Har følgende forbindelser optiske isomerer? Romlig isomeri. Optisk aktive stoffer

Romlige isomerer (stereoisomerer) har samme kvalitative og kvantitative sammensetning og samme rekkefølge av binding av atomer (kjemisk struktur), men forskjellige romlige arrangementer av atomer i molekylet.

Det er to typer romlig isomerisme: optisk Og geometriske.

Optisk isomeri

I optisk isomerisme er ulike fragmenter av molekyler plassert ulikt i forhold til et bestemt atom, dvs. har forskjellige konfigurasjon For eksempel:

Slike molekyler er ikke identiske, de forholder seg til hverandre som et objekt og dets speilbilde og kalles enantiomerer.

Enantiomerer har egenskapene til kiralitet. Det enkleste tilfellet av chiralitet skyldes tilstedeværelsen i molekylet sentrum for chiralitet(kiralt senter), som kan være et atom som inneholder fire forskjellige substituenter. Et slikt atom mangler symmetrielementer. Av denne grunn kalles det også asymmetrisk.

For å fastslå om et molekyl er kiralt, er det nødvendig å bygge modellen, en modell av speilbildet (fig. 3.1) , A) og finn ut om de er kombinert i rommet. Hvis de ikke er kompatible, er molekylet kiralt (fig. 3.1, b), hvis de er kompatible er det akiralt.

Ris. 3.1.

Alle kjemiske egenskaper til enantiomerer er identiske. Deres fysiske egenskaper er også de samme, med unntak av optisk aktivitet: en form roterer lysets polariseringsplan til venstre, den andre - med samme vinkel til høyre.

En blanding av like mengder optiske antipoder oppfører seg som en individuell kjemisk forbindelse, blottet for optisk aktivitet og svært forskjellige i fysiske egenskaper fra hver av antipodene. Dette stoffet kalles racemisk blanding, eller racemate.

I alle kjemiske transformasjoner der nye asymmetriske karbonatomer dannes, oppnås alltid racemater. Det finnes spesielle teknikker for å separere racemater i optisk aktive antipoder.

Hvis det er flere asymmetriske atomer i et molekyl, er det mulig at de romlige isomerene ikke vil være optiske antipoder. For eksempel:

Romlige isomerer som ikke er enantiomerer i forhold til hverandre kalles diastereomerer.

Et spesielt tilfelle av diastereomerer - geometrisk (cis-trais-) isomerer.

Geometrisk isomeri

Geometrisk (cis-trans) isomerisme er karakteristisk for forbindelser som inneholder dobbeltbindinger (C=C, C=N, etc.), samt ikke-aromatiske sykliske forbindelser og skyldes umuligheten av fri rotasjon av atomer rundt en dobbeltbinding eller i en syklus. Substituenter i geometriske isomerer kan være plassert på den ene siden av dobbeltbindingens eller ringens plan - ^wc-posisjon, eller på motsatte sider - tirsh/c-posisjon (fig. 3.2).

Ris. 3.2. Dis-isomer (a) ogtranse-isomer(b)

Geometriske isomerer varierer vanligvis betydelig i fysiske egenskaper (koke- og smeltepunkter, løselighet, dipolmomenter, termodynamisk stabilitet, etc.)

Begrepet "kiralitet" betyr at to gjenstander står i samme forhold til hverandre som venstre og høyre hånd (fra den greske stolen - hånd), dvs. er speilbilder som ikke er sammenfallende når du prøver å kombinere dem i verdensrommet.

Innholdet i artikkelen

OPTISK ISOMERISME."When a Molecule Looks in a Mirror" var den uvanlige tittelen på en artikkel publisert i juni 1996-utgaven av American Journal of Chemical Education. Og på den første siden av omslaget til dette nummeret var det også en uvanlig tegning. På siden av hunden, som godmodig logret med halen, var strukturformelen penicillamin. Hunden så seg i speilet, og derfra så et forferdelig beist med blottet munnhugger og hår som sto oppreist på ham. På siden av udyret ble den samme strukturformelen avbildet som et speilbilde av den første. Hvorfor har ett og samme stoff så forskjellig utseende? Dette forklares av den spesielle egenskapen til noen kjemiske forbindelser, som er nært knyttet til deres optiske aktivitet.

Polarisering av lys og optisk aktivitet.

På begynnelsen av 1800-tallet. Den engelske fysikeren, astronomen og legen Thomas Young viste at lys kan betraktes som en bølge. Den franske fysikeren Augustin Fresnel fant at lysbølger er tverrgående: vibrasjoner i dem oppstår vinkelrett på bevegelsesretningen (som bølger på vannoverflaten: bølgen løper fremover, og en flottør på vannet svinger opp og ned). Allerede på 1900-tallet. Det ble funnet at lys er en elektromagnetisk bølge, som en radiobølge, bare lysets bølgelengde er mye kortere. Begrepet "elektromagnetisk" betyr at lys har elektriske og magnetiske felt som svinger periodisk, som bølger på overflaten av havet. Vi er nå bare interessert i svingningene til det elektriske feltet. Det viser seg at disse vibrasjonene ikke oppstår tilfeldig, men bare vinkelrett på lysstrålens retning. I vanlig lys (som sendes ut for eksempel av solen, glødelamper) oppstår vibrasjoner tilfeldig, i alle retninger. Men etter å ha passert gjennom noen krystaller, for eksempel turmalin eller islandspar (en gjennomsiktig type kalsitt CaCO 3), får lys spesielle egenskaper: krystallen "kutter" så å si alle vibrasjoner i det elektriske feltet, bortsett fra en som ligger i et bestemt plan. Figurativt sett er en stråle av slikt lys som en ulltråd som trekkes gjennom et smalt gap mellom to skarpe barberblader.

Den franske fysikeren Etienne Louis Malus mente at lyset består av partikler med to poler, «nord» og «sør», og i lyset som passerer gjennom Islands spar, er alle poler snudd i samme retning. Derfor kalte han slikt lys polarisert. Det ble oppdaget at lys er delvis polarisert ved å bli reflektert i visse vinkler fra eller brutt av skinnende dielektriske overflater som glass. Malus' teori ble ikke bekreftet, men navnet ble stående. Det menneskelige øyet kan ikke skille vanlig lys fra polarisert lys, men dette kan enkelt gjøres ved hjelp av enkle optiske instrumenter: polarimetre; De brukes for eksempel av fotografer: polariserende filtre hjelper til med å kvitte seg med gjenskinn i et fotografi som oppstår når lys reflekteres fra vannoverflaten.

Det viste seg at når polarisert lys passerer gjennom noen stoffer, oppstår et interessant fenomen: planet der "pilene" til det oscillerende elektriske feltet er plassert, roterer gradvis rundt aksen som strålen beveger seg langs. Dette fenomenet ble først oppdaget i 1811 av den franske fysikeren Francois Dominique Arago i kvartskrystaller. Naturlige kvartskrystaller har en uregelmessig, asymmetrisk struktur, og de kommer i to typer, som er forskjellige i form, som et objekt fra speilbildet. Disse krystallene roterer lysets polariseringsplan i motsatte retninger; de ble kalt høyre- og venstrehendte.

I 1815 fastslo en annen fransk fysiker Jean Baptiste Biot og den tyske fysikeren Thomas Seebeck at noen organiske stoffer (for eksempel sukker eller terpentin) også har denne egenskapen, ikke bare i krystallinsk tilstand, men også i flytende, oppløst og til og med gassformig tilstand. . Dermed ble det bevist at optisk aktivitet ikke bare kan assosieres med asymmetrien til krystallene, men også med noen ukjente egenskaper til selve molekylene. Det viste seg at, som i tilfellet med krystaller, kan noen kjemiske forbindelser eksistere i form av både høyre- og venstrehendte varianter, og den mest nøye kjemiske analysen avslører ingen forskjeller mellom dem! Faktisk var dette en ny type isomeri, som ble kalt optisk isomerisme. Det viste seg at i tillegg til høyre- og venstrehendte, er det en tredje type isomerer - optisk inaktive. Dette ble oppdaget i 1830 av den berømte tyske kjemikeren Jons Jakob Berzelius ved å bruke eksemplet med drue(dihydroksurav)syre HOOCCH(OH)CH(OH)COOH: denne syren er optisk inaktiv, og vinsyre med nøyaktig samme sammensetning har en rett- håndrotasjon i løsning. Senere ble også "venstrehendt" vinsyre, antipoden til høyredreiende syre, oppdaget, som ikke forekommer i naturen.

Optiske isomerer kan skilles ut ved hjelp av et polarimeter - en enhet som måler rotasjonsvinkelen til polariseringsplanet. For løsninger avhenger denne vinkelen lineært av tykkelsen på laget og konsentrasjonen av det optisk aktive stoffet (Biots lov). For ulike stoffer kan den optiske aktiviteten variere innenfor svært vide grenser. I tilfelle av vandige løsninger av forskjellige aminosyrer ved 25 ° C, er den spesifikke aktiviteten (den er betegnet som D og målt for lys med en bølgelengde på 589 nm ved en konsentrasjon på 1 g/ml og en lagtykkelse på 10 cm) er 232° for cystin, 86, 2° for prolin, 11,0° for leucin, +1,8° for alanin, +13,5° for lysin og +33,2° for asparagin. Moderne polarimetre gjør det mulig å måle optisk rotasjon med svært høy nøyaktighet (opptil 0,001°). Slike målinger gjør det mulig å raskt og nøyaktig bestemme konsentrasjonen av optisk aktive stoffer, for eksempel sukkerinnholdet i løsninger i alle stadier av produksjonen, fra råvarer til konsentrerte løsninger og melasse.

Pasteurs oppdagelse.

Fysikere assosierte den optiske aktiviteten til krystaller med deres asymmetri; helt symmetriske krystaller, for eksempel kubiske krystaller av bordsalt, er optisk inaktive. Årsaken til den optiske aktiviteten til molekyler forble helt mystisk i lang tid. Den første oppdagelsen som kastet lys over dette fenomenet ble gjort i 1848 av Louis Pasteur, da ukjent for noen. Selv som student var Pasteur interessert i kjemi og krystallografi, og jobbet under veiledning av fysikeren J.B. Biot og den fremtredende franske kjemikeren Jean Baptiste Dumas. Etter eksamen fra Ecole Normale Supérieure i Paris, jobbet den unge (han var bare 26 år gammel) Pasteur som laboratorieassistent for Antoine Balard. Balard var allerede en kjent kjemiker, som 22 år tidligere hadde blitt berømt for oppdagelsen av det nye grunnstoffet brom. Han ga sin assistent et emne om krystallografi, og forventet ikke at det ville føre til en enestående oppdagelse.

I løpet av studien oppnådde Pasteur det sure natriumsaltet av druesyre C 4 H 5 O 6 Na, mettet løsningen med ammoniakk og oppnådde ved sakte å fordampe vannet vakre prismatiske krystaller av natriumammoniumsaltet C 4 H 3 O 6 NaNH 4. Disse krystallene viste seg å være asymmetriske, noen av dem var som et speilbilde av andre: halvparten av krystallene hadde ett karakteristisk ansikt til høyre, mens andre hadde ett til venstre. Bevæpnet med forstørrelsesglass og pinsett skilte Pasteur krystallene i to hauger. Løsningene deres hadde, som man kunne forvente, motsatt optisk rotasjon. Pasteur stoppet ikke der. Fra hver løsning isolerte han den opprinnelige syren (som var inaktiv). Tenk deg overraskelsen hans da det viste seg at den ene løsningen var den velkjente høyredreiende vinsyren, og den andre var den samme syren, men roterende til venstre!

Minnene til øyenvitner vitner om den utrolige nervøse spenningen til den unge vitenskapsmannen som grep ham i det øyeblikket; Da han innså hva han hadde klart å gjøre, løp Pasteur ut av laboratoriet og møtte en laboratorieassistent i fysikkrommet, skyndte seg til ham og klemte ham og utbrøt: "Jeg har nettopp gjort en stor oppdagelse!" Og den besto i det faktum at den lenge kjente inaktive druesyren ganske enkelt er en blanding av like mengder av den også kjente "høyre" vinsyren og den tidligere ukjente "venstre". Det er grunnen til at blandingen ikke har optisk aktivitet. For en slik blanding begynte navnet racemat å bli brukt (fra de latinske racemus-druene). Og de to antipodene av vinsyre oppnådd av Pasteur ble kalt enantiomerer (fra det greske enantios motsatt). Pasteur introduserte betegnelsene L- og D-isomerer for dem (fra de latinske ordene laevus venstre og dexter høyre). Senere assosierte den tyske kjemikeren Emil Fischer disse betegnelsene med strukturen til to enantiomerer av en av de enkleste optisk aktive stoffene, glyseraldehyd OHCH 2 CH(OH)CHO. I 1956, etter forslag fra de engelske kjemikerne Robert Kahn og Christopher Ingold og den sveitsiske kjemikeren Vladimir Prelog, ble betegnelsene S (fra latin sinister left) og R (latin rectus right) introdusert for optiske isomerer; Et racemat er betegnet med symbolet RS. Men etter tradisjon er gamle betegnelser også mye brukt (for eksempel for karbohydrater, aminosyrer). Det skal bemerkes at disse bokstavene bare indikerer strukturen til molekylet ("høyrehendt" eller "venstrehendt" arrangement av visse kjemiske grupper) og ikke er relatert til retningen for optisk rotasjon; sistnevnte er indikert med pluss- og minustegn, for eksempel D()-fruktose, D(+)-glukose.

I tillegg til den "manuelle metoden" oppdaget Pasteur ytterligere to metoder for å skille racematet i to antipoder. Den biokjemiske metoden er basert på enkelte mikroorganismers selektive evne til å assimilere bare én av isomerene. For eksempel soppmugg Penicillum glaucum, som vokser på fortynnede løsninger av druesyre eller dens salter, "spiser" bare den høyre isomeren, og forlater den venstre uendret.

Den tredje metoden for å separere racemater var rent kjemisk. Men det krevde på forhånd å ha en optisk aktiv substans, som, når den interagerte med en racemisk blanding, ville "velge" bare en enantiomer fra den. For eksempel ga en optisk aktiv organisk base et optisk aktivt salt med druesyre, hvorfra den tilsvarende enantiomeren av vinsyre kunne isoleres.

Teori om optisk isomeri.

Pasteurs arbeid, som beviste muligheten for å "spalte" en optisk inaktiv forbindelse i antipoder - enantiomerer, vakte først mistillit blant mange kjemikere. Til og med Biot selv trodde ikke på assistenten sin før han personlig gjentok eksperimentet sitt og var overbevist om at Pasteur hadde rett. Dette og påfølgende verk av Pasteur vakte oppmerksomhet fra kjemikere. Snart delte Joseph Le Bel, ved å bruke den tredje Pasteur-metoden, flere alkoholer i optisk aktive antipoder. Johann Wislicenus fastslo at det er to melkesyrer: optisk inaktive, dannet i surmelk (melkesyre fra fermentering), og høyredreiende, som vises i arbeidende muskler (melkesyre). Det ble flere og flere lignende eksempler, og det var nødvendig med en teori for å forklare hvordan molekylene til antipodene skiller seg fra hverandre. Denne teorien ble skapt av den unge nederlandske forskeren Van't Hoff. I følge denne teorien kan molekyler, som krystaller, være "høyrehendte" og "venstrehendte", og være speilbilder av hverandre. Det enkleste eksemplet var dette. Karbonatomet i organiske forbindelser er tetravalent, fire kjemiske bindinger er rettet fra det i like vinkler til toppene til tetraederet. Hvis alle atomene eller gruppene av atomer som er plassert ved hjørnene til tetraederet og assosiert med det sentrale karbonatomet er forskjellige, er to forskjellige strukturer mulige som ikke er kompatible med hverandre ved rotasjon i rommet. Hvis minst to av de fire substituentene er like, vil molekylene bli helt identiske (dette kan enkelt kontrolleres ved hjelp av en modell laget av fyrstikker og farget plastelina). Slike strukturer, som skiller seg fra hverandre som høyre hånd fra venstre, kalles chiral (fra den greske arvingen). Dermed er optisk aktivitet en konsekvens av romlig isomerisme (stereoisomerisme) av molekyler.

Et karbonatom bundet til fire forskjellige substituenter kalles asymmetrisk. Atomer av andre grunnstoffer, som silisium, nitrogen, fosfor og svovel, kan også være asymmetriske. Imidlertid kan forbindelser uten asymmetriske karbonatomer også være optisk aktive hvis de kan eksistere i form av to speilbildeisomerer. Et molekyl vil være asymmetrisk hvis det ikke har et enkelt symmetrielement – verken et senter, eller akser, eller et symmetriplan. Et eksempel er allenmolekylet H 2 C=C=CH 2, som har to forskjellige substituenter: R 1 R 2 C=C=CR 1 R 2. Faktum er at disse substituentene ikke er i ett plan (som for eksempel i alkener), men i to innbyrdes vinkelrette plan. Derfor er eksistensen av to speilisomerer mulig, som ikke kan kombineres med hverandre ved noen bevegelser eller rotasjoner.

Mer komplekse forhold oppstår når det gjelder molekyler med flere asymmetriske karbonatomer. For eksempel, i vinsyre kan to hydroksylgrupper på to tilstøtende karbonatomer ordnes slik at molekylet viser seg å være symmetrisk og ikke har speilisomerer. Dette fører til dannelsen av en annen, optisk inaktiv, isomer, som kalles mesotartarsyre (eller antivinsyre). Dermed kan dihydroksiravsyre finnes i form av fire isomerer: høyredreiende (D-vinsyre, som i medisin kalles vinsyre), venstredrejende (L-vinsyre), optisk inaktiv (mesotartaric acid), og også som en blanding av L- og R-isomerer, det vil si racemat (i-vinsyre eller druesyre). Optisk aktive vinsyrer racemiserer når deres vandige løsninger varmes opp i lang tid, og blir til en blanding av antipoder.

Situasjonen er enda mer komplisert når molekylet har mange asymmetriske sentre. For eksempel er det fire av dem i et glukosemolekyl. Derfor er det teoretisk mulig for den å ha 16 stereoisomerer, som danner 8 par speilantipoder. De har lenge vært kjent for kjemikere; dette er selve glukosen, samt allose, altrose, mannose, gulose, idose, galaktose og talose. Mange av disse forekommer naturlig, slik som D-glukose (men ikke L-glukose, som produseres syntetisk).

Hvis et stoff inneholder like mange "høyrehendte" og "venstrehendte" molekyler, vil det være optisk inaktivt. Det er disse stoffene som oppnås i kolben som et resultat av konvensjonell kjemisk syntese. Og bare i levende organismer, med deltakelse av asymmetriske midler (for eksempel enzymer), dannes optisk aktive forbindelser. Selvfølgelig oppsto spørsmålet umiddelbart om hvordan slike forbindelser dukket opp på jorden, for eksempel den samme naturlige høyreroterende vinsyren, eller "asymmetriske" mikroorganismer som lever av bare en av enantiomerene. Faktisk, i fravær av mennesker, var det ingen til å utføre den rettet syntese av optisk aktive stoffer, det var ingen til å skille krystallene i høyre og venstre! Slike spørsmål viste seg imidlertid å være så komplekse at det ikke finnes noe svar på dem den dag i dag. For eksempel er det ingen som vet hvorfor nesten alle naturlige aminosyrer som proteiner er bygget fra tilhører L-serien (S-konfigurasjon), og deres antipoder finnes bare sjelden i enkelte antibiotika.

Van't Hoffs teori fikk ikke umiddelbart anerkjennelse. Dermed publiserte den fremragende tyske eksperimentelle kjemikeren Adolf Kolbe (flere organiske reaksjoner er oppkalt etter ham) en kaustisk artikkel i mai 1877, der han uttalte seg skarpt negativt om den nye teorien. Heldigvis var Kolbe i et klart mindretall, og Van't Hoffs teori, som la grunnlaget for moderne stereokjemi, vant generell anerkjennelse, og dens skaper ble i 1901 den første nobelprisvinneren i kjemi.

Denne teorien gjorde det mulig å forklare mange kjemiske fenomener. For eksempel, i reaksjoner med substitusjon av halogenatomer med hydroksylgrupper: i optisk aktive alkylhalogenider RX + OH ® ROH + X (X halogenatom) i noen tilfeller forsvinner den optiske aktiviteten, i andre beholdes, men skifter fortegn. Det viste seg at denne reaksjonen kan gå på forskjellige måter. Den første mekanismen involverer dissosiasjon av halogenidet for å danne mellomliggende R+-ioner, som raskt kombineres med OH-anioner, og gir reaksjonsproduktet alkohol. Hvis det opprinnelige halogenidet RX hadde optisk aktivitet, går det tapt som et resultat av denne reaksjonen, siden hydroksylen kan nærme seg det mellomliggende plane kationet fra hver side, slik at det dannes en blanding av enantiomerer. Hvis reaksjonen fortsetter i henhold til den andre mekanismen, nærmer OH-anionet karbonatomet fra siden motsatt CX-bindingen og "fortrenger" halogenatomet i form av et anion. Hvis det opprinnelige halogenidet R 1 R 2 R 3 CX hadde optisk aktivitet, beholdes det som et resultat av denne reaksjonen, men tegnet på den optiske rotasjonen endres til det motsatte. Dette skjer fordi tre substituenter på det asymmetriske karbonatomet R 1 , R 2 og R 3 , lokalisert, i likhet med halogenatomet, ved toppunktene til tetraederet, når det angripende midlet hydroksyl nærmer seg, endrer de sin konfigurasjon i forhold til den fjerde substituenten; Denne endringen i konfigurasjon ligner på å snu en paraply ut og inn i sterk vind.

Optisk isomerisme og liv.

Kjemikere refererer ofte til enantiomerer som én forbindelse fordi deres kjemiske egenskaper er identiske. Imidlertid kan deres biologiske aktivitet være helt annerledes. Dette ble åpenbart etter den tragiske historien om thalidomid, et stoff som på 60-tallet av det 20. århundre. Leger i mange land foreskrev det til gravide kvinner som et effektivt søvnhjelpemiddel og beroligende middel. Men over tid dukket dens forferdelige bivirkning opp: stoffet viste seg å være teratogent (skadet embryoet, fra det greske teratos-monsteret, freaken), og mange babyer ble født med medfødte misdannelser. Først på slutten av 80-tallet ble det klart at årsaken til ulykken bare var en av enantiomerene av thalidomid - dens høyreroterende form. Dessverre var en slik forskjell i virkningen av doseringsformene ikke tidligere kjent, og thalidomid var en racemisk blanding av begge antipoder.

For tiden produseres mange medikamenter i form av optisk rene forbindelser. Av de 25 vanligste medikamentene i USA er altså bare seks ikke-kirale forbindelser, tre er racemater, og resten er rene enantiomerer. Sistnevnte oppnås ved tre metoder: separasjon av racemiske blandinger, modifisering av naturlige optisk aktive forbindelser (disse inkluderer karbohydrater, aminosyrer, terpener, melke- og vinsyre, etc.) og direkte syntese. For eksempel har det kjente kjemikalieselskapet Merck utviklet en metode for å produsere det antihypertensive legemidlet methyldopa, som innebærer spontan krystallisering av kun den ønskede enantiomeren ved å introdusere et lite frø av denne isomeren i løsningen. Direkte syntese krever også kirale kilder, siden alle andre tradisjonelle syntesemetoder gir begge enantiomerene i like proporsjoner racemat. Dette er forresten en av grunnene til de svært høye kostnadene for noen medisiner, siden den målrettede syntesen av bare ett av dem er en veldig vanskelig oppgave. Det er derfor ikke overraskende at av de mer enn 500 syntetiske kirale medikamentene som produseres over hele verden, er bare omtrent en tiendedel optisk rene. Samtidig, av 517 legemidler hentet fra naturlige råvarer, er bare åtte racemater.

Behovet for optisk rene enantiomerer forklares med det faktum at ofte bare én av dem har den nødvendige terapeutiske effekten, mens den andre antipoden kan forårsake uønskede bivirkninger eller til og med være giftig. Det hender også at hver enantiomer har sin egen spesifikke effekt. Dermed er S()-tyroksin ("levotroid") et naturlig skjoldbruskkjertelhormon. Og høyredreiende R(+)-tyroksin ("dextroid") senker kolesterolet i blodet. Noen produsenter kommer opp med palindromiske handelsnavn for slike tilfeller, for eksempel Darvon og Novrad.

Hva forklarer de ulike effektene av enantiomerer? Mennesket er et chiralt vesen. Både kroppen og molekylene av biologisk aktive stoffer som den består av er asymmetriske. Kirale legemiddelmolekyler, når de interagerer med visse chirale sentre i kroppen, for eksempel enzymer, kan virke forskjellig avhengig av hvilken enantiomer stoffet er. Det "riktige" stoffet passer til reseptoren som en nøkkel til en lås og utløser den ønskede biokjemiske reaksjonen. Handlingen til den "feile" antipoden kan sammenlignes med et forsøk på å riste gjestens høyre hånd med høyre hånd.

Hvis stoffet er et racemat, kan en av enantiomerene i beste fall være likegyldig, eller i verste fall forårsake en fullstendig uønsket effekt. Her er noen eksempler. Dermed er det antiarytmiske legemidlet S()-anaprilin 100 ganger sterkere enn R(+)-formen! Når det gjelder verapamil, har begge enantiomerene en lignende effekt, men R(+)-formen har en betydelig mindre potent kardiodepressiv bivirkning. Ketamin, brukt til anestesi, kan gi bivirkninger hos 50 % av pasientene i form av agitasjon, delirium etc., og dette er iboende hovedsakelig bare i R()-isomeren, samt i racematet I anthelmintikumet stoffet levamisol, er det hovedsakelig aktivt i S()-isomeren, mens dens R(+)-antipode forårsaker kvalme, så på et tidspunkt ble racemisk levamisol erstattet av en av enantiomerene. Men det viser seg at det ikke alltid gir økonomisk mening å syntetisere rene isomerer. For eksempel, for det mye brukte analgetikumet ibuprofen, kan enzymer isomerisere den terapeutisk inaktive R()-formen til den aktive S(+)-isomeren, så i dette tilfellet kan et mye billigere racemat brukes.

De forskjellige biologiske effektene av "høyrehendte" og "venstrehendte" isomerer manifesterer seg ikke bare blant medikamenter, men i alle tilfeller når en kiral forbindelse interagerer med levende organismer. Et slående eksempel er aminosyren isoleucin: dens høyredreiende isomer er søt, og dens venstredrejende isomer er bitter. Et annet eksempel. Carvone er et stoff med en veldig sterk aroma (den menneskelige nesen kan oppdage det i luften med bare 17 millioner deler av et milligram per liter). Carvone er isolert fra spisskummen, oljen som inneholder ca. 60%. Imidlertid finnes nøyaktig samme forbindelse med samme struktur i grønnmynteolje, hvor innholdet når 70%. Alle vil være enige om at lukten av mynte og karvefrø ikke er den samme. Det viste seg at det faktisk er to karvoner - "høyre" og "venstre". Forskjellen i lukt mellom disse forbindelsene antyder at reseptorcellene i nesen som er ansvarlige for luktoppfatning også må være kirale.

La oss nå gå tilbake til formelen som er avbildet på hunden og ulven. Penicillamin (3,3-dimetylcystein) er et ganske enkelt derivat av aminosyren cystein. Dette stoffet brukes til akutt og kronisk forgiftning med kobber, kvikksølv, bly og andre tungmetaller, siden det har evnen til å danne sterke komplekser med ioner av disse metallene; de resulterende kompleksene fjernes av nyrene. Penicillamin brukes også til ulike former for revmatoid artritt, systemisk sklerodermi og i en rekke andre tilfeller. I dette tilfellet brukes kun S-formen av stoffet, siden R-isomeren er giftig og kan føre til blindhet.

Ilya Leenson

Optisk aktivitet til et stoff forstås som dets evne til å avlede planet til en polarisert lysstråle til høyre eller venstre med en viss vinkel.

Fenomenet optisk aktivitet ble oppdaget i 1815 av fysikeren J.B. Biot (Frankrike).

I 1848 la Louis Pasteur, mens han studerte krystaller av vinsyre, merke til at det optisk inaktive Na-ammoniumtartratet eksisterte i form av to typer krystaller som var speilbilder av hverandre. Pasteurdelte høyre- og venstreorienterte krystaller. Deres vandige løsninger viste seg å være optisk aktive. Den spesifikke rotasjonen av de to løsningene var den samme i størrelse, men forskjellig i fortegn. Siden forskjellige optiske rotasjoner ble observert for løsninger, konkluderte Pasteur med at denne egenskapen karakteriserte molekyler, ikke krystaller, og antydet at molekylene til disse stoffene var speilbilder av hverandre. Denne antagelsen dannet grunnlaget for stereokjemi, som studerer den romlige strukturen til molekyler og dens effekt på de kjemiske og fysiske egenskapene til stoffer.

Den første stereokjemiske teorien som forklarer årsakene til den optiske aktiviteten til stoffer ble opprettet i 1874 samtidig av to forskere - den nederlandske kjemikeren J.H. Van't Hoff og franskmannen J. Le Bel. Grunnlaget for denne teorien var ideen om en tetraedrisk modell av karbonatomet, dvs. alle fire valensene til et karbonatom ligger ikke i samme plan, men er rettet mot hjørnene av tetraederet.

Det ble funnet at optisk aktivitet oftest skyldes tilstedeværelsen i molekylet asymmetrisk karbonatom, dvs. Et C-atom, hvis valenser rettet mot hjørnene av tetraederet er fylt med forskjellige atomer eller grupper av atomer (radikaler eller substituenter). Asymmetriske C-atomer i kjemi er betegnet med *. For eksempel:

glyceraldehyd eplesyre

Fenomenet optisk aktivitet er assosiert med tilstedeværelsen av optiske isomerer - stoffer som har samme rekkefølge av atombindinger i molekylet, men deres forskjellige romlige arrangementer. Optiske isomerer i sin romlige struktur er som speilbilder av hverandre, dvs. speilantipoder eller enantiomerer. Enantiomerer er relatert til hverandre som høyre og venstre hender. Alle enantiomerkonstanter, bortsett fra spesifikk rotasjon (α), er de samme.

To former for et stoff som har speilmotsatte konformasjoner roterer en polarisert lysstråle i motsatte retninger: (+) til høyre, (-) til venstre i samme vinkel, kalles optiske antipoder eller enantiomerer.

Den for tiden generelt aksepterte konvensjonelle betegnelsesmetoden ble først foreslått av E. Fisher (1891), deretter litt modifisert av M.A. Rozanov (1906) og diskutert i detalj av Hudson (1949). Glyseraldehyd brukes som standard:

D(+) - glyserin L(-) - glyserin

aldehyd aldehyd

Det viste seg imidlertid at det å tilhøre D(d) – eller L(l) – type konfigurasjon ikke alltid betyr at rotasjonsretningen er (+) til høyre eller (-) til venstre. Det er mulig at D er en konformasjon og roterer planet til den polariserte strålen til venstre (-), eller L er en konformasjon og roterer til høyre (+). Derfor bestemmer bokstavbetegnelsene D(d) eller L(l) den romlige orienteringen til atomer eller atomgrupper rundt det asymmetriske C-atomet, og tegnene (+) - høyrerotasjon, (-) - venstrerotasjon.

En blanding av (+) og (-) danner (og i de fleste tilfeller er det en blanding av D- og L – former) i forholdet 1:1 kalles en racemat eller racemisk blanding. Den er optisk inaktiv (±). Hvis det er flere asymmetriske C-atomer i en organisk forbindelse, bestemmes antallet optiske isomerer av formelen:

hvor N er antall optiske isomerer;

n er antall asymmetriske C-atomer.

Melkesyreisomerisme

D(-) – melkesyre L(+) – melkesyre

(Dannes i muskler under intenst arbeid) (Dannes når melken surner)

Vinsyre-isomerisme

Mesovinsyre L(-) - vinsyre D(+) - vinsyre

I mesoformer har den ene halvdelen av molekylet en (+) konfigurasjon, den andre (-) konfigurasjonen (for eksempel mesovinsyre). Som et resultat av den "interne kompensasjonen" til rotasjonstegnet er mesoformene optisk inaktive, og i motsetning til racemater kan de ikke separeres i enantiomerer.

Betydningen av optisk isomeri

Hvert optisk aktivt stoff, når det studeres under visse forhold, roterer polarisasjonsplanet med en viss vinkel, hvis verdi er konstant og karakteristisk for et gitt stoff, dvs. samme konstant som smeltepunkt, kokepunkt for et stoff, tetthet osv. Konstanten som karakteriserer den optiske aktiviteten til et stoff kalles spesifikk rotasjon. Således, ved å bestemme den spesifikke rotasjonen, kan ektheten til stoffet bestemmes.

Optisk isomeri er av svært stor biologisk betydning. Enzymer som katalyserer biokjemiske reaksjoner i levende organismer har optisk spesifisitet, dvs. de virker bare på visse optiske isomerer (for eksempel D-monosakkarider, L-aminosyrer, etc.). Enzymer virker ikke på de optiske antipodene til disse stoffene, dvs. ikke involver dem i stoffskiftet. Akkumulerer i vev, kan slike isomerer forårsake patologiske prosesser.

Vises i tilfeller hvor isomerer av samme forbindelse, ifm med forskjellige arrangementer av substituenter sikker senter, ikke kompatibel i verdensrommet. For alifatiske derivater er isomerisme assosiert med de stereokjemiske egenskapene til sp 3-hybridkarbonatomet.

Selv Le Bel på slutten av 1700-tallet foreslo den tetraedriske strukturen til karbonatomet. I tilfelle et karbonatom er koblet sammen med fire forskjellige substituenter, oppstår muligheten for eksistensen av 2 isomerer, som er speilbilder av hverandre.

Karbonatomet som har alle de forskjellige substituentene kalles asymmetrisk eller chiral sentrum ("hiros" - hånd).

La oss se på eksemplet med lovende formler:

Stereoisomerer I og II er romlig inkompatible og er antipoder eller optiske isomerer ( enantiomerer, stereomere).

Fischer projeksjonsformler

La oss vurdere lovende formler på et annet plan.

La oss plassere det asymmetriske senteret (karbonatomet) i arkets plan; varamedlemmer en Og b bak arket flyet ( fra observatør); varamedlemmer f Og d over arkets plan ( nærmere observatør) - i samsvar med pilene som indikerer retningen til observatørens blikk. Vi får en gjensidig vinkelrett retning av bindinger med det chirale senteret. Denne konstruksjonen av isomerer kalles Fischer-projeksjonsformler.

Således, i Fischers projeksjonsformler, er substituenter plassert horisontalt rettet mot observatøren, vertikalt - utenfor arkets plan.

Ved konstruksjon av projeksjonsformler plasseres de mest voluminøse substituentene vertikalt. Hvis substituentene er atomer eller små grupper som ikke er relatert til hovedkjeden, er de ordnet horisontalt. For 2-brombutan

Det er to antipode:

Enantiomerer, antipoder, stereomerer er praktisk talt umulige å skille i egenskaper (kokepunkt, smeltepunkt, etc.), og har også lignende termodynamiske konstanter. Samtidig har de forskjeller:

4) - solide antipoder krystalliserer for å danne krystaller som er speillignende for hverandre, men som ikke er kompatible i rommet.

5) - antipoder roterer planet av polarisert lys med samme vinkel, men i forskjellige retninger. Hvis lysets rotasjonsvinkel er positiv (med klokken), kalles antipoden dextrorotatory, hvis negativ (mot klokken), kalles den venstrehendt.

Vinkelen for optisk rotasjon av planpolarisert lys er betegnet [ αD]. Hvis [ αD]= -31,2°, deretter ble den venstrehendte antipoden studert.

Polarimeter enhet

Stoffer som er i stand til å rotere planet av polarisert lys kalles optisk aktive eller optisk aktive.

En blanding av to enantiomerer i forholdet 1:1 roterer ikke planet av polarisert lys og kalles en racemisk blanding, racemat.

Hvis en antipode dominerer over den andre i blandingen, snakker vi om dens optiske renhet (ee). Det beregnes ut fra forskjellen i innholdet av enantiomerer i blandingen.

II - 30 %, ee=70 – 30 = 40 (%)

Sekundære og tertiære aminer kan også ha optisk aktivitet. Den fjerde substituenten er det ensomme elektronparet på nitrogenatomet.

5.4.1 Diastereomerer

Diastereometri er et fenomen som mer signifikant påvirker egenskapene til stoffer og observeres i tilfeller der det er to eller flere asymmetriske sentre i en forbindelse. For eksempel:

4-klorpentanol-2

La oss skildre alle mulige antipoder for tilkobling (I-IV):

Optiske isomerer (stereoisomerer) av samme forbindelse som ikke er antipoder kalles diastereomerer. Det vil si at par av isomerer I og III, I og IV, II og III, II og IV er diastereomere par. Antall isomerer beregnes ved hjelp av formelen: q = 2 n, hvor

q er det totale antallet stereoisomerer,

n er antall asymmetriske sentre (C*).

For eksempel har glukose 4 kirale sentre, deretter q = 2 4 = 16 (D-glukose – 8 isomerer, L-glukose – 8 isomerer).

D-glukose

I naturen er det tilfeller når asymmetriske atomer i en forbindelse har samme miljø. Dette fører til at halvparten av antipodene ikke er optisk aktive.

vinsyre

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mesoform

Mesoformen er en optisk inaktiv form som oppstår på grunn av indre symmetri i et optisk aktivt stoff.

I motsetning til antipoder, skiller diastereomerer seg i kokepunkt, tetthet (d 4 20), brytningsindeks (n 4 20), etc.

B introduserte begrepet ISOMERIA og antydet at forskjellene oppstår fra "den forskjellige fordelingen av enkle atomer i et komplekst atom" (dvs. et molekyl). Isomerisme fikk en sann forklaring først i andre halvdel av 1800-tallet. basert på teorien om kjemisk struktur til A. M. Butlerov (strukturell isomerisme) og den stereokjemiske teorien til J. G. Van't Hoff (romlig isomerisme).

Strukturell isomeri

Strukturell isomeri er et resultat av forskjeller i kjemisk struktur. Denne typen inkluderer:

Isomerisme av hydrokarbonkjeden (karbonskjelett)

Isomerisme av karbonskjelettet, på grunn av den forskjellige rekkefølgen av binding av karbonatomer. Det enkleste eksemplet er butan CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 og isobutan (CH 3) 3 CH. Dr. eksempler: antracen og fenantren (henholdsvis formel I og II), cyklobutan og metylcyklopropan (III og IV).

Valensisomerisme

Valensisomerisme (en spesiell type strukturell isomerisme), der isomerer kun kan omdannes til hverandre gjennom omfordeling av bindinger. For eksempel er valensisomerene av benzen (V) bicykloheksa-2,5-dien (VI, "Dewar benzen"), prisman (VII, "Ladenburg benzen") og benzvalen (VIII).

Funksjonell gruppe isomeri

Det er forskjellig i den funksjonelle gruppens natur. Eksempel: Etanol (CH 3 -CH 2 -OH) og dimetyleter (CH 3 -O-CH 3)

Posisjonsisomeri

En type strukturell isomerisme preget av forskjeller i posisjonene til identiske funksjonelle grupper eller dobbeltbindinger på samme karbonskjelett. Eksempel: 2-klorsmørsyre og 4-klorsmørsyre.

Romlig isomerisme (stereoisomerisme)

Enantiomerisme (optisk isomerisme)

Romlig isomerisme (stereoisomerisme) oppstår som et resultat av forskjeller i den romlige konfigurasjonen av molekyler som har samme kjemiske struktur. Denne typen isomerer er delt inn i enantiomerisme(optisk isomeri) og diastereomerisme.

Enantiomerer (optiske isomerer, speilisomerer) er par av optiske antipoder av stoffer karakterisert ved motsatt fortegn og identiske rotasjoner av lysets polariseringsplan med identiteten til alle andre fysiske og kjemiske egenskaper (bortsett fra reaksjoner med andre optisk aktive stoffer og fysiske egenskaper). egenskaper i et kiralt miljø). En nødvendig og tilstrekkelig grunn for utseendet av optiske antipoder er tilordningen av molekylet til en av følgende punktgrupper med symmetri C n, D n, T, O, I (Kiralitet). Oftest snakker vi om et asymmetrisk karbonatom, det vil si et atom koblet til fire forskjellige substituenter, for eksempel:

Andre atomer kan også være asymmetriske, for eksempel atomer av silisium, nitrogen, fosfor og svovel. Tilstedeværelsen av et asymmetrisk atom er ikke den eneste grunnen til enantiomerisme. Således har derivatene av adamantan (IX), ferrocen (X), 1,3-difenylallen (XI) og 6,6"-dinitro-2,2"-difensyre (XII) optiske antipoder. Årsaken til den optiske aktiviteten til sistnevnte forbindelse er atropoisomerisme, det vil si romlig isomerisme forårsaket av fravær av rotasjon rundt en enkel binding. Enantiomerisme vises også i spiralformede konformasjoner av proteiner, nukleinsyrer og heksagelicen (XIII).

(R)-, (S)- nomenklatur for optiske isomerer (navneregel)

De fire gruppene knyttet til det asymmetriske karbonatomet C abcd er tildelt ulik prioritet, tilsvarende sekvensen: a>b>c>d. I det enkleste tilfellet etableres prioritet av serienummeret til atomet festet til det asymmetriske karbonatomet: Br(35), Cl(17), S(16), O(8), N(7), C(6). ), H(1).

For eksempel i bromkloreddiksyre:

Ansienniteten til substituenter ved det asymmetriske karbonatomet er som følger: Br(a), Cl(b), C-gruppe COOH (c), H(d).

I butanol-2 er oksygen seniorsubstituenten (a), hydrogen er juniorsubstituenten (d):

Det er nødvendig å løse problemet med substituentene CH3 og CH2CH3. I dette tilfellet bestemmes ansiennitet av atomnummeret eller antall andre atomer i gruppen. Primaten forblir med etylgruppen, siden det første C-atomet i den er koblet til et annet C(6)-atom og til andre H(1)-atomer, mens karbonet i metylgruppen er koblet til tre H-atomer med serienummer 1 I mer komplekse tilfeller fortsetter de å sammenligne alle atomene til de når atomer med forskjellige serienummer. Hvis det er dobbelt- eller trippelbindinger, telles atomene som ligger ved dem som henholdsvis to og tre atomer. Således betraktes -COH-gruppen som C (O, O, H), og -COOH-gruppen betraktes som C (O, O, OH); Karboksylgruppen er eldre enn aldehydgruppen fordi den inneholder tre atomer med atomnummer 8.

I D-glyceraldehyd er den eldste gruppen OH(a), etterfulgt av CHO(b), CH 2 OH(c) og H(d):

Det neste trinnet er å finne ut om gruppearrangementet er høyrehendt, R (lat. rectus), eller venstrehendt, S (lat. uhyggelig). Går du videre til den tilsvarende modellen, er den orientert slik at den mindre gruppen (d) i perspektivformelen er nederst, og deretter sett ovenfra langs aksen som går gjennom den skraverte overflaten til tetraederet og gruppen (d). I D-glyceraldehyd-gruppen

er plassert i retning mot høyre rotasjon, og derfor har den en R-konfigurasjon:

(R)-glyceraldehyd

I motsetning til D,L-nomenklaturen er betegnelsene på (R)- og (S)-isomerer omgitt av parentes.

Diastereomerisme

σ-diastereomerisme

Enhver kombinasjon av romlige isomerer som ikke danner et par optiske antipoder regnes som diastereomere. Det er σ og π diastereomerer. σ-diasteriomerer skiller seg fra hverandre i konfigurasjonen av noen av de chirale elementene de inneholder. Således er diasteriomerer (+)-vinsyre og meso-vinsyre, D-glukose og D-mannose, for eksempel:

For noen typer diastereomerisme er det introdusert spesielle betegnelser, for eksempel treo- og erytroisomerer - dette er en diastereomerisme med to asymmetriske karbonatomer og mellomrom, arrangementet av substituenter på disse atomene, minner om den tilsvarende threosen (relaterte substituenter er på motsatte sider i Fischer-projeksjonsformlene) og erytrose (substituenter - på den ene siden):

Erytroisomerer, hvis asymmetriske atomer er knyttet til identiske substituenter, kalles mesoformer. De, i motsetning til andre σ-diastereomerer, er optisk inaktive på grunn av intramolekylær kompensasjon av bidragene til rotasjonen av polariseringsplanet for lys fra to identiske asymmetriske sentre med motsatte konfigurasjoner. Par av diastereomerer som er forskjellige i konfigurasjonen av ett av flere asymmetriske atomer kalles epimerer, for eksempel:

Begrepet "anomerer" refererer til et par diastereomere monosakkarider som er forskjellige i konfigurasjonen av det glykosidiske atomet i den sykliske formen, for eksempel a-D- og β-D-glukoseanomerene.

π-diastereomerisme (geometrisk isomerisme)

π-diasteriomerer, også kalt geometriske isomerer, skiller seg fra hverandre ved forskjellige romlige arrangementer av substituenter i forhold til planet til dobbeltbindingen (oftest C=C og C=N) eller ringen. Disse inkluderer for eksempel maleinsyre og fumarsyre (henholdsvis formlene XIV og XV), (E)- og (Z)-benzaldoksimer (XVI og XVII), cis- og trans-1,2-dimetylcyklopentaner (XVIII og XIX) .

Konformatorer. Tautomers

Fenomenet er uløselig knyttet til temperaturforholdene for observasjonen. For eksempel eksisterer klorcykloheksan ved romtemperatur i form av en likevektsblanding av to konformere - med ekvatorial og aksial orientering av kloratomet:

Ved minus 150 °C kan imidlertid en individuell a-form isoleres, som under disse forholdene oppfører seg som en stabil isomer.

På den annen side kan forbindelser som er isomerer under normale forhold vise seg å være tautomerer i likevekt når temperaturen øker. For eksempel er 1-brompropan og 2-brompropan strukturelle isomerer, men når temperaturen øker til 250 °C, etableres en likevektsegenskap for tautomerer mellom dem.

Isomerer som omdannes til hverandre ved temperaturer under romtemperatur kan betraktes som ikke-stive molekyler.

Eksistensen av konformere blir noen ganger referert til som "rotasjonsisomerisme." Blant diener skilles det ut s-cis- og s-trans-isomerer, som i hovedsak er konformere som følge av rotasjon rundt en enkel (s-enkelt) binding:

Isomerisme er også karakteristisk for koordinasjonsforbindelser. Således er forbindelser som er forskjellige i metoden for koordinering av ligander (ioniseringsisomerisme) isomere, for eksempel er følgende isomere:

SO 4 - og + Br -

Her er det i hovedsak en analogi med den strukturelle isomerismen til organiske forbindelser.

Kjemiske transformasjoner som et resultat av at strukturelle isomerer omdannes til hverandre kalles isomerisering. Slike prosesser er viktige i industrien. For eksempel utføres isomerisering av normale alkaner til isoalkaner for å øke oktantallet til motordrivstoff; pentan isomeriserer til isopentan for påfølgende dehydrogenering til isopren. Isomerisering innebærer også intramolekylære omorganiseringer, hvor stor betydning for eksempel er omdannelsen av cykloheksanonoksim til kaprolaktam, råstoffet for produksjon av kapron.

Prosessen med interkonvertering av enantiomerer kalles racemisering: den fører til forsvinningen av optisk aktivitet som et resultat av dannelsen av en ekvimolar blanding av (-)- og (+)-former, det vil si racematet. Interkonvertering av diastereomerer fører til dannelsen av en blanding der den termodynamisk mer stabile formen dominerer. Når det gjelder π-diastereomerer, er det vanligvis trans-formen. Interkonverteringen av konformasjonsisomerer kalles konformasjonslikevekt.

Fenomenet isomerisme bidrar sterkt til økningen i antall kjente (og enda mer antallet potensielt mulige) forbindelser. Dermed er det mulige antallet strukturelle isomere decylalkoholer mer enn 500 (omtrent 70 av dem er kjente), det er mer enn 1500 mellomrom og isomerer.

I den teoretiske betraktningen av problemer med isomerisme, blir topologiske metoder stadig mer utbredt; Matematiske formler er utledet for å beregne antall isomerer. For å utpeke rom og isomerer av forskjellige typer, har stereokjemisk nomenklatur blitt utviklet, samlet i seksjon E i IUPAC Rules of Nomenclature for Chemistry.

Litteratur

Fizer L., Fizer M., Organisk kjemi. Videregående kurs. v.1. oversatt fra engelsk, red. Doktor i kjemivitenskap N.S. Wulfson. Ed. "Kjemi". M., 1969.
Palm V.A., Introduction to theoretical organic chemistry, M., 1974;
Sokolov V.I., Introduction to theoretical stereochemistry, M., 1979;
Slanina 3., Teoretiske aspekter ved fenomenet isomerisme i kjemi, trans. fra Czech., M., 1984;
Potapov V. M., Stereochemistry M., 1988.