao njezina sposobnost da skrene ravninu polariziranog svjetlosnog snopa udesno ili ulijevo pod određenim kutom.

Fenomen optičke aktivnosti otkrio je 1815. fizičar J.B. Bio (Francuska).

Godine 1848. Louis Pasteur je, proučavajući kristale vinske kiseline, primijetio da optički neaktivan Na-amonijev tartarat postoji u obliku dvije vrste kristala, koji su međusobno zrcalni. Pasteur je podijelio desnoruke i lijevoruke kristale. Utvrđeno je da su njihove vodene otopine optički aktivne. Specifična rotacija dva rješenja bila je ista po veličini, ali različita po predznaku. Budući da su za otopine primijećene različite optičke rotacije, Pasteur je zaključio da ovo svojstvo karakterizira molekule, a ne kristale, te je predložio da su molekule ovih tvari zrcalne slike jedna druge. Ova pretpostavka je bila osnova stereokemije koja proučava prostornu strukturu molekula i njezin utjecaj na kemijska i fizička svojstva tvari.

Prvu stereokemijsku teoriju koja objašnjava razloge optičke aktivnosti supstanci stvorila su 1874. dva naučnika istovremeno - holandski hemičar J.H. Van't Hoff i Francuz J. Le Bel. Osnova ove teorije bio je koncept tetraedarskog modela atoma ugljika, tj. sve četiri valencije atoma ugljika ne leže u istoj ravnini, već su usmjerene prema uglovima tetraedra.

Utvrđeno je da je optička aktivnost najčešće posljedica prisutnosti u molekuli asimetrični atom ugljika, tj. C-atom, čije su sve valencije, usmjerene prema uglovima tetraedra, ispunjene različitim atomima ili skupinama atoma (radikali ili supstituenti). Asimetrični C-atomi u hemiji označavaju *. Na primjer:

gliceraldehid jabučna kiselina

Pojava optičke aktivnosti povezana je s prisutnošću optičkih izomera - tvari koje imaju isti redoslijed veza između atoma u molekuli, ali njihov različit prostorni raspored. U pogledu prostorne strukture, optički izomeri su poput ogledala jedan drugog, tj. zrcalni antipodi ili enantiomeri. Enantiomeri se međusobno nazivaju desna i lijeva ruka. Sve konstante enantiomera, osim specifične rotacije (α), su iste.

Dva oblika supstance sa zrcalno suprotnim konformacijama rotiraju polarizirani snop svjetlosti u suprotnim smjerovima: (+) - nadesno, ( -) - lijevo pod istim kutom, nazivaju se optički antipodi ili enantiomeri.

Trenutno općeprihvaćenu konvencionalnu metodu označavanja prvi je predložio E. Fisher (1891), a zatim je donekle izmijenio M.A. Rozanov (1906) i detaljno raspravljao Hudson (1949). Glicerinski aldehid koristi se kao standard:

D (+) - glicerin L ( -) - glicerin

aldehid aldehid

Međutim, pokazalo se da pripadnost D (d) –ili L (l) –tipu konfiguracije ne znači uvijek da smjer rotacije ide (+) udesno ili (-) ulijevo. Moguće je da je D konformacija i rotira ravninu polariziranog snopa ulijevo (-), ili je L konformacija i rotira se udesno (+). Zbog toga slovne oznake D (d) ili L (l) određuju prostornu orijentaciju atoma ili atomskih grupa oko asimetričnog C -atoma, a znakovi (+) - desna rotacija, ( -) - lijeva rotacija.

Mješavina (+) i (-) oblika (i u većini slučajeva to je mješavina D- i L- oblika) u omjeru 1: 1 naziva se racemat ili racemska smjesa. Optički je neaktivan (±). Ako u organskom spoju postoji nekoliko asimetričnih C-atoma, broj optičkih izomera određuje se formulom:

gdje je N broj optičkih izomera;

n je broj asimetričnih C-atoma.

Izomerija mliječne kiseline

D ( -) - mliječna kiselina L (+) - mliječna kiselina

(Formira se u mišićima tokom intenzivnog rada) (Formira se kada mlijeko kiseli)

Izomerija vinske kiseline

Mezotarna kiselina L ( -) - vinska D (+) - vinska kiselina

U mezo-oblicima jedna polovica molekula ima (+) konfiguraciju, druga (-) konfiguraciju (na primjer, mezo-vinska kiselina). Kao rezultat "unutrašnje kompenzacije" znaka rotacije, mezo-oblici su optički neaktivni i, za razliku od racemata, ne mogu se podijeliti na enantiomere.

Vrijednost optičke izomerije

Svaka optički aktivna tvar, kada se ispita pod određenim uvjetima, rotira ravninu polarizacije za određeni kut, čija je vrijednost konstantna i karakteristična za datu tvar, tj. ista konstanta kao talište, tačka ključanja tvari, gustoća itd. Konstanta koja karakterizira optičku aktivnost tvari naziva se specifična rotacija. Tako se određivanjem specifične rotacije može utvrditi autentičnost tvari.

Optička izomerija ima veliki biološki značaj. Enzimi koji kataliziraju biokemijske reakcije u živim organizmima imaju optičku specifičnost, tj. djeluju samo na određene optičke izomere (na primjer, D-monosaharide, L-aminokiseline itd.). Enzimi ne djeluju na optičke antipode ovih tvari; ne uključuju ih u metabolizam. Akumulirajući se u tkivima, takvi izomeri mogu uzrokovati patološke procese.

Pojavljuje se u slučajevima kada su izomeri istog spoja povezani sa različitim rasporedom supstituenata na određeni centar, nije kompatibilan u svemiru... Za derivate alifatičkog niza, izomerija je povezana sa stereokemijskim svojstvima sp 3 hibridnog atoma ugljika.

Čak je i Le-Bel krajem 18. stoljeća predložio tetraedarsku strukturu atoma ugljika. U slučaju da je povezan atom ugljika sa četiri različite supstituentima, postaje moguće postojanje 2 izomera, koji su međusobno zrcalne slike.

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

Razmotrimo primjer obećavajućih formula:

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

Formule Fisherove projekcije

Razmislite o obećavajućim formulama u drugoj ravni.

Postavite asimetrično središte (atom ugljika) u ravninu lista; naizmjenično a i b iza ravnine lista ( from posmatrač); naizmjenično f i d iznad ravnine lista ( bliže posmatrač) - u skladu sa strelicama koje pokazuju smjer pogleda posmatrača. Dobivamo međusobno okomiti smjer veza sa kiralnim centrom. Takva konstrukcija izomera naziva se Fisherova formula za projekciju.

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

Prilikom izrade formula za projekciju, najobimniji supstituenti postavljaju se okomito. Ako su supstituenti atomi ili male grupe koje nisu povezane s glavnim lancem, tada su raspoređene vodoravno. Za 2-bromobutan

postoje dva antipod:

Enantiomeri, antipodi, stereomeri praktično se ne razlikuju po svojim svojstvima (tačka ključanja, talište itd.), A takođe imaju slične termodinamičke konstante. Istovremeno, one imaju razlike:

4) - čvrsti antipodi kristaliziraju se stvaranjem kristala međusobno zrcalno sličnih, ali nekompatibilnih u prostoru.

5) - antipodi rotiraju ravninu polarizirane svjetlosti za isti kut, ali u različitim smjerovima. Ako je kut rotacije svjetla pozitivan (u smjeru kazaljke na satu), tada se antipod naziva dekstrorotacijski, ako je negativan (u smjeru suprotnom od kazaljke na satu), tada se naziva levorotacijski.

Kut optičke rotacije ravninski polarizirane svjetlosti označava se sa [ α D]. Ako [ α D] = -31,2 °, proučavan je zakretni antipod.

Polarimetarski uređaj

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

Mješavina dva enantiomera u omjeru 1: 1 ne rotira ravninu polarizirane svjetlosti i naziva se racemska smjesa, racemat.

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

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

Sekundarni i tercijarni amini mogu biti i optički aktivni. Četvrti supstituent je usamljeni par elektrona na atomu dušika.

5.4.1 Diastereomeri

Diastereometrija je pojava koja ima značajniji utjecaj na svojstva tvari i opaža se u slučajevima kada u spoju postoje dva ili više asimetričnih centara. Na primjer:

4-kloropentanol-2

Prikažimo sve moguće antipode (I-IV) za povezivanje:

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

q je ukupan broj stereoizomera,

n je broj asimetričnih centara (C *).

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

D-glukoza

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

vinska kiselina

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mesoform

Mesoform je optički neaktivan oblik koji proizlazi iz unutarnje simetrije u optički aktivnoj tvari.

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

Uveo termin ISOMERIJA i sugerirali da razlike proizlaze iz "različite distribucije jednostavnih atoma u složenom atomu" (tj. molekula). Izomerija je dobila pravo objašnjenje tek u drugoj polovici 19. stoljeća. zasnovano na teoriji hemijske strukture A. M. Butlerova (strukturna izomerija) i stereohemiji Ya. G. Van't Hoffa (prostorna izomerija).

Strukturna izomerija

Strukturna izomerija rezultat je razlika u kemijskoj strukturi. Ova vrsta uključuje:

Izomerija lanca ugljikovodika (karbonski kostur)

Izomerija ugljikovog kostura, zbog različitog reda veze atoma ugljika. Najjednostavniji primjer je butan CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 i izobutan (CH 3) 3 CH. Dr. primjeri: antracen i fenantren (formule I i II, respektivno), ciklobutan i metilciklopropan (III i IV).

Valencijska izomerija

Valentna izomerija (posebna vrsta strukturne izomerije), u kojoj se izomeri mogu transformirati jedni u druge samo zbog preraspodjele veza. Na primjer, valentni izomeri benzena (V) su bicikloheksa-2,5-dien (VI, "Dewar-ov benzen"), Prisman (VII, "Ladenburgov benzen"), benzvalen (VIII).

Izomerija funkcionalnih grupa

Razlikuje se po prirodi funkcionalne grupe. Primjer: etanol (CH 3 -CH 2 -OH) i dimetil eter (CH 3 -O -CH 3)

Izomerija položaja

Vrsta strukturne izomerije koju karakterizira razlika u položaju istih funkcionalnih grupa ili dvostrukih veza s istim ugljikovim kosturom. Primjer: 2-klorobutanska kiselina i 4-klorobutanska kiselina.

Prostorna izomerija (stereoizomerija)

Enantiomerija (optička izomerija)

Prostorna izomerija (stereoizomerija) nastaje kao rezultat razlika u prostornoj konfiguraciji molekula s istom kemijskom strukturom. Ova vrsta izomera se dijeli na enantiomerija(optička izomerija) i dijastereomerija.

Enantiomeri (optički izomeri, izomeri ogledala) su parovi optičkih antipoda tvari koje karakteriziraju suprotni predznaci i jednake rotacije ravnine polarizacije svjetlosti sa svim ostalim fizičkim i kemijskim svojstvima (osim za reakcije s drugim optički aktivnim tvarima i fizičkim svojstva u kiralnom mediju). Nužan i dovoljan razlog za pojavu optičkih antipoda je dodjeljivanje molekula i jedne od sljedećih tačkastih simetričnih grupa C n, D n, T, O, I (kiralnost). Najčešće govorimo o asimetričnom atomu ugljika, odnosno atomu vezanom na četiri različita supstituenta, na primjer:

I drugi atomi mogu biti asimetrični, na primjer, atomi silicija, dušika, fosfora, sumpora. Prisutnost asimetričnog atoma nije jedini razlog enantiomerije. Dakle, postoje optički derivati antipoda adamantana (IX), ferocena (X), 1,3-difenilalena (XI), 6,6 "-dinitro-2,2" -difenoične kiseline (XII). Razlog optičke aktivnosti posljednjeg spoja je atropisomerija, odnosno prostorna izomerija uzrokovana odsustvom rotacije oko jednostavne veze. Enantiomerija se također očituje u spiralnim konformacijama proteina, nukleinskih kiselina, heksagelicena (XIII).

(R) -, (S) - nomenklatura optičkih izomera (pravilo imenovanja)

Četiri grupe vezane za asimetrični atom ugljika C abcd imaju različite dužnosti koje odgovaraju slijedu: a> b> c> d. U najjednostavnijem slučaju, prioritet se utvrđuje rednim brojem atoma vezanog za asimetrični ugljikov atom: Br (35), Cl (17), S (16), O (8), N (7), C ( 6), H (1) ...

Na primjer, u bromokloroctenoj kiselini:

Prednost supstituenata na asimetričnom atomu ugljika je sljedeća: Br (a), Cl (b), C COOH (c), H (d) grupe.

U butanolu-2, kisik je stariji supstituent (a), vodik je mlađi (d):

Potrebno je riješiti pitanje supstituenata CH 3 i CH 2 CH 3. U ovom slučaju, staž je određen rednim brojem ili brojem drugih atoma u grupi. Vodeće mjesto ostaje etilnoj skupini, budući da je prvi C atom u njoj vezan za drugi C (6) atom i za druge H (1) atome, dok je u metilnoj skupini ugljik vezan za tri H atoma s serijskim brojem 1. U složenijim slučajevima nastavite uspoređivati sve atome sve dok ne dođu do atoma s različitim serijskim brojevima. Ako postoje dvostruke ili trostruke veze, tada se atomi s njima broje kao dva, odnosno tri atoma. Tako se -COH grupa smatra kao C (O, O, H), a -COOH grupa -kao C (O, O, OH); karboksilna grupa je starija od aldehidne, jer sadrži tri atoma s atomskim brojem 8.

U D-glicerolnom aldehidu, grupa OH (a) je najstarija, zatim slijede CHO (b), CH2OH (c) i H (d):

Sljedeći korak je utvrđivanje je li raspored grupa desni, R (lat. Rectus) ili lijevo, S (lat. Zlokoban). Prelazeći na odgovarajući model, orijentiran je tako da je mlađa grupa (d) u formuli perspektive na dnu, a zatim gledana odozgo duž osi koja prolazi kroz zasjenjenu stranu tetraedra i grupe (d). U grupama D-glicirin aldehida

nalaze se u smjeru rotacije u smjeru kazaljke na satu, pa stoga ima R-konfiguraciju:

(R) -glicerni aldehid

Za razliku od D, L nomenklature, oznake (R) - i (S) - izomera zatvorene su u zagradama.

Diastereomerija

σ-dijastereomerija

Svaka kombinacija prostornih izomera koja ne čini par optičkih antipoda smatra se dijastereomernom. Razlikovati σ od π-dijastereomera. σ-dijastereomeri međusobno se razlikuju po konfiguraciji nekih elemenata kiralnosti koji su u njima prisutni. Dakle, dijastereomeri su (+)-vinska kiselina i mezo-vinska kiselina, D-glukoza i D-manoza, na primjer:

Za neke vrste dijastereomerije uvedene su posebne oznake, na primjer, treo- i eritro-izomeri- to je diastereomerija s dva asimetrična atoma ugljika i prostorima, raspored supstituenata na tim atomima, koji podsjeća na odgovarajuću trozu (povezani supstituenti su na suprotnim stranama u Fisherovim formulama za projekciju) i eritroza (zamjenici - s jedne strane):

Eritro-izomeri, čiji su asimetrični atomi povezani s istim supstituentima, nazivaju se mezo-oblici. Oni su, za razliku od drugih σ-dijastereomera, optički neaktivni zbog intramolekularne kompenzacije doprinosa rotacije ravnine polarizacije svjetlosti iz dva identična asimetrična centra suprotne konfiguracije. Parovi dijastereomera koji se razlikuju po konfiguraciji jednog od nekoliko asimetričnih atoma nazivaju se epimeri, na primjer:

Izraz "anomeri" odnosi se na par dijastereomernih monosaharida koji se razlikuju po konfiguraciji glikozidnog atoma u cikličnom obliku, na primjer anomerni α-D- i β-D-glukoza.

π-diastereomerija (geometrijska izomerija)

π-diastereomeri, koji se nazivaju i geometrijski izomeri, međusobno se razlikuju različitim prostornim rasporedom supstituenata u odnosu na ravninu dvostruke veze (najčešće C = C i C = N) ili prstena. To uključuje, na primjer, maleinsku i fumarnu kiselinu (formule XIV i XV respektivno), (E)-i (Z) -benzaldoksime (XVI i XVII), cis- i trans-1,2-dimetilciklopentane (XVIII i XIX) .

Konformeri. Tautomeri

Pojava je neraskidivo povezana s temperaturnim uvjetima promatranja. Tako, na primjer, klorocikloheksan na sobnoj temperaturi postoji u obliku ravnotežne mješavine dva konformera - s ekvatorijalnom i aksijalnom orijentacijom atoma klora:

Međutim, pri minus 150 ° C može se razlikovati pojedinačni a-oblik koji se u tim uvjetima ponaša kao stabilan izomer.

S druge strane, spojevi koji su izomeri u normalnim uvjetima mogu se pokazati tautomerima u ravnoteži s porastom temperature. Na primjer, 1-bromopropan i 2-bromopropan su strukturni izomeri; međutim, kako temperatura raste na 250 ° C, među njima se uspostavlja ravnoteža karakteristična za tautomere.

Izomeri koji se pretvaraju jedan u drugi na temperaturama ispod sobne temperature mogu se smatrati kao ne-kruti molekuli.

Postojanje konformera ponekad se naziva i "rotacijska izomerija". Među dienima se razlikuju s-cis i s-trans izomeri, koji su u suštini konformeri nastali rotacijom oko jednostavne (s-jednostruke) veze:

Izomerija je također karakteristična za koordinacijske spojeve. Dakle, izomerni spojevi koji se razlikuju u načinu koordinacije liganda (ionizacijska izomerija), na primjer, izomerni:

SO 4 - i + Br -

Ovdje, u suštini, postoji analogija sa strukturnom izomerijom organskih spojeva.

Kemijske transformacije, uslijed kojih se strukturni izomeri pretvaraju jedan u drugi, naziva se izomerizacija. Takvi su procesi bitni u industriji. Na primjer, izomerizacija normalnih alkana u izoalkane provodi se radi povećanja oktanskog broja motornih goriva; pentan se izomerizuje u izopentan radi kasnije dehidrogenacije u izopren. Intramolekularna preuređenja su također izomerizacija, od kojih je, na primjer, pretvaranje cikloheksanon oksima u kaprolaktam, sirovinu za proizvodnju najlona, od velike važnosti.

Proces međusobne konverzije enantiomera naziva se racemizacija: dovodi do nestanka optičke aktivnosti kao rezultat stvaranja ekvimolarne mješavine ( -) - i (+) - oblika, odnosno racemata. Interkonverzija dijastereomera dovodi do stvaranja smjese u kojoj prevladava termodinamički stabilniji oblik. U slučaju π-dijastereomera, obično se formira trans. Interkonverzija konformacijskih izomera naziva se konformacijska ravnoteža.

Pojava izomerije u velikoj mjeri doprinosi rastu broja poznatih (a u još većoj mjeri i broja potencijalno mogućih) spojeva. Dakle, mogući broj strukturno izomernih decilnih alkohola je veći od 500 (poznato ih je oko 70), postoji više od 1500 prostora, izomera.

U teorijskom razmatranju problema izomerije topološke metode postaju sve raširenije; matematičke formule su izvedene za izračunavanje broja izomera. Za označavanje prostora, izomera različitih tipova, razvijena je stereokemijska nomenklatura prikupljena u odjeljku E IUPAC -ovih Pravila nomenklature za hemiju.

Književnost

Fizer L., Fizer M., Organska hemija. Napredni kurs. vol. 1. lane from English, Ed. Doktor hemijskih nauka NS. Wolfson. Ed. "Hemija". M., 1969. godine.
Palm VA, Uvod u teorijsku organsku hemiju, M., 1974;
Sokolov V I., Uvod u teorijsku stereokemiju, M., 1979;
Slanina 3., Teorijski aspekti fenomena izomerije u hemiji, prev. iz Češke., M., 1984;
Potapov V.M., Stereokemija M., 1988.