Isomerii optici au următorii compuși? Izomeria spațială. Substanțe optic active

Izomerii spațiali (stereoizomeri) au aceeași compoziție calitativă și cantitativă și aceeași ordine de legare a atomilor (structură chimică), dar dispunere spațială diferită a atomilor din moleculă.

Există două tipuri de izomerie spațială: opticși geometric.

Izomeria optică

În izomerismul optic, diferite fragmente de molecule sunt localizate diferit față de un anumit atom, adică au diferite configurare. De exemplu:

Astfel de molecule nu sunt identice, se referă unele la altele ca un obiect și imaginea sa în oglindă și sunt numite enantiomeri.

Enantiomerii au proprietăți de chiralitate. Cel mai simplu caz de chiralitate se datorează prezenței în moleculă centru de chiralitate(centrul chiral), care poate fi un atom care conține patru substituenți diferiți. Un astfel de atom nu are elemente de simetrie. Din acest motiv, se mai numește asimetric.

Pentru a stabili dacă o moleculă este chirală, este necesar să construim modelul său, un model al imaginii sale în oglindă (Fig. 3.1 , A)și aflați dacă se potrivesc împreună în spațiu. Dacă nu se potrivesc, molecula este chirală (Fig. 3.1, b), dacă se potrivesc, este achirală.

Orez. 3.1.

Toate proprietățile chimice ale enantiomerilor sunt identice. Proprietățile lor fizice sunt, de asemenea, aceleași, cu excepția activității optice: o formă rotește planul de polarizare a luminii spre stânga, cealaltă cu același unghi spre dreapta.

Un amestec de cantități egale de antipode optice se comportă ca un compus chimic individual, lipsit de activitate optică și foarte diferite în proprietăți fizice față de fiecare dintre antipode. O astfel de substanță se numește amestec racemic, sau racemate.

În toate transformările chimice în care se formează noi atomi de carbon asimetrici, se obțin întotdeauna racemații. Există metode speciale pentru separarea racemaților în antipode optic active.

În cazul prezenței mai multor atomi asimetrici într-o moleculă, este posibilă o situație când izomerii spațiali nu sunt antipode optice. De exemplu:

Izomerii spațiali care nu sunt enantiomeri unul față de celălalt sunt numiți diastereomeri.

Un caz special de diastereomeri este geometric (cis- trais-) izomeri.

Izomeria geometrică

Izomerie geometrică (cis-trans) este caracteristic compușilor care conțin legături duble (C = C, C = N etc.), precum și compușilor ciclici non-aromatici și se datorează imposibilității rotației libere a atomilor în jurul unei legături duble sau într-un ciclu. Substituenții din izomerii geometrici pot fi localizați pe o parte a planului legăturii duble sau a ciclului - poziția ^ wc sau pe laturile opuse - poziția thirsch / c (Fig. 3.2).

Orez. 3.2. Dis izomer (a) șitransă-izomer(b)

Izomerii geometrici diferă de obicei semnificativ în ceea ce privește proprietățile fizice (puncte de fierbere și topire, solubilitate, momente dipolice, stabilitate termodinamică etc.)

Termenul "chiralitate" înseamnă că două obiecte sunt într-o astfel de relație între ele, ca mâinile stângi și drepte (din greacă. Scaun - mână), adică. sunt imagini oglindă care nu se potrivesc atunci când încercăm să le combinăm în spațiu.

Conținutul articolului

ISOMERIE OPTICĂ.„Când o moleculă arată în oglindă” era titlul neobișnuit al unui articol publicat în numărul din iunie 1996 al Jurnalului American de Educație Chimică. Și pe prima pagină a copertei acestui număr era și un desen neobișnuit. Pe partea câinelui, dând din coadă cu bunăvoință, era formula structurală a penicilaminei. Câinele s-a uitat în oglindă și, de acolo, o fiară cumplită, cu gura colțită, cu părul în picioare, l-a privit. Pe partea fiarei, aceeași formulă structurală a fost descrisă ca o imagine în oglindă a primei. De ce, atunci, una și aceeași substanță are astfel de chipuri diferite? Acest lucru se explică prin proprietatea specială a unor compuși chimici, care este strâns legată de activitatea lor optică.

Polarizarea luminii și activitatea optică.

La începutul secolului al XIX-lea. Fizicianul, astronomul și medicul englez Thomas Jung a arătat că lumina poate fi privită ca o undă. Fizicianul francez Augustin Fresnel a stabilit că undele luminoase sunt transversale: vibrațiile din ele apar perpendicular pe direcția mișcării (ca undele de pe suprafața apei: valul rulează înainte și plutitorul de pe apă vibrează în sus și în jos). Deja în secolul XX. s-a constatat că lumina este o undă electromagnetică, ca o undă radio, doar lungimea de undă a luminii este mult mai scurtă. Termenul „electromagnetic” înseamnă că lumina are câmpuri electrice și magnetice care oscilează periodic, ca undele de pe suprafața mării. Acum ne interesează doar oscilațiile câmpului electric. Se pare că aceste vibrații nu apar aleatoriu, ci doar perpendiculare pe direcția fasciculului de lumină. În lumina obișnuită (este emisă, de exemplu, de soare, lămpi cu incandescență), vibrațiile apar aleator, în toate direcțiile. Dar, după ce a trecut prin unele cristale, de exemplu, turmalină sau spart islandez (o varietate transparentă de calcit de CaCO3), lumina capătă proprietăți speciale: cristalul, așa cum ar fi, „întrerupe” toate oscilațiile câmpului electric, cu excepția unul situat într-un anumit plan. Figurativ vorbind, un fascicul de astfel de lumină este ca un fir de lână, care a fost tras printr-un spațiu îngust între două lame ascuțite.

Fizicianul francez Etienne Louis Malus credea că lumina constă din particule cu doi poli - „nord” și „sud”, iar în lumina care a trecut prin spatiul islandez, toți polii sunt întoarși în aceeași direcție. Prin urmare, el a numit această lumină polarizată. S-a constatat că lumina este parțial polarizată, reflectându-se la unele unghiuri de pe suprafețele strălucitoare ale dielectricilor, de exemplu, din sticlă sau de refracție în ele. Teoria lui Malus nu a fost confirmată, dar numele a rămas. Ochiul uman nu poate distinge lumina obișnuită de polarizată, dar acest lucru este ușor de făcut cu ajutorul celor mai simple dispozitive optice - polarimetri; Acestea sunt utilizate, de exemplu, de fotografi: filtrele polarizante ajută la scăderea strălucirii din fotografie, care apare atunci când lumina se reflectă de pe suprafața apei.

S-a dovedit că atunci când lumina polarizată trece prin unele substanțe, are loc un fenomen interesant: planul în care sunt „săgețile” câmpului electric oscilant se rotește treptat în jurul axei de-a lungul căreia se deplasează fasciculul. Acest fenomen a fost descoperit pentru prima dată în 1811 de către fizicianul francez François Dominique Arago în cristale de cuarț. Cristalele naturale de cuarț au o structură neregulată, asimetrică și sunt de două tipuri, care diferă prin formă, ca un obiect de imaginea sa în oglindă. Aceste cristale rotesc planul de polarizare a luminii în direcții opuse; au fost numiți drept și levogirat.

În 1815, un alt fizician francez Jean Baptiste Biot și fizicianul german Thomas Seebeck au stabilit că unele substanțe organice (de exemplu, zahărul sau terebentina) au această proprietate și nu numai în stare cristalină, ci și într-un lichid, dizolvat și chiar gazos. stat. Deci s-a dovedit că activitatea optică poate fi asociată nu numai cu asimetria cristalelor, ci și cu o anumită proprietate necunoscută a moleculelor în sine. S-a dovedit că, la fel ca în cazul cristalelor, unii compuși chimici pot exista atât sub formă de soiuri de dreapta, cât și de soi de levogirat, iar cea mai atentă analiză chimică nu relevă diferențe între ele! De fapt, acesta a fost un nou tip de izomerism, care a fost numit izomerism optic. S-a dovedit că, pe lângă dreptul și levogiratul, există un al treilea tip de izomeri - optic inactiv. Acest lucru a fost descoperit în 1830 de celebrul chimist german Jones Jakob Berzelius folosind exemplul acidului de struguri (dihidroxi succinic) HOOC - CH (OH) –CH (OH) –COOH: acest acid este optic inactiv, iar acidul tartric exact același compoziția are o rotație corectă în soluție. Ulterior a fost descoperit și nu a fost găsit în natură acidul tartric „stâng” - antipodul dextrorotator.

Este posibil să se facă distincția între izomerii optici folosind un polarimetru, un dispozitiv care măsoară unghiul de rotație al planului de polarizare. Pentru soluții, acest unghi depinde liniar de grosimea stratului și de concentrația substanței optic active (legea lui Biot). Pentru diferite substanțe, activitatea optică poate varia într-o gamă foarte largă. Deci, în cazul soluțiilor apoase de aminoacizi diferiți la 25 ° C, activitatea specifică (se notează ca D și se măsoară pentru lumină cu o lungime de undă de 589 nm la o concentrație de 1 g / ml și o grosime a stratului de 10 cm) este –232 ° pentru cistină, –86, 2 ° pentru prolină, –11,0 ° pentru leucina, + 1,8 ° pentru alanină, + 13,5 ° pentru lizină și + 33,2 ° pentru asparagină. Polimetrele moderne permit măsurarea rotației optice cu o precizie foarte mare (până la 0,001 °). Astfel de măsurători permit determinarea rapidă și precisă a concentrației de substanțe optic active, de exemplu, conținutul de zahăr din soluții în toate etapele producției sale - de la produse brute la soluție concentrată și melasă.

Descoperirea lui Pasteur.

Fizicienii au asociat activitatea optică a cristalelor cu asimetria lor; cristalele complet simetrice, de exemplu, cristalele cubice de clorură de sodiu, sunt optic inactive. Motivul activității optice a moleculelor a rămas complet misterios mult timp. Prima descoperire care a luminat acest fenomen a fost făcută în 1848 de Louis Pasteur, pe atunci necunoscut nimănui. În timp ce era încă student, Pasteur era interesat de chimie și cristalografie, lucrând sub îndrumarea fizicianului J.B. Bio și a proeminentului chimist francez Jean Baptiste Dumas. După absolvirea Școlii Normale Superioare din Paris, tânăr (avea doar 26 de ani) Pasteur a lucrat ca asistent de laborator pentru Antoine Balard. Balar era deja un chimist celebru care, cu 22 de ani mai devreme, devenise faimos pentru descoperirea unui nou element - bromul. El a oferit asistentului său un subiect în cristalografie, fără a sugera că acest lucru ar duce la o descoperire remarcabilă.

În cursul cercetărilor sale, Pasteur a obținut sarea acidă de sodiu a acidului tartric C 4 H 5 O 6 Na, a saturat soluția cu amoniac și prin evaporarea lentă a apei a obținut frumoase cristale prismatice ale sării de sodiu-amoniu C 4 H 3 O 6 NaNH 4. Aceste cristale s-au dovedit a fi asimetrice, unele dintre ele erau ca o imagine în oglindă a altora: jumătate din cristale aveau o față caracteristică în dreapta, în timp ce altele - în stânga. Înarmat cu o lupă și o pensetă, Pasteur a împărțit cristalele în două grămezi. Soluțiile lor, așa cum era de așteptat, aveau rotație optică opusă. Pasteur nu s-a oprit aici. Din fiecare soluție, el a izolat acidul original (care era inactiv). Imaginați-vă surpriza lui când s-a dovedit că o soluție este cunoscutul acid tartric dextrorotator, iar cealaltă este același acid, dar care se rotește spre stânga!

Amintirile martorilor oculari mărturisesc excitația nervoasă incredibilă a tânărului om de știință, care l-a apucat în acel moment; realizând ce reușise să facă, Pasteur a fugit din laborator și, întâlnindu-se cu un asistent de laborator în sala de fizică, s-a repezit la el și, îmbrățișându-l, a exclamat: „Tocmai am făcut o descoperire grozavă!” Și a constat în faptul că mult cunoscutul acid tartric inactiv este doar un amestec de cantități egale din acidul tartric „drept” cunoscut și cel „stâng” necunoscut anterior. De aceea amestecul nu este activ din punct de vedere optic. Pentru un astfel de amestec, au început să folosească numele racemate (din latinescul racemus - struguri). Iar cele două antipode ale acidului tartric obținute de Pasteur au fost numite enantiomeri (din grecescul enantios - opusul). Pasteur le-a introdus izomerii L și D (din cuvintele latine laevus - stânga și dexter - dreapta). Mai târziu, chimistul german Emil Fischer a asociat aceste denumiri cu structura a doi enantiomeri ai uneia dintre cele mai simple substanțe optic active - aldehida glicerolică OHCH 2 –CH (OH) –CHO. În 1956, la propunerea chimiștilor englezi Robert Kahn și Christopher Ingold și a chimistului elvețian Vladimir Prelog, au fost introduse denumirile S (din latinesc sinistru - stânga) și R (latină rectus - dreapta) pentru izomerii optici; racematul este desemnat prin simbolul RS. Cu toate acestea, în mod tradițional, denumirile vechi sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă (de exemplu, pentru carbohidrați, aminoacizi). Trebuie remarcat faptul că aceste litere indică doar structura moleculei (dispunerea „dreapta” sau „stânga” a anumitor grupuri chimice) și nu sunt asociate cu direcția de rotație optică; acesta din urmă este indicat prin semne de plus și minus, de exemplu, D (-) - fructoză, D (+) - glucoză.

Pe lângă „metoda manuală”, Pasteur a descoperit încă două metode de separare a racematului în doi antipode. Metoda biochimică se bazează pe capacitatea selectivă a unor microorganisme de a asimila doar unul dintre izomeri. De exemplu, mucegaiul fungic Penicillum glaucum crescând pe soluții diluate de acid tartric sau sărurile sale, „mănâncă” numai izomerul drept, lăsând stânga neschimbată.

A treia metodă de separare a racematului a fost pur chimică. Dar pentru el a fost necesar să aibă în prealabil o substanță activă din punct de vedere optic, care, atunci când interacționează cu un amestec racemic, ar „selecta” doar un enantiomer din acesta. De exemplu, o bază organică activă optic formată cu acid tartric o sare activă optic din care ar putea fi izolat enantiomerul corespunzător al acidului tartric.

Teoria izomerismului optic.

Munca lui Pasteur, dovedind posibilitatea „divizării” unui compus optic inactiv în antipode - enantiomeri, a stârnit inițial neîncredere în rândul multor chimiști. Chiar și Bio însuși nu și-a crezut asistentul până nu și-a repetat personal experiența și a fost convins că Pasteur are dreptate. Aceasta și lucrările ulterioare ale lui Pasteur au atras atenția chimistilor. În curând, Joseph Le Bel, folosind a treia metodă Pasteur, a împărțit mai mulți alcooli în antipode optic active. Johann Wislicenus a stabilit că există doi acizi lactici: optic inactiv, format în lapte acru (acid lactic de fermentație) și dextrorotator, care apare într-un mușchi de lucru (acid lactic). Au existat din ce în ce mai multe astfel de exemple și a fost necesară o teorie pentru a explica modul în care moleculele antipod diferă între ele. Această teorie a fost creată de tânărul om de știință olandez Van't Hoff. Conform acestei teorii, moleculele, ca și cristalele, pot fi „dreptaci” și „stângaci”, fiind imagini în oglindă unele cu altele. Cel mai simplu exemplu a fost acesta. Atomul de carbon din compușii organici este tetravalent; patru legături chimice sunt direcționate din acesta în unghiuri egale cu vârfurile tetraedrului. Dacă toți atomii sau grupurile de atomi situate la vârfurile tetraedrului și asociate cu atomul central de carbon sunt diferite, atunci sunt posibile două structuri diferite care nu sunt aliniate între ele prin rotație în spațiu. Dacă cel puțin doi din cei patru substituenți sunt la fel, moleculele vor deveni complet identice (acest lucru poate fi ușor verificat folosind un model de chibrituri și plastilină colorată). Astfel de structuri, care diferă unele de altele ca mâna dreaptă de la stânga, sunt numite chirale (de la moștenitorul grec - mână). Astfel, activitatea optică este o consecință a izomerismului spațial (stereoizomerism) al moleculelor.

Un atom de carbon legat de patru substituenți diferiți este numit asimetric. Atomii altor elemente - siliciu, azot, fosfor, sulf - pot fi, de asemenea, asimetrici. Cu toate acestea, compușii fără atomi de carbon asimetrici pot fi și optic activi dacă pot exista sub forma a doi izomeri oglindă. O moleculă va fi asimetrică dacă nu există element de simetrie în ea - fără centru, fără axe, fără plan de simetrie. Un exemplu este molecula de alenă H 2 C = C = CH 2, în care există doi substituenți diferiți: R 1 R 2 C = C = CR 1 R 2. Ideea este că acești substituenți nu se află în același plan (ca, de exemplu, în alchene), ci în două planuri perpendiculare reciproc. Prin urmare, este posibilă existența a doi izomeri oglindă, care nu pot fi combinați între ei prin deplasări și rotații.

Relații mai complexe se găsesc în cazul moleculelor cu mai mulți atomi de carbon asimetrici. De exemplu, în acidul tartric, pot fi aranjate două grupări hidroxil la doi atomi de carbon adiacenți astfel încât molecula să fie simetrică și să nu aibă izomeri oglindă. Acest lucru duce la formarea unui alt izomer optic inactiv, care se numește acid mezo tartric (sau anti-tartric). Astfel, acidul dihidroxi succinic poate fi sub forma a patru izomeri: dextrorotator (acid D-tartric, care se numește acid tartric în medicină), levorotator (acid L-tartric), optic inactiv (acid mezo-tartric) și, de asemenea, în forma unui amestec de izomeri L și R, adică racematul (acid i-tartric sau tartric). Acizii tartrici optic activi, la încălzirea prelungită a soluțiilor lor apoase, se racemizează, transformându-se într-un amestec de antipode.

Situația este și mai complicată atunci când molecula are mulți centri asimetrici. De exemplu, există patru dintre ele într-o moleculă de glucoză. Prin urmare, teoretic este posibil să existe 16 stereoizomeri, care formează 8 perechi de antipode oglindă. Sunt cunoscuți mult timp de către chimiști; acestea sunt glucoza însăși, precum și aloza, altroza, manoza, guloza, idoza, galactoza și taloza. Multe dintre acestea sunt naturale, cum ar fi D-glucoza (dar nu L-glucoza, care a fost produsă sintetic).

Dacă într-o substanță există părți egale ale moleculelor „dreapta” și „stânga”, aceasta va fi optic inactivă. Aceste substanțe sunt obținute într-un balon ca urmare a sintezei chimice convenționale. Și numai în organismele vii, cu participarea agenților asimetrici (de exemplu, enzimele), se formează compuși optic activi. Desigur, a apărut imediat întrebarea cu privire la modul în care astfel de compuși au apărut pe Pământ, de exemplu, același acid tartric natural dextrorotator sau microorganisme „asimetrice” care se hrănesc doar cu unul dintre enantiomeri. Într-adevăr, în absența omului, nu era nimeni care să efectueze sinteza direcționată a substanțelor optic active, nu era nimeni care să împartă cristalele în dreapta și în stânga! Cu toate acestea, astfel de întrebări s-au dovedit a fi atât de complexe încât încă nu există un răspuns la ele. De exemplu, nimeni nu știe de ce aproape toți aminoacizii naturali, din care sunt construite proteinele, aparțin rândului L (configurație S), iar antipodele lor se găsesc doar ocazional în unele antibiotice.

Teoria lui Van't Hoff nu a câștigat imediat recunoașterea. Astfel, remarcabilul chimist experimental german Adolf Kolbe (mai multe reacții organice au fost numite după el) a publicat un articol dur în mai 1877, în care critica aspru noua teorie. Din fericire, Kolbe se afla într-o minoritate clară, iar teoria lui Van't Hoff, care a pus bazele stereochimiei moderne, a câștigat o acceptare generală, iar creatorul său în 1901 a devenit primul câștigător al Premiului Nobel pentru chimie.

Această teorie a făcut posibilă explicarea multor fenomene chimice. De exemplu, în reacțiile de substituire a atomilor de halogen cu grupări hidroxil: în halogenurile de alchil optic active R - X + OH - ® R - OH + X - (X este un atom de halogen), în unele cazuri, activitatea optică dispare, în altele se păstrează, dar schimbă semnul. S-a dovedit că această reacție poate merge în moduri diferite. Primul mecanism implică disocierea halogenurii cu formarea ionilor intermediari R +, care se combină rapid cu OH - anioni, dând produsul de reacție, alcoolul. Dacă halogenura R-X inițială a avut activitate optică, aceasta se pierde ca urmare a acestei reacții, deoarece hidroxilul se poate apropia de cationul plan intermediar din ambele părți, astfel încât se formează un amestec de enantiomeri. Dacă reacția se desfășoară conform celui de-al doilea mecanism, anionul OH– se apropie de atomul de carbon din partea opusă legăturii C - X și „deplasează” atomul de halogen sub forma unui anion. Dacă halogenura inițială R 1 R 2 R 3 C - X a avut activitate optică, aceasta este reținută ca urmare a acestei reacții, dar semnul rotației optice este inversat. Acest lucru se întâmplă deoarece trei substituenți pe atomul de carbon asimetric R 1, R 2 și R 3, care, la fel ca atomul de halogen, sunt la vârfurile tetraedrului, la apropierea agentului atacant, hidroxil, își modifică configurația în raport cu al patrulea substituent; o astfel de modificare a configurației este analogă inversării unei umbrele într-un vânt puternic.

Izomerie optică și viață.

Chimiștii se referă adesea la enantiomeri ca fiind un singur compus, deoarece proprietățile lor chimice sunt identice. Cu toate acestea, activitatea lor biologică poate fi complet diferită. Acest lucru a devenit evident după povestea tragică a talidomidei, un medicament care în anii 60 ai secolului XX. medicii din multe țări au prescris femeile însărcinate ca somnifere și sedative eficiente. Cu toate acestea, în timp, efectul său secundar teribil s-a manifestat: substanța s-a dovedit a fi teratogenă (dăunând embrionului, din grecescul teratos - monstru, ciudat) și s-au născut o mulțime de copii cu deformări congenitale. Abia la sfârșitul anilor 1980 a devenit clar că cauza nenorocirilor a fost doar unul dintre enantiomerii talidomidei - forma sa dextrorotatoare. Din păcate, o astfel de diferență în acțiunea formelor de dozare nu a fost cunoscută anterior, iar talidomida a fost un amestec racemic de ambii antipode.

În prezent, multe medicamente sunt disponibile sub formă de compuși optic puri. Astfel, din cele mai frecvente 25 de medicamente din Statele Unite, doar șase sunt compuși necirali, trei sunt racemați, iar restul sunt enantiomeri puri. Acestea din urmă sunt obținute prin trei metode: separarea amestecurilor racemice, modificarea compușilor naturali activi optic (aceștia includ carbohidrați, aminoacizi, terpene, acizi lactic și tartric etc.) și sinteză directă. De exemplu, binecunoscuta companie chimică Merck a dezvoltat o metodă pentru producerea medicamentului antihipertensiv metildopa, care implică cristalizarea spontană a enantiomerului dorit prin introducerea unei mici sămânțe a acestui izomer în soluție. Sinteza directă necesită și surse chirale, deoarece orice alte metode convenționale de sinteză dau ambii enantiomeri în proporții egale - racemat. Apropo, acesta este unul dintre motivele costului foarte ridicat al unor medicamente, deoarece sinteza țintită a unuia dintre ele este o sarcină foarte dificilă. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că din peste 500 de preparate chirale sintetice produse la nivel mondial, doar aproximativ o zecime sunt optic pure. În același timp, din 517 preparate obținute din materii prime naturale, doar opt sunt racemați.

Nevoia de enantiomeri optic puri se explică prin faptul că adesea doar unul dintre ei are efectul terapeutic dorit, în timp ce al doilea antipod poate provoca reacții adverse nedorite sau chiar poate fi toxic. De asemenea, se întâmplă ca fiecare enantiomer să aibă propria acțiune specifică. Deci, S (-) - tiroxina („levotroid”) este un hormon tiroidian natural. Și R (+) dextrorotator - tiroxină („dextroid”) scade colesterolul din sânge. Unii producători vin cu nume comerciale pentru astfel de cazuri, palindromii, de exemplu, Darvon și Novrad.

Ce explică acțiunea diferită a enantiomerilor? Omul este o ființă chirală. Atât corpul său, cât și moleculele de substanțe biologic active care îl compun sunt asimetrice. Moleculele de medicament chirale care interacționează cu anumiți centri chirali din organism, cum ar fi enzimele, pot acționa diferit în funcție de enantiomerul care este medicamentul. Medicamentul „corect” se apropie de receptorul său ca o cheie a unei încuietori și declanșează reacția biochimică dorită. Acțiunea antipodului „greșit” poate fi asemănată cu o încercare de a scutura mâna dreaptă a oaspetelui său cu mâna dreaptă.

Dacă medicamentul este un racemat, atunci unul dintre enantiomeri poate fi cel mai bine indiferent, cel mai rău - poate provoca un efect complet nedorit. Aici sunt cateva exemple. Deci, agentul antiaritmic S (-) - anaprilina acționează de 100 de ori mai puternic decât forma R (+)! În cazul verapamilului, ambii enantiomeri au un efect similar, dar forma sa R (+) are un efect secundar cardiodepresiv semnificativ mai puțin puternic. Utilizată pentru anestezie, ketamina poate provoca reacții adverse la 50% dintre pacienți sub formă de agitație, delir, etc. , levamisolul este activ în principal în S (-) este un izomer, în timp ce antipodul său R (+) provoacă greață, astfel încât la un moment dat levamisolul racemic a fost înlocuit cu unul dintre enantiomeri. Dar se dovedește că nu are întotdeauna sens economic să sintetizeze izomeri puri. De exemplu, pentru ibuprofenul analgezic utilizat pe scară largă sub acțiunea enzimelor, este posibilă izomerizarea formei R (-) inactive terapeutic în izomerul activ S (+); prin urmare, în acest caz, un racemat mult mai ieftin poate fi folosit.

Efectul biologic diferit al izomerilor „dreapta” și „stânga” se manifestă nu numai între medicamente, ci în toate cazurile când un compus chiral interacționează cu organismele vii. Un exemplu frapant este aminoacidul izoleucină: izomerul său dextrorotator este dulce, iar izomerul său levorotator este amar. Alt exemplu. Carvone este o substanță cu o aromă foarte puternică (nasul omului o poate mirosi atunci când conține doar 17 milioane de miligrame pe litru în aer). Carvone este izolat din semințele de chimion, al căror ulei conține aproximativ 60%. Cu toate acestea, exact același compus cu aceeași structură se găsește în uleiul de mentă - acolo conținutul său ajunge la 70%. Toată lumea este de acord că mirosul de mentă și chimion nu este deloc același. S-a dovedit că, de fapt, există două sculpturi - „dreapta” și „stânga”. Diferența de miros a acestor compuși indică faptul că celulele receptoare din nas responsabile de miros trebuie, de asemenea, să fie chirale.

Să ne întoarcem acum la formula descrisă pe câine și lup. Penicilamina (3,3-dimetilcisteina) este un derivat destul de simplu al aminoacidului cisteină. Această substanță este utilizată pentru otrăvirea acută și cronică cu cupru, mercur, plumb și alte metale grele, deoarece are capacitatea de a da complexe puternice cu ionii acestor metale; complexele rezultate sunt îndepărtate de rinichi. Penicilamina este, de asemenea, utilizată pentru diferite forme de artrită reumatoidă, pentru sclerodermia sistemică și în alte cazuri. În acest caz, se utilizează doar forma S a medicamentului, deoarece izomerul R este toxic și poate duce la orbire.

Ilya Leenson

Activitatea optică a unei substanțe este înțeleasă ca fiind capacitatea sa de a devia planul unui fascicul de lumină polarizată spre dreapta sau spre stânga la un anumit unghi.

Fenomenul activității optice a fost descoperit în 1815 de către fizicianul J.B. Bio (Franța).

În 1848, Louis Pasteur, în timp ce studia cristalele de acid tartric, a observat că tartratul de Na-amoniu optic inactiv exista sub forma a două tipuri de cristale, care erau imagini în oglindă. Pasteur a împărțit cristalele dreptaci și stângaci. Soluțiile lor apoase s-au dovedit a fi optic active. Rotația specifică a celor două soluții a fost aceeași ca mărime, dar diferită ca semn. Deoarece s-au observat diferite rotații optice pentru soluții, Pasteur a concluzionat că această proprietate caracterizează moleculele, nu cristalele, și a sugerat că moleculele acestor substanțe sunt imagini în oglindă. Această presupunere a stat la baza stereochimiei, care studiază structura spațială a moleculelor și influența acesteia asupra proprietăților chimice și fizice ale substanțelor.

Prima teorie stereochimică care explică motivele activității optice a substanțelor a fost creată în 1874 de către doi oameni de știință simultan - chimistul olandez J.H. Van't Hoff și francezul J. Le Bel. Baza acestei teorii a fost conceptul unui model tetraedric al atomului de carbon, adică toate cele patru valențe ale unui atom de carbon nu se află în același plan, ci sunt direcționate către colțurile tetraedrului.

S-a constatat că cel mai adesea activitatea optică se datorează prezenței în moleculă atom de carbon asimetric, adică C-atom, ale cărui valențe, direcționate către colțurile tetraedrului, sunt umplute cu atomi diferiți sau grupuri de atomi (radicali sau substituenți). C-atomii asimetrici din chimie denotă *. De exemplu:

acid malic gliceraldehidic

Fenomenul activității optice este asociat cu prezența izomerilor optici - substanțe care au aceeași ordine de legături între atomi într-o moleculă, dar dispunerea lor spațială diferită. În ceea ce privește structura spațială, izomerii optici sunt ca niște imagini în oglindă unul cu altul, adică antipode oglindă sau enantiomeri. Enantiomerii se referă unul la altul drept mâna dreaptă și stânga. Toate constantele enantiomerilor, cu excepția rotației specifice (α), sunt aceleași.

Două forme ale unei substanțe cu conformații opuse oglinzii rotesc un fascicul de lumină polarizat în direcții opuse: (+) - la dreapta, (-) - la stânga cu același unghi, se numesc antipode optice sau enantiomeri.

Metoda de desemnare convențională general acceptată în prezent a fost propusă mai întâi de E. Fisher (1891), apoi oarecum modificată de M.A. Rozanov (1906) și discutat în detaliu de Hudson (1949). Aldehida glicerică este utilizată ca standard:

D (+) - glicerină L (-) - glicerină

aldehidă aldehidă

Cu toate acestea, sa dovedit că apartenența la tipul de configurație D (d) sau L (l) nu înseamnă întotdeauna că direcția de rotație merge (+) la dreapta sau (-) la stânga. Este posibil ca D să fie o conformație și să rotească planul fasciculului polarizat spre stânga (-) sau L să fie o conformație și să se rotească spre dreapta (+). Prin urmare, denumirile literelor D (d) sau L (l) determină orientarea spațială a atomilor sau grupurilor atomice în jurul unui atom C asimetric și semnele (+) - rotația dreaptă, (-) - rotația stânga.

Un amestec de forme (+) și (-) (și în majoritatea cazurilor este un amestec de forme D- și L) într-un raport 1: 1 se numește racemat sau amestec racemic. Este optic inactiv (±). Dacă există mai mulți atomi de C asimetrici într-un compus organic, numărul izomerilor optici este determinat de formula:

unde N este numărul de izomeri optici;

n este numărul de atomi de C asimetrici.

Izomeria acidului lactic

D (-) - acid lactic L (+) - acid lactic

(Format în mușchi în timpul muncii intense) (Format când laptele acru)

Izomeria acidului tartric

Acid mezotartaric L (-) - tartric D (+) - acid tartric

În mezo-forme, o jumătate a moleculei are o configurație (+), cealaltă configurație (-) (de exemplu, acid mezo-tartric). Ca rezultat al „compensării interne” a semnului de rotație, mezo-formele sunt optic inactive și, spre deosebire de racemați, nu pot fi împărțite în enantiomeri.

Valoarea izomerismului optic

Fiecare substanță optic activă, atunci când este examinată în anumite condiții, rotește planul de polarizare cu un anumit unghi, a cărui valoare este constantă și caracteristică pentru substanța dată, adică aceeași constantă ca punctul de topire, punctul de fierbere al unei substanțe, densitatea etc. Se numește constanta care caracterizează activitatea optică a unei substanțe rotație specifică. Astfel, prin determinarea rotației specifice, se poate determina autenticitatea substanței.

Izomeria optică are o mare importanță biologică. Enzimele care catalizează reacțiile biochimice la organismele vii au specificitate optică, adică ele acționează numai asupra anumitor izomeri optici (de exemplu, D-monozaharide, L-aminoacizi etc.). Enzimele nu acționează asupra antipodelor optice ale acestor substanțe; nu-i implicați în metabolism. Acumularea în țesuturi, astfel de izomeri poate provoca procese patologice.

Se manifestă în cazurile în care izomerii aceluiași compus, în legătură cu aranjament diferit de substituenți la anumit centru, nu este compatibil în spațiu... Pentru derivații din seria alifatică, izomerismul este asociat cu caracteristicile stereochimice ale atomului de carbon hibrid sp 3.

Chiar și Le-Bel de la sfârșitul secolului al XVIII-lea a sugerat structura tetraedrică a atomului de carbon. În cazul în care un atom de carbon este conectat cu patru diferite substituenți, devine posibilă existența a 2 izomeri, care sunt imagini în oglindă unul cu celălalt.

Se numește un atom de carbon având toți substituenții diferiți asimetric sau chiral centru ("hiros" - mână).

Luați în considerare exemplul de formule promițătoare:

Stereoizomerii I și II sunt incompatibili în spațiu, sunt antipode sau izomeri optici ( enantiomeri, stereomeri).

Formule de proiecție Fisher

Luați în considerare formule promițătoare într-un plan diferit.

Așezați centrul asimetric (atomul de carbon) în planul foii; supleanți Ași bîn spatele planului foii ( din observator); supleanți fși d deasupra planului foii ( mai aproape de observator) - în conformitate cu săgețile care indică direcția privirii observatorului. Obținem o direcție reciproc perpendiculară a legăturilor cu centrul chiral. O astfel de construcție de izomeri se numește formule de proiecție Fisher.

Astfel, în formulele de proiecție Fischer, substituenții localizați orizontal sunt direcționați către observator și vertical - dincolo de planul foii.

La construirea formulelor de proiecție, cei mai voluminoși substituenți sunt așezați vertical. Dacă substituenții sunt atomi sau grupuri mici care nu sunt legate de lanțul principal, atunci sunt dispuși orizontal. Pentru 2-bromobutan

sunt două antipod:

Enantiomerii, antipodele, stereomerii sunt practic indistincte prin proprietățile lor (punctul de fierbere, punctul de topire etc.) și au, de asemenea, constante termodinamice similare. În același timp, au diferențe:

4) - antipodele solide cristalizează cu formarea unor cristale asemănătoare oglinzilor, dar incompatibile în spațiu.

5) - antipodele rotesc planul luminii polarizate cu același unghi, dar în direcții diferite. Dacă unghiul de rotație al luminii este pozitiv (în sensul acelor de ceasornic), atunci antipodul se numește dextrorotator, dacă este negativ (în sens invers acelor de ceasornic), atunci se numește levorotator.

Unghiul de rotație optică a luminii polarizate plan este desemnat [ α D]. Dacă [ α D] = -31,2 °, a fost studiat antipodul levorotator.

Dispozitiv polarimetru

Substanțele care pot roti planul luminii polarizate sunt numite optic active sau optic active.

Un amestec de doi enantiomeri într-un raport 1: 1 nu rotește planul luminii polarizate și se numește un amestec racemic, un racemat.

Dacă un antipod predomină în amestec peste altul, atunci se vorbește despre puritatea sa optică (ee). Se calculează din diferența de conținut de enantiomeri din amestec.

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

Amine secundare și terțiare poate fi, de asemenea, optic activ. Al patrulea substituent este perechea izolată de electroni de pe atomul de azot.

5.4.1 Diastereomeri

Diastereometria este un fenomen care are un efect mai semnificativ asupra proprietăților substanțelor și se observă în cazurile în care există doi sau mai mulți centri asimetrici în compus. De exemplu:

4-cloropentanol-2

Să prezentăm toate antipodele posibile (I-IV) pentru conectare:

Izomerii optici (stereoizomeri) ai aceluiași compus care nu sunt antipode se numesc diastereomeri. Adică, perechile de izomeri I și III, I și IV, II și III, II și IV sunt perechi diastereomerice. Numărul de izomeri este calculat prin formula: q = 2 n, unde

q este numărul total de stereoizomeri,

n este numărul de centre asimetrice (C *).

De exemplu, glucoza are 4 centri chirali, apoi q = 2 4 = 16 (D-glucoză - 8 izomeri, L-glucoză - 8 izomeri).

D-glucoza

În natură, există cazuri în care atomii asimetrici dintr-un compus au același mediu. Acest lucru duce la faptul că jumătate din antipode nu sunt optic active.

acid vinic

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mezoformă

Mesoformul este o formă optic inactivă rezultată din simetria internă într-o substanță activă optic.

Spre deosebire de antipode, diastereomerii diferă în punctul de fierbere, densitatea (d 4 20), indicele de refracție (n 4 20) etc.

A introdus termenul ISOMERIAși a sugerat că diferențele apar din „distribuția diferită a atomilor simpli într-un atom complex” (adică, o moleculă). Isomeria a primit o explicație adevărată abia în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. bazat pe teoria structurii chimice a lui A. M. Butlerov (izomerism structural) și stereochimia lui Ya. G. Van't Hoff (izomerism spațial).

Izomeria structurală

Izomeria structurală este rezultatul diferențelor de structură chimică. Acest tip include:

Izomeria lanțului de hidrocarburi (scheletul de carbon)

Izomeria scheletului de carbon, datorită ordinii diferite de legătură a atomilor de carbon. Cel mai simplu exemplu este butan CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 și izobutan (CH 3) 3 CH. Dr. exemple: antracen și fenantren (formulele I și, respectiv, II), ciclobutan și metilciclopropan (III și IV).

Izomeria valenței

Izomeria valenței (un tip special de izomerie structurală), în care izomerii pot fi transformați între ei numai datorită redistribuirii legăturilor. De exemplu, izomerii de valență ai benzenului (V) sunt biciclohexa-2,5-diena (VI, „benzenul lui Dewar”), Prisman (VII, „benzenul Ladenburg”), benzvalenul (VIII).

Izomerie funcțională de grup

Diferă prin natura grupului funcțional. Exemplu: Etanol (CH 3-CH 2 -OH) și dimetil eter (CH 3 -O-CH 3)

Izomeria poziției

Un tip de izomerism structural caracterizat printr-o diferență în poziția acelorași grupuri funcționale sau legături duble cu același schelet de carbon. Exemplu: acid 2-clorobutanoic și acid 4-clorobutanoic.

Izomerism spațial (stereoizomerism)

Enantiomerism (izomerism optic)

Izomeria spațială (stereoizomerismul) rezultă din diferențele în configurația spațială a moleculelor cu aceeași structură chimică. Acest tip de izomer este subdivizat în enantiomerism(izomerism optic) și diastereomerism.

Enantiomerii (izomeri optici, izomeri oglindă) sunt perechi de antipode optice ale substanțelor caracterizate prin semne opuse și rotații egale ale planului de polarizare a luminii cu identitatea tuturor celorlalte proprietăți fizice și chimice (cu excepția reacțiilor cu alte substanțe optic active și fizice proprietăți într-un mediu chiral). Un motiv necesar și suficient pentru apariția antipodelor optice este atribuirea unei molecule și a unuia dintre următoarele grupuri de simetrie punctuală C n, D n, T, O, I (Chiralitate). Cel mai adesea vorbim despre un atom de carbon asimetric, adică un atom asociat cu patru substituenți diferiți, de exemplu:

Alți atomi pot fi, de asemenea, asimetrici, de exemplu, atomi de siliciu, azot, fosfor, sulf. Prezența unui atom asimetric nu este singurul motiv pentru enantiomerism. Astfel, există derivați antipodici optici ai adamantanului (IX), ferocenului (X), 1,3-difenilalenului (XI), acidului 6,6 "-dinitro-2,2" -difenoic (XII). Motivul activității optice a ultimului compus este atropisomerismul, adică izomerismul spațial cauzat de absența rotației în jurul unei legături simple. Enantiomerismul se manifestă și prin conformațiile elicoidale ale proteinelor, acizilor nucleici, hexagelicenului (XIII).

(R) -, (S) - nomenclatura izomerilor optici (regulă de denumire)

Celor patru grupuri atașate atomului de carbon asimetric C abcd li se atribuie vechimi diferite corespunzătoare secvenței: a> b> c> d. În cel mai simplu caz, prioritatea este stabilită de numărul ordinal al atomului atașat la atomul de carbon asimetric: Br (35), Cl (17), S (16), O (8), N (7), C ( 6), H (1) ...

De exemplu, în acidul bromocloracetic:

Precedența substituenților la un atom de carbon asimetric este următoarea: Br (a), Cl (b), C din grupul COOH (c), H (d).

În butanol-2, oxigenul este substituentul principal (a), hidrogenul este juniorul (d):

Este necesar să se rezolve problema substituenților CH3 și CH2CH3. În acest caz, vechimea este determinată de numărul ordinal sau de numărul altor atomi din grup. Conducerea rămâne cu gruparea etil, deoarece în ea primul atom de C este legat de un alt atom de C (6) și de alți atomi de H (1), în timp ce în grupul metil carbonul este legat de trei atomi de H cu numărul de serie 1. cazurile mai complexe continuă să compare toți atomii până când ajung la atomi cu numere de serie diferite. Dacă există legături duble sau triple, atunci atomii care sunt cu ei sunt numărați ca doi și, respectiv, trei atomi. Astfel, grupul -COH este considerat ca C (O, O, H), iar grupul -COOH - ca C (O, O, OH); grupa carboxil este mai veche decât grupa aldehidă, deoarece conține trei atomi cu numărul atomic 8.

În aldehida D-glicerolică, gruparea OH (a) este cea mai veche, urmată de CHO (b), CH2OH (c) și H (d):

Următorul pas este de a determina dacă dispunerea grupurilor este dreaptă, R (latină rectus) sau stânga, S (latină sinistră). Trecând la modelul corespunzător, este orientat astfel încât grupul junior (d) din formula de perspectivă să fie în partea de jos și apoi privit de sus de-a lungul axei care trece prin fața umbrită a tetraedrului și a grupului (d). În grupările D-glicirină aldehidă

sunt situate în direcția de rotație în sensul acelor de ceasornic și, prin urmare, are o configurație R:

(R) -aldehidă glicerică

Spre deosebire de nomenclatura D, L, denumirile izomerilor (R) - și (S) - sunt închise între paranteze.

Diastereomerismul

σ-diastereomerism

Orice combinație de izomeri spațiali care nu constituie o pereche de antipode optice sunt considerate diastereomerice. Distingeți între diastereomerii σ și π. σ-diastereomerii diferă între ei prin configurația unora dintre elementele de chiralitate prezente în ele. Deci, diastereomerii sunt (+) - acid tartric și acid mezo-tartric, D-glucoză și D-manoză, de exemplu:

Pentru unele tipuri de diastereomerism, au fost introduse denumiri speciale, de exemplu, treo și eritroizomeri - acesta este diastereomerismul cu doi atomi și spații de carbon asimetrici, dispunerea substituenților pe acești atomi, care amintește de treoza corespunzătoare (substituenții înrudiți sunt pe laturile opuse în formulele de proiecție ale lui Fisher) și eritroza (supleanți - pe o parte):

Eritroizomerii, care atomii asimetrici sunt legați de aceiași substituenți, se numesc mezoforme. Aceștia, spre deosebire de alți diastereomeri σ, sunt optic inactivi din cauza compensării intramoleculare a contribuțiilor la rotația planului de polarizare a luminii de la doi centri asimetrici identici cu configurație opusă. Perechile de diastereomeri care diferă în configurația unuia dintre mai mulți atomi asimetrici se numesc epimeri, de exemplu:

Termenul "anomeri" se referă la o pereche de monozaharide diastereomerice care diferă în configurația atomului glicozidic sub formă ciclică, de exemplu α-D- și β-D-glucoză anomerică.

π-diastereomerism (izomerism geometric)

π-diastereomerii, numiți și izomeri geometrici, diferă între ei prin aranjamentul spațial diferit al substituenților față de planul legăturii duble (cel mai adesea C = C și C = N) sau inelul. Acestea includ, de exemplu, acizii maleici și fumarici (formulele XIV și respectiv XV), (E) - și (Z) -benzaldoxime (XVI și XVII), cis- și trans-1,2-dimetilciclopentani (XVIII și XIX) .

Conformatori. Tautomeri

Fenomenul este indisolubil legat de condițiile de temperatură ale observării sale. De exemplu, clorociclohexanul la temperatura camerei există sub forma unui amestec de echilibru a doi conformeri - cu orientări ecuatoriale și axiale ale atomului de clor:

Cu toate acestea, la minus 150 ° C, se poate distinge o formă a individuală, care se comportă în aceste condiții ca un izomer stabil.

Pe de altă parte, compușii care sunt izomeri în condiții normale se pot dovedi a fi tautomeri în echilibru cu creșterea temperaturii. De exemplu, 1-bromopropan și 2-bromopropan sunt izomeri structurali; totuși, pe măsură ce temperatura crește la 250 ° C, între aceștia se stabilește o caracteristică de echilibru a tautomerilor.

Izomerii care se transformă între ei la temperaturi sub temperatura camerei pot fi considerați ca molecule non-rigide.

Existența conformerilor este uneori denumită „izomerism rotațional”. Dintre diene, se disting izomerii s-cis și s-trans, care, în esență, sunt conformeri care rezultă din rotația în jurul unei legături simple (s-simple):

Izomeria este, de asemenea, caracteristică compușilor de coordonare. Deci, compușii izomeri care diferă prin metoda de coordonare a liganzilor (izomerism de ionizare), de exemplu, izomeri:

SO 4 - și + Br -

Aici, în esență, există o analogie cu izomerismul structural al compușilor organici.

Transformările chimice, în urma cărora izomerii structurali sunt convertiți între ei, se numește izomerizare. Astfel de procese sunt esențiale în industrie. De exemplu, izomerizarea alcanilor normali în izoalcani se realizează pentru a crește numărul octanic al combustibililor pentru motoare; pentanul este izomerizat în izopentan pentru deshidrogenarea ulterioară în izopren. Rearanjările intramoleculare sunt, de asemenea, izomerizare, dintre care, de exemplu, conversia ciclohexanonei oximei în caprolactamă, o materie primă pentru producerea de nailon, are o mare importanță.

Procesul de interconversie a enantiomerilor se numește racemizare: duce la dispariția activității optice ca urmare a formării unui amestec echimolar de forme (-) - și (+) -, adică un racemat. Interconversia diastereomerilor duce la formarea unui amestec în care predomină o formă termodinamic mai stabilă. În cazul diastereomerilor π, de obicei forma trans. Interconversia izomerilor conformaționali se numește echilibru conformațional.

Fenomenul izomerismului contribuie foarte mult la creșterea numărului de compuși cunoscuți (și cu atât mai mult cu numărul de compuși potențial posibili). Deci, numărul posibil de decil alcooli izomerici din punct de vedere structural este mai mare de 500 (aproximativ 70 dintre ei sunt cunoscuți), există mai mult de 1500 de spații, izomeri.

În considerarea teoretică a problemelor izomerismului, metodele topologice sunt din ce în ce mai răspândite; formulele matematice sunt derivate pentru a calcula numărul de izomeri. Pentru a desemna spații, izomeri de diferite tipuri, a fost dezvoltată o nomenclatură stereochimică, colectată în secțiunea E a Regulilor IUPAC de nomenclatură pentru chimie.

Literatură

Fizer L., Fizer M., Chimie organică. Curs avansat. vol. 1. lane din engleză, Ed. Doctor în științe chimice NS. Wolfson. Ed. "Chimie". M., 1969.
Palm VA, Introducere în chimia organică teoretică, M., 1974;
Sokolov V I., Introducere în stereochimia teoretică, M., 1979;
Slanina 3., Aspecte teoretice ale fenomenului izomerismului în chimie, trad. din Cehia, M., 1984;
Potapov V.M., Stereochimie M., 1988.