Exemples d'isomères optiques. Bases de la stéréochimie. Développement méthodologique pour les étudiants des facultés de chimie, de biologie et de médecine des universités Types d'isomérie. Détermination de l'ordre de préséance des substituants sur un atome asymétrique

L'étude des hydroxyacides était extrêmement importante pour le développement de la science de la structure spatiale des molécules - la stéréochimie. Une caractéristique de la structure spatiale de nombreux acides hydroxylés est la présence d'un atome de carbone avec quatre substituants différents. Par exemple, l'acide lactique :

Ces atomes sont appelés atomes de carbone asymétriques ou atomes de carbone chiraux (centres chiraux). Dans les formules, les atomes de carbone asymétriques sont indiqués par un astérisque.

Les molécules ayant des atomes de carbone asymétriques peuvent être représentées sous la forme de deux isomères spatiaux, distingués comme un objet et son image miroir :

Les isomères qui diffèrent les uns des autres uniquement par la disposition des atomes dans l'espace sont appelés stéréoisomères. L’arrangement des atomes qui caractérise un stéréoisomère particulier est appelé configuration. Les stéréoisomères qui diffèrent à la fois par l'objet et par son image miroir sont appelés énantiomères. Les énantiomères sont des substances optiquement actives : ils sont capables de faire pivoter le plan de polarisation de la lumière. De plus, d’une paire d’énantiomères, on fait pivoter le plan de polarisation vers la droite. Cet isomère est dit dextrogyre et est désigné par le signe « (+) ». L'autre isomère fait tourner le plan de polarisation vers la gauche. Cet isomère est dit lévogyre et est désigné par le signe « (-) ». Les isomères qui diffèrent uniquement par le signe de rotation sont appelés antipodes optiques.

Lors de la représentation de composés optiquement actifs, des formules de projection sont utilisées, qui sont des projections de modèles tétraédriques des molécules correspondantes sur le plan de dessin :

Lors de la représentation des formules de projection, on suppose que les groupes situés au-dessus et en dessous sont situés derrière le plan de dessin et que les groupes situés à gauche et à droite sont devant le plan de dessin. Par conséquent, les formules ne peuvent pas pivoter de 90 0 dans le plan de dessin, mais peuvent pivoter de 180 0. Par exemple:

Les composés 1 et 2 sont des antipodes optiques, puisque 2 est obtenu en faisant tourner 1 de 90 0 . La formule 3 est obtenue à partir de 1 en effectuant une rotation de 180 0, donc 3 équivaut à 1.

Pour la direction et l’ampleur de la rotation du plan de polarisation, il n’existe pas de modèle défini de relation avec la structure des composés optiquement actifs. On peut noter que l'acide lactique contenu dans les muscles fait pivoter le plan de polarisation vers la droite et est appelé dextrogyre (+). Il est également admis que l'acide lactique, formé lors de la fermentation du saccharose, en présence de bactéries, fait tourner le plan de polarisation vers la gauche et est appelé lévogyre (-).

Il est impossible d'établir par des méthodes chimiques comment les atomes des molécules d'isomères optiques sont situés les uns par rapport aux autres. Ceux. Il est chimiquement impossible de déterminer quelle est la configuration naturelle ou absolue d'une substance optiquement active. Pour la première fois, les scientifiques n'ont pu l'établir qu'en 1949 en utilisant la méthode physique d'analyse structurelle aux rayons X.

Jusqu'à présent, les chimistes ne pouvaient se limiter qu'à établir la configuration des substances optiquement actives par rapport à toute substance optiquement active acceptée comme standard. La configuration dite relative. La base de cette approche était qu'il était possible de transformer une substance prise comme étalon en une substance d'intérêt de telle sorte que la configuration de l'atome de carbone asymétrique ne soit pas perturbée.

En 1906, le glycéraldéhyde a été choisi comme standard car il s'agit du composé polyhydroxycarbonyle le plus simple capable d'isomérie optique. La configuration suivante a été attribuée au glycéraldéhyde dextrogyre, désigné « D » :

En conséquence, son antipode optique a reçu la configuration suivante et désigné par « L » :

En 1951, l'analyse par diffraction des rayons X montra que la configuration absolue du glycéraldéhyde choisie au hasard était correcte.

Sur la base de la configuration absolue du glycéraldéhyde, les configurations relatives d'autres substances optiquement actives ont été établies. Ainsi, la configuration relative de l’acide lactique a été établie pour le D-(+)-glycéraldéhyde comme suit :

En oxydant le groupe aldéhyde en un groupe carboxyle et en réduisant le groupe hydroxyméthylène en un groupe méthyle, il a été établi que l'acide lactique lévogyre correspond à la configuration D.

Les configurations relatives de nombreuses substances ont été établies de cette manière.

Ainsi, pour l'acide malique optiquement actif, qui fait tourner le plan de polarisation vers la droite, la configuration suivante par rapport au D-(+)-glycéraldéhyde a été établie :

Lorsque l'acide D-(+)-malique est traité avec du pentachlorure de phosphore, on obtient de l'acide L-(-) succinique :

Ceux. Dans ce cas, la configuration a été inversée.

Si l'acide L-(-) succinique est traité avec de l'oxyde d'argent humide, on obtient de l'acide L-(-)-malique :

Cependant, si l'acide malique est obtenu en ajoutant de l'eau à l'acide fumarique ou maléique, le résultat est un produit qui n'a pas d'activité optique :

Puisque la structure de l'acide malique détermine l'activité optique obligatoire, dans le cas de l'hydratation d'acides insaturés, on obtient un mélange de quantités égales de deux isomères optiques.

Un ensemble de quantités égales d’énantiomères est appelé modification racémique ou racémate .

Les trois cas considérés diffèrent par les mécanismes de formation du produit. Une modification racémique se forme si la réaction passe par l'étape d'un carbocation stable, dont l'attaque est possible des deux côtés.

Si l'attaque par le carbocation n'est possible que d'un seul côté, alors le produit conserve sa configuration. Ce cas est possible dans les acides dicarboxyliques, où, en raison de l'interaction des groupes carboxyle, l'accès au centre réactionnel n'est possible que d'un seul côté.

Avec la substitution nucléophile, qui se produit via le mécanisme S N 2, la configuration est inversée. La soi-disant conversion Walden.

La complexité croissante de la structure des substances optiquement actives a commencé à nécessiter une systématisation des désignations de configuration. Le système dit R, S a été introduit. Selon ce système, la préséance, ou séquence de substituants liés par un atome asymétrique, est d'abord déterminée sur la base des règles de préséance.

1. Si quatre atomes différents sont associés à un atome de carbone asymétrique, alors l'ancienneté est déterminée par le numéro de série dans le tableau périodique : plus le nombre est élevé, plus le substituant est ancien.

2. Si l'ancienneté ne peut pas être déterminée par les premiers atomes associés à un atome asymétrique, alors l'ancienneté est déterminée de la même manière par les seconds atomes, etc.

3. Si les atomes associés à un atome de carbone asymétrique ont un nombre différent de substituants construits à partir d'atomes ayant le même numéro atomique, alors l'atome senior est celui qui possède le plus grand nombre de substituants.

4. Si un atome est relié par deux ou trois liaisons, il est alors compté pour deux atomes. Il s'ensuit que COOH est plus ancien que CHO et CHO est plus ancien que CH 2 OH.

Après avoir déterminé l'ancienneté, la molécule est positionnée de manière à ce que le groupe le plus bas soit éloigné de l'observateur, et la disposition des groupes restants est prise en compte. Si l'ancienneté diminue dans le sens des aiguilles d'une montre, alors la configuration est désignée par le symbole « R » - du latin « droit ». Si l'ancienneté diminue dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, alors la configuration est désignée par le symbole « S » - du latin « gauche ».

Dans ce cas, le système R, S reflète la configuration absolue de l’atome de carbone asymétrique. Selon ce système, les énantiomères du glycéraldéhyde seront désignés comme suit :

Le nom complet du composé optiquement actif reflète la configuration et le sens de rotation. Une modification racémique peut être désignée par le symbole (R,S), par exemple l'acide (R,S)-malique.

Chaque atome de carbone asymétrique possède deux antipodes et un racémate. La formule générale du nombre d'isomères optiques est N = 2 n, où n est le nombre d'atomes de carbone asymétriques. Cependant, pour l’acide dihydroxysuccinique, qui possède deux centres chiraux :

une anomalie est constatée.

Les acides dihydroxysucciniques sont appelés acides tartriques. Les isomères optiquement actifs de l'acide tartrique peuvent être représentés par les formules de projection suivantes :

Un mélange racémique d’acides tartriques (R, S)-tartriques est appelé acide de raisin. L'acide (+)-tartrique, également appelé acide tartrique, se trouve dans le jus des baies. Son sel de potassium est libéré sous forme de crème de tartre lors de la fermentation du jus de raisin. L'acide (-)-tartrique est obtenu à partir de l'acide de raisin.

Les exemples donnés indiquent deux isomères et un racémate. Selon la formule, il devrait y avoir deux isomères supplémentaires. Ces isomères doivent correspondre aux formules de projection suivantes :

Si l'une des formules de projection de l'acide mésotartique subit une rotation de 180 0, alors les projections coïncideront. Ceux. les formules représentent le même stéréoisomère. Sa particularité est que la rotation provoquée par un atome de carbone asymétrique est compensée par la rotation en sens inverse provoquée par un autre atome de carbone.

Dans ce cas, l'inactivité optique du stéréoisomère est due à la symétrie de la molécule.

Dans le même temps, l’acide mésotartrique n’est pas une image miroir des acides tartriques. Les stéréoisomères qui ne sont pas des images miroir sont appelés diastéréomères.

ISOMÉRISME OPTIQUE. « Quand une molécule se regarde dans un miroir » était le titre inhabituel d'un article publié dans le numéro de juin 1996 d'une revue américaine consacrée à l'enseignement de la chimie.(Journal d'éducation chimique).Et sur la première page de la couverture de ce numéro, il y avait aussi un dessin inhabituel. Sur le côté du chien, qui remuait gentiment la queue, se trouvait la formule développée de la pénicillamine. Le chien se regarda dans le miroir, et de là, une bête terrible avec la gueule aux crocs découverts et les poils hérissés le regarda. Du côté de la bête était représentée la même formule structurelle comme une image miroir de la première. Pourquoi une seule et même substance a-t-elle des apparences si différentes ? Cela s'explique par la propriété particulière de certains composés chimiques, étroitement liée à leur activité optique.Polarisation de la lumière et activité optique. Au début du 19ème siècle. Physicien, astronome et médecin anglaisThomas Younga montré que la lumière peut être considérée comme une onde. physicien françaisAugustin Fresnelétabli que les ondes lumineuses sont transversales : leurs vibrations se produisent perpendiculairement à la direction du mouvement (comme les vagues à la surface de l'eau : la vague avance et un flotteur sur l'eau oscille de haut en bas). Déjà au 20e siècle. Il a été découvert que la lumière est une onde électromagnétique, comme une onde radio, seule la longueur d’onde de la lumière est beaucoup plus courte. Le terme « électromagnétique » signifie que la lumière possède des champs électriques et magnétiques qui oscillent périodiquement, comme les vagues à la surface de la mer. Nous nous intéressons désormais uniquement aux oscillations du champ électrique. Il s’avère que ces vibrations ne se produisent pas de manière aléatoire, mais uniquement perpendiculairement à la direction du faisceau lumineux. Dans la lumière ordinaire (émise par exemple par le soleil, les lampes à incandescence), les vibrations se produisent de manière aléatoire, dans toutes les directions. Mais après avoir passéà travers certains cristaux, comme la tourmaline ou le spath d'Islande (une variété transparente de calcite CaCO 3 ), la lumière acquiert des propriétés particulières : le cristal, pour ainsi dire, « coupe » toutes les vibrations du champ électrique, à l'exception d'une située dans un certain plan. Au sens figuré, un faisceau de cette lumière est comme un fil de laine tiré à travers un espace étroit entre deux lames de rasoir tranchantes.

physicien français

Etienne Louis Maluscroyait que la lumière était constituée de particules avec deux pôles, « nord » et « sud », et que dans la lumière traversant le longeron islandais, tous les pôles étaient tournés dans une direction. C’est pourquoi il a appelé cette lumière polarisée. Il a été découvert que la lumière est partiellement polarisée lorsqu'elle est réfléchie sous certains angles ou réfractée par des surfaces diélectriques brillantes telles que le verre. La théorie de Malus n'a pas été confirmée, mais le nom est resté. L’œil humain ne peut pas distinguer la lumière ordinaire de la lumière polarisée, mais cela peut être facilement fait à l’aide d’instruments optiques simples : polarimètres ; Ils sont utilisés, par exemple, par les photographes : les filtres polarisants aident à éliminer les reflets sur une photographie qui se produisent lorsque la lumière est réfléchie par la surface de l'eau.

Il s'est avéré que lorsque la lumière polarisée traverse certaines substances, un phénomène intéressant se produit : le plan dans lequel se trouvent les « flèches » du champ électrique oscillant tourne progressivement autour de l'axe le long duquel se déplace le faisceau. Ce phénomène a été découvert pour la première fois en 1811 par un physicien français

François Dominique Aragoen cristaux de quartz. Les cristaux de quartz naturel ont une structure irrégulière et asymétrique et se déclinent en deux types, qui diffèrent par leur forme, comme un objet par rapport à son image dans un miroir. Ces cristaux font tourner le plan de polarisation de la lumière dans des directions opposées ; on les appelait droitiers et gauchers.

En 1815, un autre physicien français

Biographie de Jean Baptisteet le physicien allemand Thomas Seebeck a découvert que certaines substances organiques (par exemple le sucre ou la térébenthine) possèdent également cette propriété, non seulement à l'état cristallin, mais aussi à l'état liquide, dissous et même gazeux. Ainsi, il a été prouvé que l'activité optique peut être associée non seulement à l'asymétrie des cristaux, mais également à une propriété inconnue des molécules elles-mêmes. Il s'est avéré que, comme dans le cas des cristaux, certains composés chimiques peuvent exister sous forme de variétés à droite et à gauche, et l'analyse chimique la plus minutieuse ne révèle aucune différence entre eux ! En fait, il s’agissait d’un nouveau type d’isomérie, appelée isomérie optique. Il s'est avéré qu'en plus des isomères droitiers et gauchers, il existe un troisième type d'isomères - optiquement inactifs. Cela a été découvert en 1830 par le célèbre chimiste allemandJons Jacob Berzeliusen prenant l'exemple de l'acide (dihydroxysuccinique) de raisin HOOCCH(OH)CH(OH)COOH : cet acide est optiquement inactif, et l'acide tartrique d'exactement même composition a une rotation droite en solution. Plus tard, on a également découvert l'acide tartrique « gaucher », l'antipode de l'acide dextrogyre, qui n'est pas présent dans la nature.

Les isomères optiques peuvent être distingués à l'aide d'un polarimètre, un appareil qui mesure l'angle de rotation du plan de polarisation. Pour les solutions, cet angle dépend linéairement de l'épaisseur de la couche et de la concentration de la substance optiquement active (loi de Biot). Pour différentes substances, l'activité optique peut varier dans des limites très larges. Ainsi, dans le cas de solutions aqueuses de différents acides aminés à 25

° Activité spécifique C (elle est notée [ annonce et mesuré pour la lumière d'une longueur d'onde de 589 nm à une concentration de 1 g/ml et une épaisseur de couche de 10 cm) est égal à 232° pour la cystine, 86,2° pour la proline, 11,0° pour la leucine, +1,8° pour l'alanine, +13,5° pour la lysine et +33,2° pour les asparagines. Les polarimètres modernes permettent de mesurer la rotation optique avec une très grande précision (jusqu'à 0,001° ). De telles mesures permettent de déterminer rapidement et avec précision la concentration de substances optiquement actives, par exemple la teneur en sucre des solutions à toutes les étapes de sa production, des produits bruts aux solutions concentrées et à la mélasse.La découverte de Pasteur. Les physiciens associaient l'activité optique des cristaux à leur asymétrie ; les cristaux complètement symétriques, par exemple les cristaux cubiques de sel de table, sont optiquement inactifs. La raison de l’activité optique des molécules est restée longtemps complètement mystérieuse. La première découverte qui a mis en lumière ce phénomène a été faite en 1848 par personne.alors inconnuLouis Pasteur. Même lorsqu'il était étudiant, Pasteur s'intéressait à la chimie et à la cristallographie, travaillant sous la direction du physicien J.B. Biot et d'un éminent chimiste français.Jean-Baptiste Dumas. Diplômé de l'Ecole Normale Supérieure de Paris, le jeune (il n'avait que 26 ans) Pasteur travaille comme laborantin pour Antoine Balard. Balard était déjà un chimiste célèbre, devenu célèbre 22 ans plus tôt grâce à la découverte du nouvel élément brome. Il a confié à son assistant un sujet sur la cristallographie, sans s'attendre à ce que cela conduise à une découverte exceptionnelle.

Au cours de ses recherches, Pasteur a obtenu le sel acide de sodium de l'acide C du raisin.

4H5O6 Na, saturé la solution avec de l'ammoniaque et évaporé lentement l'eau pour obtenir de beaux cristaux prismatiques de sel de sodium-ammonium C 4 H 3 O 6 NaNH 4 . Ces cristaux se sont révélés asymétriques, certains d'entre eux étaient comme le reflet des autres : la moitié des cristaux avaient une face caractéristique à droite, tandis que d'autres en avaient une à gauche. Armé d'une loupe et d'une pince à épiler, Pasteur sépare les cristaux en deux tas. Comme on pouvait s’y attendre, leurs solutions avaient une rotation optique opposée. Pasteur ne s'arrête pas là. De chaque solution, il a isolé l'acide d'origine (qui était inactif). Imaginez sa surprise lorsqu'il s'est avéré qu'une solution était le célèbre acide tartrique dextrogyre, et l'autre était le même acide, mais tournant vers la gauche !

Les souvenirs de témoins oculaires témoignent de l'incroyable excitation nerveuse du jeune scientifique qui le saisit à ce moment-là ; Comprenant ce qu'il avait réussi à faire, Pasteur sortit en courant du laboratoire et, rencontrant un laborantin dans la salle de physique, se précipita vers lui et, le serrant dans ses bras, s'écria : « Je viens de faire une grande découverte ! Et cela consistait dans le fait que l’acide de raisin inactif connu depuis longtemps est simplement un mélange de quantités égales de l’acide tartrique « droit » également connu et de l’acide « gauche » jusqu’alors inconnu. C'est pourquoi le mélange n'a pas d'activité optique. Pour un tel mélange, le nom de racémate a commencé à être utilisé (du latin racemus raisins). Et les deux antipodes de l'acide tartrique obtenus par Pasteur étaient appelés énantiomères (du grec enantios ci-contre). Pasteur a introduit pour eux les désignations d'isomères L et D (des mots latins laevus left et dexter right). Plus tard chimiste allemand

Émile Fischerassocié ces désignations à la structure de deux énantiomères de l'une des substances optiquement actives les plus simples, le glycéraldéhyde OHCH 2 CH(OH)CNO. En 1956, sur proposition des chimistes anglais Robert Kahn et Christopher Ingold et d'un chimiste suisseVladimir Prélogpour les isomères optiques, les désignations S (du latin sinister left) et R (latin rectus right) ont été introduites ; Un racémate est désigné par le symbole RS. Cependant, par tradition, les anciennes désignations sont également largement utilisées (par exemple, pour les glucides, les acides aminés). Il est à noter que ces lettres n'indiquent que la structure de la molécule (disposition « à droite » ou « à gauche » de certains groupes chimiques) et ne sont pas liées au sens de rotation optique ; ce dernier est indiqué par des signes plus et moins, par exemple D()-fructose, D(+)-glucose.

En plus de la « méthode manuelle », Pasteur a découvert deux autres méthodes pour séparer le racémate en deux antipodes. La méthode biochimique repose sur la capacité sélective de certains micro-organismes à assimiler un seul des isomères. Par exemple, la moisissure fongique

Pénicillum glaucum , poussant sur des solutions diluées d'acide de raisin ou de ses sels, « mange » uniquement l'isomère droit, laissant celui de gauche inchangé.

La troisième méthode de séparation des racémates était purement chimique. Mais il fallait au préalable disposer d'une substance optiquement active qui, lorsqu'elle interagissait avec un mélange racémique, n'en « sélectionnerait » qu'un seul énantiomère. Par exemple, une base organique optiquement active a donné un sel optiquement actif avec l'acide de raisin, à partir duquel l'énantiomère correspondant de l'acide tartrique a pu être isolé.

Théorie de l'isomérie optique. Les travaux de Pasteur, qui ont prouvé la possibilité de « diviser » un composé optiquement inactif en antipodes - énantiomères, ont initialement suscité la méfiance de nombreux chimistes. Même Biot lui-même n'a pas cru son assistant jusqu'à ce qu'il répète personnellement son expérience et soit convaincu que Pasteur avait raison. Ces travaux et les suivants de Pasteur ont attiré l'attention des chimistes. Bientôt Joseph Le Bel, utilisant la troisième méthode Pasteur, divisa plusieurs alcools en antipodes optiquement actifs. Johann Wislicenus a établi qu'il existe deux acides lactiques : optiquement inactif, formé dans le lait aigre (acide lactique de fermentation), et dextrogyre, qui apparaît dans les muscles qui travaillent (acide lactique). Les exemples similaires se multipliaient et il fallaitune théorie qui explique comment les molécules des antipodes diffèrent les unes des autres. Cette théorie a été créée par un jeune scientifique néerlandaisVan't Hoff. Selon cette théorie, les molécules, comme les cristaux, peuvent être « droitières » et « gaucheres », étant des images miroir les unes des autres. L’exemple le plus simple était celui-ci. L'atome de carbone dans les composés organiques est tétravalent, quatre liaisons chimiques en sont dirigées selon des angles égaux par rapport aux sommets du tétraèdre. Si tous les atomes ou groupes d'atomes situés aux sommets du tétraèdre et associés à l'atome de carbone central sont différents, alors deux structures différentes sont possibles qui ne sont pas compatibles entre elles par rotation dans l'espace. Si au moins deux des quatre substituants sont identiques, les molécules deviendront complètement identiques (cela peut être facilement vérifié à l'aide d'un modèle composé d'allumettes et de pâte à modeler colorée). De telles structures, qui diffèrent les unes des autres comme la main droite de la gauche, sont appelées chirales (du grec main héritière). Ainsi, l'activité optique est une conséquence de l'isomérie spatiale (stéréoisomérie) des molécules.

Un atome de carbone lié à quatre substituants différents est dit asymétrique. Les atomes d'autres éléments, tels que le silicium, l'azote, le phosphore et le soufre, peuvent également être asymétriques. Cependant, les composés sans atomes de carbone asymétriques peuvent également être optiquement actifs s’ils peuvent exister sous la forme de deux isomères en image miroir. Une molécule sera asymétrique si elle n'a pas un seul élément de symétrie - ni centre, ni axes, ni plan de symétrie. Un exemple est la molécule d'allène H

2C=C=CH2 , dans lequel il y a deux substituants différents : R 1 R 2 C=C=CR 1 R 2 . Le fait est que ces substituants ne sont pas dans un plan (comme, par exemple, dans les alcènes), mais dans deux plans mutuellement perpendiculaires. Par conséquent, l'existence de deux isomères miroirs est possible, qui ne peuvent être combinés entre eux par aucun mouvement ou rotation.

Des relations plus complexes se produisent dans le cas de molécules comportant plusieurs atomes de carbone asymétriques. Par exemple, dans l'acide tartrique, deux groupes hydroxyle sur deux atomes de carbone adjacents peuvent être disposés de telle sorte que la molécule s'avère symétrique et ne possède pas d'isomères miroir. Cela conduit à la formation d’un autre isomère optiquement inactif, appelé acide mésotartrique (ou antitartrique). Ainsi, l'acide dihydroxysuccinique peut être trouvé sous la forme de quatre isomères : dextrogyre (acide D-tartrique, qui en médecine est appelé acide tartrique), lévogyre (acide L-tartrique), optiquement inactif (acide mésotartrique), et également en mélange d'isomères L et R, c'est-à-dire le racémate (acide i-tartrique ou acide de raisin). Les acides tartriques optiquement actifs racémisent lorsque leurs solutions aqueuses sont chauffées pendant une longue période, se transformant en un mélange d'antipodes.

La situation est encore plus compliquée lorsque la molécule possède de nombreux centres asymétriques. Par exemple, il y en a quatre dans une molécule de glucose. Par conséquent, il est théoriquement possible qu’il contienne 16 stéréoisomères, qui forment 8 paires d’antipodes miroir. Ils sont connus depuis longtemps des chimistes ; il s'agit du glucose lui-même, ainsi que de l'allose, de l'altrose, du mannose, du gulose, de l'idose, du galactose et du talose. Beaucoup d’entre eux sont présents naturellement, comme le D-glucose (mais pas le L-glucose, qui est produit synthétiquement).

Si une substance contient un nombre égal de molécules « droites » et « gauches », elle sera optiquement inactive. Ce sont ces substances qui sont obtenues dans le ballon à la suite d'une synthèse chimique conventionnelle. Et ce n'est que dans les organismes vivants, avec la participation d'agents asymétriques (par exemple, des enzymes), que des composés optiquement actifs se forment. Bien sûr, la question s'est immédiatement posée de savoir comment de tels composés sont apparus sur Terre, par exemple le même acide tartrique dextrogyre naturel, ou des micro-organismes « asymétriques » qui se nourrissent d'un seul des énantiomères. En effet, en l'absence de l'homme, il n'y avait personne pour réaliser la synthèse dirigée de substances optiquement actives, personne

était de diviser les cristaux en droite et en gauche ! Cependant, ces questions se sont révélées si complexes qu’il n’y a pas de réponse à ce jour. Par exemple, personne ne sait pourquoi presque tous les acides aminés naturels à partir desquels les protéines sont construites appartiennent à la série L (configuration S), et leurs antipodes ne sont que rarement trouvés dans certains antibiotiques.

La théorie de Van't Hoff n'a pas été immédiatement reconnue. Ainsi, l'éminent chimiste expérimental allemand

Adolf Kolbé, (plusieurs réactions organiques portent son nom), publia en mai 1877 un article caustique, dans lequel il parlait fortement négativement de la nouvelle théorie. Heureusement, Kolbe s'est retrouvé dans une nette minorité et la théorie de Van't Hoff, qui a jeté les bases de la stéréochimie moderne, a été largement reconnue et son créateur est devenu en 1901premier lauréat du prix Nobel de chimie.

Cette théorie a permis d'expliquer de nombreux phénomènes chimiques. Par exemple, dans les réactions de remplacement des atomes d'halogène par des groupes hydroxyle : dans les halogénures d'alkyle optiquement actifs RX + OH

®ROH + X (atome d'halogène X) dans certains cas l'activité optique disparaît, dans d'autres elle persiste, mais change de signe. Il s’est avéré que cette réaction peut prendre différentes formes. Le premier mécanisme implique la dissociation de l'halogénure pour former des ions intermédiaires R + , qui se combinent rapidement avec les anions OH – , donnant au produit de réaction de l'alcool. Si l'halogénure d'origine RX avait une activité optique, elle est perdue à la suite de cette réaction, puisque l'hydroxyle peut s'approcher du cation plan intermédiaire de chaque côté, de sorte qu'un mélange d'énantiomères se forme. Si la réaction se déroule selon le deuxième mécanisme, l'anion OH s'approche de l'atome de carbone du côté opposé à la liaison CX et « déplace » l'atome d'halogène sous la forme d'un anion. Si l'halogénure de départ R 1 R 2 R 3 CX avait une activité optique, elle persiste à la suite de cette réaction, mais le signe de la rotation optique change à l'opposé. Cela se produit parce qu'il y a trois substituants sur l'atome de carbone asymétrique R. 1, R2 et R3 , situés, comme l'atome d'halogène, aux sommets du tétraèdre, lorsque l'agent attaquant hydroxyle s'approche, ils changent de configuration par rapport au quatrième substituant ; Ce changement de configuration est similaire à retourner un parapluie par vent fort.Isomérie optique et vie. Les chimistes désignent souvent les énantiomères comme un seul composé car leurs propriétés chimiques sont identiques. Cependant, leur activité biologique peut être complètement différente. Cela est devenu évident après l'histoire tragique de la thalidomide, une drogue apparue dans les années 60 du 20e siècle. Les médecins de nombreux pays l’ont prescrit aux femmes enceintes comme somnifère et sédatif efficace. Cependant, au fil du temps, son terrible effet secondaire est apparu : la substance s'est révélée tératogène (endommageant l'embryon, du monstre grec teratos, monstre), et de nombreux bébés sont nés avec des malformations congénitales. Ce n'est qu'à la fin des années 80 qu'il est devenu clair que la cause du malheur n'était qu'un des énantiomères de la thalidomide, sa forme dextrogyre. Malheureusement, de telles différences dans l'action des formes posologiques n'étaient pas connues auparavant, et la thalidomideétait un mélange racémique des deux antipodes.

Actuellement, de nombreux médicaments sont produits sous forme de composés optiquement purs. Ainsi, sur les 25 médicaments les plus courants aux États-Unis, six seulement sont des composés non chiraux, trois sont des racémates et les autres sont des énantiomères purs. Ces derniers sont obtenus par trois méthodes : séparation de mélanges racémiques, modification de composés naturels optiquement actifs (ceux-ci comprennent les glucides, les acides aminés, les terpènes, les acides lactique et tartrique, etc.) et synthèse directe.

. Par exemple, la célèbre société chimique Merck a développé une méthode de production du médicament antihypertenseur méthyldopa, qui implique la cristallisation spontanée uniquement de l'énantiomère souhaité en introduisant une petite graine de cet isomère dans la solution. La synthèse directe nécessite également des sources chirales, puisque toute autre méthode de synthèse traditionnelle donne les deux énantiomères dans des proportions égales de racémate. C'est d'ailleurs l'une des raisons du coût très élevé de certains médicaments, car la synthèse ciblée d'un seul d'entre eux est une tâche très difficile. Il n’est donc pas surprenant que sur plus de 500 médicaments chiraux synthétiques produits dans le monde, seul un dixième environ soit optiquement pur. Parallèlement, sur 517 médicaments obtenus à partir de matières premières naturelles, seuls huit sont des racémates.

La nécessité d'énantiomères optiquement purs s'explique par le fait que souvent un seul d'entre eux a l'effet thérapeutique requis, tandis que le deuxième antipode peut provoquer des effets secondaires indésirables, voire être toxique. Il arrive aussi que chaque énantiomère ait son effet spécifique. Ainsi, la S()-thyroxine (« lévothroïde ») est une hormone thyroïdienne naturelle. Et la R(+)-thyroxine dextrogyre (« dextroïde ») abaisse le cholestérol dans le sang. Certains fabricants proposent des noms commerciaux palindromiques pour de tels cas, par exemple Darvon et Novrad.

Qu’est-ce qui explique les différents effets des énantiomères ? L'homme est un être chiral. Son corps et les molécules de substances biologiquement actives qui le composent sont asymétriques. Les molécules chirales de médicaments, lorsqu'elles interagissent avec certains centres chiraux du corps, tels que les enzymes, peuvent agir différemment selon l'énantiomère du médicament. Le « bon » médicament convient

à son récepteur, comme la clé d'une serrure, et déclenche la réaction biochimique souhaitée. L’action du « mauvais » antipode peut être assimilée à une tentative de serrer la main droite de votre invité avec votre main droite.

Si le médicament est un racémate, alors l'un des énantiomères peut, au mieux, être indifférent ou, au pire, provoquer un effet totalement indésirable. Voici quelques exemples. Ainsi, le médicament antiarythmique S()-anapriline est 100 fois plus puissant que la forme R(+) ! Dans le cas du vérapamil, les deux énantiomères ont un effet similaire, mais sa forme R(+) a un effet secondaire cardiodépressif significativement moins puissant. La kétamine utilisée pour l'anesthésie peut provoquer des effets secondaires chez 50 % des patients sous forme d'agitation, de délire, etc., et ceci n'est principalement caractéristique que du R(

) Le lévamisole, un médicament anthelminthique, est actif principalement dans l'isomère S(), tandis que son antipode R(+) provoque des nausées, de sorte qu'à un moment donné, le lévamisole racémique a été remplacé par l'un des énantiomères. Mais il s'avère qu'économiquementIl n’est pas toujours logique de synthétiser des isomères purs. Par exemple, pour l’ibuprofène analgésique largement utilisé, les enzymes peuvent isomériser la forme R() thérapeutiquement inactive en isomère S(+) actif, donc dans ce cas un racémate beaucoup moins cher peut être utilisé.

Les différents effets biologiques des isomères « droitiers » et « gauchers » se manifestent non seulement parmi les médicaments, mais dans tous les cas où un composé chiral interagit avec des organismes vivants. Un exemple frappant est l’acide aminé isoleucine : son isomère dextrogyre est sucré et son isomère lévogyre est amer. Un autre exemple. La carvone est une substance à l'arôme très fort (le nez humain peut la détecter dans l'air à seulement 17 millions de parties de milligramme par litre). La carvone est isolée du cumin dont l'huile en contient environ 60 %. Cependant, exactement le même composé avec la même structure se retrouve dans l’huile de menthe verte, où sa teneur atteint 70 %. Tout le monde conviendra que l’odeur de la menthe et celle des graines de carvi ne sont pas du tout les mêmes. Il s'est avéré qu'il existe en réalité deux carvones - « droite » et « gauche ». La différence d’odeur entre ces composés suggère que les cellules réceptrices du nez responsables de la perception des odeurs doivent également être chirales.

Revenons maintenant à la formule représentée sur le chien et le loup. La pénicillamine (3,3-diméthylcystéine) est un dérivé assez simple de l'acide aminé cystéine. Cette substance est utilisée pour les intoxications aiguës et chroniques par le cuivre, le mercure, le plomb et d'autres métaux lourds, car elle a la capacité de former des complexes puissants avec les ions de ces métaux ; les complexes résultants sont éliminés par les reins. La pénicillamine est également utilisée pour diverses formes de polyarthrite rhumatoïde, de sclérodermie systémique et dans un certain nombre d'autres cas. Dans ce cas, seule la forme S du médicament est utilisée, car l'isomère R est toxique et peut conduire à la cécité.

La théorie de Van't Hoff n'a pas été immédiatement reconnue. Ainsi, l'éminent chimiste expérimental allemand Adolf Kolbe (qui porte son nom)

quelques réactions organiques), publia en mai 1877 un article caustique dans lequel il s'exprimait de manière très négative à l'égard de la nouvelle théorie. Heureusement, Kolbe était clairement minoritaire et la théorie de Van't Hoff, qui a jeté les bases de la stéréochimie moderne, a été largement reconnue et son créateur est devenu en 1901 le premier lauréat du prix Nobel de chimie.Ilya Leenson LITTÉRATURE Potapov V.M. Bases de la stéréochimie . M., Chimie, 1985

Apparaît dans les cas où les isomères du même composé, en relation avec différents arrangements de substituants certain centre, non compatible dans l'espace. Pour les dérivés aliphatiques, l'isomérie est associée aux caractéristiques stéréochimiques de l'atome de carbone hybride sp 3.

Même Le Bel, à la fin du XVIIIe siècle, suggérait la structure tétraédrique de l'atome de carbone. Dans le cas où un atome de carbone est connecté avec quatre différents substituants, il est possible qu'il existe 2 isomères, qui sont des images miroir l'un de l'autre.

L’atome de carbone contenant tous les différents substituants est appelé asymétrique ou chiral centre (« hiros » - main).

Regardons l'exemple de formules prometteuses :

Les stéréoisomères I et II sont spatialement incompatibles et sont des antipodes ou des isomères optiques ( énantiomères, stéréomères).

Formules de projection Fischer

Considérons des formules prometteuses sur un autre plan.

Plaçons le centre asymétrique (atome de carbone) dans le plan de la feuille ; députés un Et b derrière le plan de tôle ( depuis observateur); députés F Et d au-dessus du plan de la feuille ( plus proche de observateur) - conformément aux flèches indiquant la direction du regard de l'observateur. Nous obtenons une direction de liaisons mutuellement perpendiculaire avec le centre chiral. Cette construction d'isomères est appelée formules de projection de Fischer.

Ainsi, dans les formules de projection de Fischer, les substituants situés horizontalement sont dirigés vers l'observateur, verticalement - au-delà du plan de la feuille.

Lors de la construction de formules de projection, les substituants les plus volumineux sont placés verticalement. Si les substituants sont des atomes ou de petits groupes qui ne sont pas liés à la chaîne principale, ils sont alors disposés horizontalement. Pour le 2-bromobutane

il y en a deux antipode :

Les énantiomères, antipodes, stéréomères ont des propriétés pratiquement impossibles à distinguer (point d'ébullition, point de fusion, etc.) et ont également des constantes thermodynamiques similaires. En même temps, ils ont des différences :

4) - les antipodes solides cristallisent pour former des cristaux semblables à des miroirs les uns par rapport aux autres, mais non compatibles dans l'espace.

5) - les antipodes font tourner le plan de la lumière polarisée du même angle, mais dans des directions différentes. Si l'angle de rotation de la lumière est positif (dans le sens des aiguilles d'une montre), alors l'antipode est dit dextrogyre, s'il est négatif (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre), alors il est appelé gaucher.

L'angle de rotation optique de la lumière polarisée dans le plan est noté [ αD]. Si [ αD]= -31,2°, puis l'antipode gauche a été étudié.

Appareil polarimètre

Les substances capables de faire tourner le plan de la lumière polarisée sont appelées optiquement actives ou optiquement actives.

Un mélange de deux énantiomères dans un rapport 1:1 ne fait pas tourner le plan de la lumière polarisée et est appelé mélange racémique, racémate.

Si un antipode prédomine sur l’autre dans le mélange, on parle alors de sa pureté optique (ee). Il est calculé à partir de la différence de teneur en énantiomères dans le mélange.

II - 30%, ee=70 – 30 = 40 (%)

Amines secondaires et tertiaires peut également avoir une activité optique. Le quatrième substituant est le doublet libre d’électrons de l’atome d’azote.

5.4.1 Diastéréomères

La diastéréométrie est un phénomène qui affecte de manière plus significative les propriétés des substances et est observé dans les cas où il existe deux ou plusieurs centres asymétriques dans un composé. Par exemple:

4-chloropentanol-2

Décrivons tous les antipodes possibles pour la connexion (I-IV) :

Les isomères optiques (stéréoisomères) du même composé qui ne sont pas des antipodes sont appelés diastéréomères. C'est-à-dire que les paires d'isomères I et III, I et IV, II et III, II et IV sont des paires diastéréoisomères. Le nombre d'isomères est calculé à l'aide de la formule : q = 2 n, où

q est le nombre total de stéréoisomères,

n est le nombre de centres asymétriques (C*).

Par exemple, le glucose a 4 centres chiraux, alors q = 2 4 = 16 (D-glucose – 8 isomères, L-glucose – 8 isomères).

D-glucose

Dans la nature, il existe des cas où les atomes asymétriques d'un composé ont le même environnement. Cela conduit au fait que la moitié des antipodes ne sont pas optiquement actifs.

acide du vin

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mésoforme

La forme méso est une forme optiquement inactive qui résulte de la symétrie interne d’une substance optiquement active.

Contrairement aux antipodes, les diastéréomères diffèrent par leur point d'ébullition, leur densité (d 4 20), leur indice de réfraction (n 4 20), etc.

L'isomérie de Valence est un type particulier d'isomérie structurelle dans laquelle les isomères ne peuvent être convertis les uns dans les autres que par la redistribution des liaisons. Par exemple, les isomères de valence du benzène (V) sont le bicyclohexa-2,5-diène (VI, « benzène de Dewar »), le prismane (VII, « benzène de Ladenburg ») et le benzvalène (VIII).

Isomérie de groupe fonctionnel (isomérie interclasse)

Il diffère par la nature du groupe fonctionnel ; par exemple, l'éthanol (CH 3 -CH 2 -OH) et l'éther diméthylique (CH 3 -O-CH 3).

Isomérie de position

Type d'isomérie structurelle caractérisé par des différences dans les positions de groupes fonctionnels identiques ou des liaisons multiples sur le même squelette carboné. Exemple : acide 2-chlorobutanoïque et acide 4-chlorobutanoïque.

Métamérisme

Ce type d'isomérie est divisé en énantiomérie(isomérie optique) et diastéréomérisme.

Énantiomérie (isomérie optique)

Les énantiomères (isomères optiques, isomères miroir) sont des paires d'antipodes optiques - substances caractérisées par un signe opposé et des rotations égales du plan de polarisation de la lumière avec l'identité de toutes les autres propriétés physiques et chimiques (à l'exception des réactions avec d'autres substances optiquement actives et physiques propriétés en milieu chiral). Une raison nécessaire et suffisante de l'apparition des antipodes optiques est que la molécule appartient à l'un des groupes de symétrie ponctuelle suivants : C n,D n, T, O ou I (chiralité). Le plus souvent, nous parlons d'un atome de carbone asymétrique, c'est-à-dire d'un atome relié à quatre substituants différents.

D'autres atomes peuvent également être asymétriques, par exemple des atomes de silicium, d'azote, de phosphore, de soufre. La présence d’un atome asymétrique n’est pas la seule raison de l’énantiomérie. Ainsi, les dérivés de l'adamantane (IX), du ferrocène (X), du 1,3-diphénylallène (XI) et de l'acide 6,6"-dinitro-2,2"-diphénique (XII) possèdent des antipodes optiques. La raison de l'activité optique de la dernière connexion est atropisomérie, c'est-à-dire l'isomérie spatiale causée par le manque de rotation autour d'une seule liaison. L'énantiomérie apparaît également dans les conformations hélicoïdales des protéines, des acides nucléiques et dans l'hexagélicène (XIII).

Diastéréomérisme

Toute combinaison d'isomères spatiaux qui ne forment pas une paire d'antipodes optiques est considérée comme diastéréoisomérique. Il existe des diastéréomères σ et π.

σ-diastéréomérisme

Les σ-diastéréomères diffèrent les uns des autres par la configuration de certains des éléments chiraux qu'ils contiennent. Ainsi, les diastéréomères sont l'acide (+)-tartrique et l'acide méso-tartrique, le D-glucose et le D-mannose, par exemple :

π-diastéréomérisme (isomérie géométrique)

Les π-diastéréomères, également appelés isomères géométriques, diffèrent les uns des autres par des dispositions spatiales différentes des substituants par rapport au plan de la double liaison (le plus souvent C=C et C=N) ou du cycle. Ceux-ci incluent, par exemple,

La littérature affirme souvent que seuls les acides aminés lévogyres conviennent à la nutrition et comme éléments structurels de notre métabolisme. Psychologiquement, cela est compréhensible : les acides aminés naturels appartiennent le plus souvent à la série dite L, et la lettre L est généralement associée au concept de « gauche ». Cependant, cette « attribution » des connexions de la série L aux lévogyres et des connexions de la série D aux dextrogyres est absolument incorrecte. Il suffit de regarder la liste des 23 acides aminés protéiques les plus importants (ils sont donnés, par exemple, dans le manuel de A. N. Nesmeyanov et N. A. Nesmeyanov «Principes de chimie organique») pour s'assurer que lévogyre (pour les solutions dans l'acide acétique glacial) - seulement sept, soit moins d'un tiers. Les autres sont dextrogyres, à l'exception de la glycine optiquement inactive. Dans l'Encyclopédie chimique, dans la liste des 26 acides aminés les plus courants, il y a encore moins d'acides aminés lévogyres, seulement six (23 %). Beaucoup de gens confondent le sens de rotation du plan de polarisation de la lumière par une substance et la structure de ses molécules, qui peuvent être classées comme de type D ou L.

Polarisation de la lumière et activité optique

Depuis l’époque de Newton, il y a un débat scientifique : la lumière est constituée d’ondes ou de particules. Thomas Young a formulé le principe de superposition d'ondes en 1800 et, sur cette base, a expliqué le phénomène d'interférence de la lumière. En 1808, Etienne Louis Malus, expérimentant avec des cristaux de spath d'Islande (calcite), découvre le phénomène de polarisation de la lumière. En 1816, Augustin Jean Fresnel propose l'idée que les ondes lumineuses sont transversales. Fresnel a également expliqué le phénomène de polarisation de la lumière : dans la lumière ordinaire, les vibrations se produisent de manière chaotique, dans toutes les directions perpendiculaires à la direction du faisceau. Mais après avoir traversé certains cristaux, comme le spath d'Islande ou la tourmaline, la lumière acquiert des propriétés particulières : les ondes qu'elle contient ne vibrent que dans un seul plan. Au sens figuré, un faisceau de cette lumière est comme un fil de laine tiré à travers un espace étroit entre deux lames de rasoir tranchantes. L'œil humain ne peut que rarement et difficilement distinguer la lumière ordinaire de la lumière polarisée, mais cela peut être facilement fait à l'aide d'instruments optiques simples - les polarimètres.

Il s'est également avéré que lorsque la lumière polarisée traverse certaines substances, le plan de polarisation tourne. Ce phénomène a été découvert pour la première fois en 1811 par François Dominique Arago dans des cristaux de quartz. Les cristaux de quartz naturel ont une structure irrégulière et asymétrique et se déclinent en deux types, qui diffèrent par leur forme, comme un objet par rapport à son image dans un miroir. Ces cristaux font tourner le plan de polarisation de la lumière dans des directions opposées ; on les appelait droitiers et gauchers.

En 1815, Jean Baptiste Biot et Thomas Seebeck découvrent que certaines substances organiques (par exemple le sucre ou la térébenthine) ont également la capacité de faire tourner le plan de polarisation, non seulement à l'état cristallin, mais aussi à l'état liquide, dissous et même gazeux. État. Ainsi, il a été prouvé que l'activité optique peut être associée non seulement à l'asymétrie des cristaux, mais également à une propriété inconnue des molécules elles-mêmes. Comme dans le cas des cristaux, certains composés chimiques pourraient exister sous forme de variétés dextro- et lévogyres, et l'analyse chimique la plus minutieuse ne pourrait détecter aucune différence entre eux. Ces espèces étaient appelées isomères optiques et les composés eux-mêmes étaient appelés optiquement actifs. Il s'est avéré que les substances optiquement actives contiennent également un troisième type d'isomères: optiquement inactifs. Cela a été découvert en 1830 par le célèbre chimiste allemand Jene Jakob Berzelius : l'acide de raisin C 4 H 6 0 6 est optiquement inactif et l'acide tartrique de même composition a une rotation droite en solution. Plus tard, l'acide tartrique « gaucher », l'antipode de l'acide dextrogyre, qui n'est pas présent dans la nature, a également été découvert.

En 1828, William Nicol, utilisant des cristaux transparents de spath d'Islande, construisit un polariseur de lumière – le « prisme Nicol ». Et après avoir réalisé une combinaison de deux de ces prismes en 1839, il reçut un polarimètre - un appareil permettant de mesurer l'angle de rotation du plan de polarisation de la lumière. Depuis lors, un tel polarimètre est devenu l’un des instruments les plus courants dans les laboratoires de physique.

La découverte de Pasteur

Les physiciens associaient l'activité optique des cristaux à leur asymétrie ; les cristaux complètement symétriques, tels que les cristaux cubiques de sel de table, sont optiquement inactifs. La raison de l’activité optique des molécules est restée longtemps mystérieuse. La première découverte mettant en lumière ce phénomène fut faite en 1848 par Louis Pasteur. Alors qu'il est encore étudiant, il s'intéresse à la chimie et à la cristallographie ; après avoir obtenu son diplôme de l'Ecole Normale Supérieure de Paris, Pasteur, 26 ans, travaille comme laborantin pour Antoine Balard (découvreur du brome).

Au cours de l'étude, Pasteur a préparé une solution du sel de sodium acide de l'acide de raisin HOOC – CHOH – CHOH – COONa, a saturé la solution avec de l'ammoniaque et, en évaporant lentement l'eau, a obtenu de beaux cristaux prismatiques de sel de sodium et d'ammonium tétrahydraté Na(NH) 4. C 4 H 4 O 6 4H 2 O. Ces cristaux se sont révélés asymétriques. Certains cristaux avaient une face caractéristique à droite, tandis que d'autres en avaient une à gauche, et par leur forme, les deux types de cristaux étaient comme une image miroir l'un de l'autre. Il y avait un nombre égal de deux cristaux. Sachant que dans de tels cas les cristaux de quartz tournent dans des directions différentes, Pasteur décide de vérifier si ce phénomène s'observerait également sur le sel qu'il obtenait. Armé d'une loupe et d'une pince à épiler, Pasteur sépara soigneusement les cristaux en deux tas. Comme prévu, leurs solutions avaient une rotation optique opposée et le mélange de solutions était optiquement inactif. Il n’était pas clair pourquoi un matériau de départ produisait des cristaux de formes différentes. Pasteur ne s'arrête pas là. De chaque solution, il précipitait un sel de plomb ou de baryum insoluble, et en agissant sur ces sels avec de l'acide sulfurique fort, il en chassait le sel organique le plus faible. On pourrait supposer que dans les deux cas, on obtiendrait l’acide de raisin originel, qui, on s’en souvient, était inactif. Imaginez la surprise de Pasteur lorsqu'il s'est avéré qu'à partir d'une solution saline, ce n'était pas de l'acide de raisin qui se formait, mais le célèbre acide tartrique dextrogyre, et qu'à partir d'une autre solution, le même acide était obtenu, mais en tournant vers la gauche ! Jusqu’alors, personne n’avait vu d’acide tartrique lévogyre ! Ces acides sont appelés d-vin pour la variété dextrogyre (de lat. dextre- à droite) et je-tartrique pour l'isomère lévogyre (de lat. laevus- gauche).

La découverte a été que l’acide de raisin inactif, connu depuis longtemps, s’est avéré être un mélange de quantités égales d’acide tartrique « droitier », également connu, et d’acide « gaucher », jusqu’alors inconnu. C'est pourquoi leur mélange dans un cristal ou en solution n'a pas d'activité optique. Pour un tel mélange, le nom de racémate a commencé à être utilisé (du latin racemus- raisin; en latin acide racémique- acide de raisin), et les deux antipodes, qui lorsqu'ils sont mélangés en quantités égales donnent un mélange optiquement inactif, sont appelés énantiomères (du grec. énantios- opposé). Pasteur a eu de la chance : à l'avenir, seuls quelques cas similaires de cristallisation à une certaine température d'un mélange de cristaux optiquement différents, suffisamment gros pour pouvoir être séparés à la loupe avec une pince à épiler, ont été découverts. De plus, le sel sodium-ammonium de l'acide tartrique, avec lequel Pasteur a travaillé, ne forme des cristaux de formes diverses que si la cristallisation se produit à partir d'une solution dont la température est inférieure à 28°C. Dans ce cas, le tétrahydrate précipite. À des températures plus élevées, des cristaux symétriques de monohydrate précipitent à partir de la solution.

Bientôt, Pasteur découvrit également une quatrième forme d'acide tartrique. Il était optiquement inactif, mais n'était pas un racémate, puisqu'il était impossible de le séparer en antipodes. Pasteur a appelé cet acide mésotartrique, du grec. mésos- moyen, intermédiaire. Pasteur a trouvé deux autres méthodes pour séparer le racémate en deux antipodes. La méthode biochimique repose sur la capacité sélective de certains micro-organismes à assimiler un seul des isomères. Et ici, Pasteur a eu de la chance. L'un des pharmaciens de la pharmacie lui a donné une bouteille d'acide de raisin qui existait depuis longtemps et dans laquelle de la moisissure verte s'était développée. Dans son laboratoire, Pasteur a découvert que l'acide autrefois inactif devenait lévogyre. Moisissure verte Pénicillum glaucum dans une solution d'acide de raisin dilué ou de ses sels, il « mange » uniquement l'isomère de droite, laissant celui de gauche inchangé. Cette moisissure a le même effet sur l'acide mandélique « inactif », sauf que dans ce cas elle assimile l'isomère lévogyre sans affecter l'isomère dextrogyre. De nombreux cas de ce type sont devenus connus. Par exemple, la levure Saccharomyces ellipsoidum ( Saccharomyces ellipsoïdeus), Contrairement à Pénicillum glaucum, « se spécialise » dans l’isomère droit de l’acide mandélique, laissant celui de gauche inchangé. Une autre façon de séparer les racémates était chimiquement. Pour cela, il fallait disposer au préalable d'une substance optiquement active qui, lorsqu'elle interagissait avec un mélange racémique, n'en « sélectionnerait » qu'un seul énantiomère. Par exemple, une base optiquement active a donné un sel optiquement actif avec l'acide de raisin, à partir duquel l'énantiomère correspondant de l'acide tartrique a pu être isolé.

Les travaux de Pasteur, qui ont prouvé la possibilité de « diviser » un composé optiquement inactif en antipodes, ont initialement suscité la méfiance de nombreux chimistes. Même Bio lui-même n'a pas cru son assistant jusqu'à ce qu'il répète son expérience de ses propres mains. Bientôt Joseph Le Bel, utilisant la troisième méthode Pasteur, divisa plusieurs alcools en antipodes optiquement actifs. Johann Wislicenus a établi qu'il existe deux acides lactiques : optiquement inactif, formé dans le lait aigre (acide lactique de fermentation), et dextrogyre, qui apparaît dans les muscles qui travaillent (acide lactique). Il y avait de plus en plus d'exemples similaires et une théorie était nécessaire pour expliquer en quoi les molécules des antipodes diffèrent les unes des autres. Cette théorie a été créée par le jeune scientifique néerlandais Van't Hoff (« Chemistry and Life », 2009, n° 1). Selon cette théorie, les molécules, comme les cristaux, peuvent être « droitières » et « gaucheres », étant des images miroir les unes des autres. L’exemple le plus simple est celui des molécules qui possèdent un atome de carbone dit asymétrique entouré de quatre groupes différents. Prenons l'acide aminé le plus simple, l'alanine : les deux molécules représentées ne peuvent être combinées dans l'espace par aucune rotation.

De telles structures, qui diffèrent les unes des autres comme la main droite de la gauche, sont appelées chirales (du grec. héritier- main).

L'acide tartrique possède deux atomes de carbone asymétriques. Si les deux sont « à droite », vous obtenez de l'acide (+)-tartrique dextrogyre, s'ils sont « à gauche » - de l'acide (–)-tartrique lévogyre, si l'un est « à gauche » et l'autre est « à droite », vous obtenez acide mésotartrique. Si le mélange contient un nombre égal de molécules « droitières » et « gaucheres », la substance dans son ensemble sera optiquement inactive. Ce sont ces substances qui sont obtenues dans le ballon à la suite d'une synthèse chimique conventionnelle. Et ce n'est que dans les organismes vivants avec la participation d'agents asymétriques (par exemple, des enzymes) que se forment des composés asymétriques. Ainsi, dans la nature, les acides aminés et les saccharides d'une seule configuration prédominent et la formation de leurs antipodes est supprimée. Dans certains cas, différents énantiomères peuvent être distingués sans aucun équipement, lorsqu'ils interagissent différemment avec les récepteurs asymétriques de notre corps. Un exemple frappant est l’acide aminé leucine : son isomère dextrogyre est sucré et son isomère lévogyre est amer. Notez que la question naturelle - comment les premiers composés chimiques optiquement actifs sont apparus sur Terre - n'a pas encore de réponse claire.

Problème de configuration absolu

Auparavant, il n'était pas possible de déterminer quelle est la configuration spatiale réelle des molécules d'une substance optiquement active particulière, par exemple l'alanine mentionnée ci-dessus. Cependant, des méthodes purement chimiques ont permis d'établir la similitude des configurations de différentes substances. Par exemple, les molécules dextrogyres d-le glycéraldéhyde avait une configuration similaire à celle des molécules lévogyres je-acide lactique et dextrogyre d- l'acide malique. En 1906, sur proposition de M.A. Rozanov, le glycéraldéhyde fut choisi comme standard pour établir la configuration relative des molécules optiquement actives. Dans le même temps, E. G. Fischer a proposé d'attribuer (purement arbitrairement) la structure au glycéraldéhyde dextrogyre,

dans lequel l'astérisque désigne un atome de carbone asymétrique lié à quatre substituants différents. Dans de tels dessins, deux liaisons « horizontales » (dans ce cas, il s'agit des liaisons C-H et C-OH) sont situées sous le plan du dessin, et deux liaisons « verticales » (C-CHO et C-CH 2 OH ) sont situés au-dessus de l'avion. Cette méthode d'imagerie est appelée projection Fischer, du nom d'Emil Hermann Fischer, deuxième prix Nobel de chimie en 1902.

Quelques mots sur Rozanov, qui est pratiquement inconnu parmi nous. Martin Andre Rozanov (1874-1951) est né en Ukraine d'Abraham et Clara Rosenberg. Après avoir obtenu son diplôme d'un gymnase classique de sa ville natale de Nikolaev, il poursuit ses études à Berlin et à Paris, puis à New York. Il a travaillé à l'Université de New York, puis au Pittsburgh Mellon Institute, où il a obtenu un poste à vie de professeur de chimie pour la première fois dans l'histoire de l'institut. La sœur de Martin, Lillian (1886-1986) était directrice du département de mathématiques de l'Université de Long Island ; son frère Aaron Joshua était un célèbre psychiatre américain qui travaillait en Californie. Parmi les travaux « non chimiques » de M. A. Rozanov, se distingue un grand article « Edison dans son laboratoire » (1932), dans lequel l'auteur, entre autres, décrit divers incidents amusants, notamment tirés de l'expérience de sa communication avec le célèbre inventeur.

La structure représentée a été nommée D(+)-glycéraldéhyde. En conséquence, toutes les substances stéréochimiquement similaires à cet aldéhyde ont commencé à être classées dans la série D. L'antipode optique de cet aldéhyde était appelé L-glycéraldéhyde, et les substances apparentées ont commencé à être classées dans la série L (« + » signifie que le plan de polarisation tourne vers la droite, « – » - vers la gauche) :

Le glycéraldéhyde est l'un des composés optiquement actifs les plus simples ; il est facilement obtenu par oxydation du glycérol et, surtout, une grande variété de composés peuvent en être obtenus grâce à une série de synthèses asymétriques séquentielles. Ceci établit la configuration relative des acides tartrique et malique dextrogyre et de l'isosérine, de l'acide lactique lévogyre et de nombreux autres composés optiquement actifs. La condensation aldolique du glycéraldéhyde avec la dihydroxyacétone produit un mélange de fructose et de sorbose, qui peuvent être séparés. Il est clair que lors de telles synthèses, la configuration absolue de l’atome de carbone asymétrique doit rester inchangée. Cela se produit si la liaison chimique de cet atome de carbone avec l'un des substituants voisins n'est pas rompue. Dans le cas contraire, soit une perte d'activité optique peut se produire (comme par exemple dans les réactions de substitution nucléophile de type S N 1), soit un changement de configuration à l'opposé. Ce dernier processus, appelé conversion de Walden, se produit, par exemple, dans les réactions S N 2 ; il porte le nom de Paul (Pavel Ivanovich) Walden (1863-1957), qui l'a découvert en 1889.

Les lettres majuscules D et L au lieu des minuscules ont été adoptées afin de ne pas confondre la configuration de la substance établie par rapport au glycéraldéhyde avec le sens de rotation du plan de polarisation de la lumière par cette substance. Il s’est donc avéré que certains composés de la série D tournent vers la droite, d’autres vers la gauche, et que le sens de rotation n’a rien à voir avec l’appartenance de la substance à l’une de ces séries. Par exemple, seul le D(-)-fructose se trouve dans la nature (c'est aussi du lévulose, car il fait tourner le plan de polarisation vers la gauche). D’autre part, les L-asparagines et les D-asparagines sont des acides aminés dextrogyres. L'acide mandélique C 6 H 5 CH(OH)COOH possède deux isomères optiques : l'isomère D(–)- lévogyre et L(+)-isomère dextrogyre. Il existe de nombreux exemples. Ainsi, la relation entre le signe de rotation d'une liaison et sa configuration ne peut être établie à l'avance : deux liaisons de même configuration relative peuvent avoir des signes de rotation opposés. À l’inverse, des composés similaires ayant le même signe de rotation peuvent avoir des configurations relatives opposées.

La détermination directe de la configuration absolue d'une molécule est une tâche difficile et, pendant longtemps, les chimistes se contentaient d'attribuer les molécules à la série D ou L. Et ce n'est qu'au milieu du XXe siècle que ce problème a été résolu par J. Beivut et ses collègues qui travaillaient au laboratoire Van't Hoff de l'Université d'Utrecht. L'ouvrage phare intitulé « Détermination de la configuration absolue des substances optiquement actives par diffraction des rayons X » a été publié le 18 août 1951 dans la revue « Nature" Les auteurs, en utilisant l'analyse par diffraction des rayons X des cristaux du sel de potassium-rubidium de l'acide D(+)-tartrique, ont montré que Fischer ne s'était pas trompé en postulant la configuration absolue des énantiomères du glycéraldéhyde ! Cela signifie que non seulement les configurations relatives, mais aussi absolues de tous les composés optiquement actifs ont été établies correctement ! En fait, Fischer avait exactement 50 % de chances de faire le bon choix ou de se tromper. Une histoire similaire s’est produite lorsque, bien avant la découverte de l’électron, la direction du flux électrique a été choisie. Et - ils ont commis une erreur en choisissant la direction du plus au moins.

Parce que la publication originale de Beivut dans la revue Nature les données expérimentales originales n'ont pas été présentées, la question fondamentale restait quant à la validité des conclusions tirées, d'autant plus que la technologie expérimentale de l'époque était loin d'être parfaite. En particulier, il n'existait pas d'ordinateurs, sans lesquels aucun travail dans le domaine de l'analyse structurelle aux rayons X ne peut aujourd'hui être réalisé. Pour dissiper tous les soupçons possibles, Martin Lutz et M. M. Schroers, employés du Centre de biologie moléculaire de l'Université d'Utrecht, ont récemment entrepris, il y a plus d'un demi-siècle, une vérification des résultats de leurs collègues en utilisant les équipements les plus modernes. Leurs travaux, publiés en août 2008 dans la revue Acta cristallographique", rubrique C : " Communications sur la structure cristalline», intitulé « Beyvout avait-il raison ? Réexamen du tartrate de sodium tétrahydraté - rubidium." Pour obtenir un monocristal, les auteurs ont chauffé une solution d'acide (+)-tartrique à 60°C et ont commencé à ajouter goutte à goutte une solution d'un mélange équimolaire de carbonates de sodium et de rubidium. Premièrement, le tartrate de rubidium acide, moins soluble, a précipité. Puis, lorsque le dégagement de dioxyde de carbone a cessé, le précipité est complètement passé en solution. Lorsqu'elle s'est évaporée à température ambiante, il s'est formé une poudre incolore dont la recristallisation à partir d'une quantité minimale d'eau a donné des cristaux de Na + ·Rb + ·C 4 H 4 O 6 2– · 4H 2 O, adaptés à la recherche. Les auteurs ont répondu « oui » à la question posée dans le titre de l’article.

Le travail de Beyrouth avec les collaborateurs de 1951 a véritablement marqué une époque. Pour la première fois, il est devenu possible de supprimer une certaine divergence dans les désignations D et L, qui indiquaient uniquement un lien génétique avec les glycéraldéhydes, mais pas le sens de la rotation optique. Cette possibilité a été réalisée en 1956 à la suggestion de Robert Sidney Kahn et Christopher Kelk Ingold et du prix Nobel 1975 (conjointement avec J. W. Cornforth) Vladimir Prelog. Leur premier article a été publié dans le magazine suisse relativement peu connu " Expérience», et pourtant la proposition s'est répandue. Ainsi, il est décrit en détail dans le manuel de chimie organique de Louis et Mary Feather (1961, traduction russe 1966). Mais ce système est devenu plus célèbre après la publication en 1966 d'une nomenclature stéréochimique universelle détaillée (voir Cahn R.S., Ingold S.K., Prelog V. Spécification of Molecule Chirality // Angew. Chim., Int. Éd. Anglais., 1966, 5, 385-415 ; texte intégral - PDF, 3,4 Mo).

Les auteurs proposent d'introduire le concept de chiralité comme la propriété d'un objet d'être incompatible avec son image dans un miroir plan idéal et R.—S-système (de lat. droit-direct, correct et sinistre- à gauche) pour indiquer la chiralité.

Une description détaillée de l'application de cette règle aux composés optiquement actifs peut être trouvée dans les manuels de chimie organique, ainsi que dans le manuel de K. P. Butin. Il utilise une disposition spécifique des groupes autour du centre chiral - dans le sens des aiguilles d'une montre, en fonction de « l'ancienneté » de ces groupes. En particulier, selon la nouvelle nomenclature, le D-glycéraldéhyde dextrogyre reçoit la désignation R. Désignations R. Et S ajouté au nom du composé sous forme de préfixes. Ainsi, les énantiomères du 1-bromo-1-chloroéthane sont R.-1-bromo-1-chloroéthane et S-1-bromo-1-chloroéthane. Leur modification racémique optiquement inactive est désignée R,S-1-bromo-1-chloroéthane. Cependant, par tradition, les anciennes désignations D et L sont également largement utilisées, par exemple pour les sucres et les acides aminés.

En conclusion de cette section, nous notons une autre idée fausse très courante : selon laquelle tous les acides aminés naturels appartiendraient exclusivement à la série L. En fait, ce n’est pas le cas : les acides aminés D se trouvent également dans la nature, bien que moins fréquemment que les acides aminés de la série L, principalement dans le monde des organismes inférieurs. Ils sont présents par exemple dans les antibiotiques peptidiques, dans la coquille de certaines bactéries. Certains micro-organismes thermophiles vivant dans les sources chaudes et les eaux thermales utilisent de fortes concentrations de D-alanine comme osmorégulateur. Le plasma sanguin des organismes supérieurs contient également des acides aminés D. La D-sérine est produite dans le corps humain comme neurotransmetteur. La D-alanine, la D-asparagine et la D-sérine se trouvent dans les cellules nerveuses des organismes supérieurs. Ils travaillent par exemple avec les acides D-aminés au Département d'enzymologie chimique de la Faculté de chimie de l'Université d'État de Moscou. Et en 2008, à la Faculté de biologie de l'Université d'État de Moscou, A. V. Dmitriev a soutenu sa thèse de doctorat en sciences physiques et mathématiques sur le thème « Mécanismes physico-chimiques du transport d'ions dans des canaux modèles naturels et chiraux modifiés ». L’auteur a étudié en particulier des protéines modèles modifiées comprenant des acides aminés D. Il a été démontré que dix acides aminés D suffisent pour obtenir la structure primaire d’une protéine à fonctionnalité naturelle, construite à partir d’acides aminés D.

Médicaments chiraux

Les chimistes traitent souvent les énantiomères comme un seul composé car leurs propriétés chimiques sont identiques. Cependant, leur activité biologique peut être complètement différente. Cela est devenu évident après l'histoire tragique de la thalidomide, un médicament largement utilisé dans les années 60 du 20e siècle en Europe par les femmes enceintes comme somnifère et sédatif efficace. Au fil du temps, son effet tératogène est devenu apparent et de nombreux bébés sont nés avec des malformations congénitales. Après cela, les Européens ont emprunté un système américain de certification des médicaments plus strict : la vente de la thalidomide n'était pas autorisée en Amérique. Mais ce n’est qu’à la fin des années 80 qu’il est devenu clair que seul l’un des énantiomères de la thalidomide était à l’origine du malheur. Cette différence dans l'effet des formes posologiques était jusqu'alors inconnue et la thalidomide commercialisée était un mélange racémique.

Actuellement, de nombreux médicaments sont produits sous forme de composés optiquement purs. Ils sont obtenus par trois méthodes : séparation de mélanges racémiques, modification de composés naturels optiquement actifs (ceux-ci comprennent les glucides, les acides aminés, les terpènes, les acides lactique et tartrique, etc.) et synthèse directe. Cette dernière nécessite également des sources chirales, puisque toute autre méthode de synthèse traditionnelle donne un racémate. C'est l'une des raisons du coût élevé de certains médicaments, et il n'est pas surprenant que parmi les nombreux médicaments chiraux synthétiques produits dans le monde, seule une petite partie soit optiquement pure, le reste étant des racémates.

Le besoin d'énantiomères optiquement purs s'explique également par le fait que souvent un seul d'entre eux a l'effet thérapeutique souhaité, tandis que le deuxième antipode peut au mieux être inutile, et au pire provoquer des effets secondaires indésirables ou être toxique. Il arrive aussi que chaque énantiomère ait son effet spécifique. Oui, gaucher S-la thyroxine (le médicament lévothroïde) est une hormone thyroïdienne T4 naturelle. Un dextrogyre R.-la thyroxine (« dextroïde ») abaisse le cholestérol dans le sang. Certains fabricants proposent des noms commerciaux palindromiques pour de tels cas, par exemple « Darvon" pour un analgésique narcotique et " Novrad» pour un médicament antitussif.

Comme nous l’avons déjà noté avec l’exemple de l’acide aminé leucine, l’homme est une créature chirale. Et cela ne s'applique pas seulement à son apparence. Les médicaments énantiomères interagissent avec les molécules chirales du corps, telles que les enzymes, pour agir différemment. Le « bon » médicament s’adapte à son récepteur comme la clé d’une serrure et déclenche la réaction biochimique souhaitée. Médicament antiarythmique S-L'anapriline agit cent fois plus fort que R.-formulaire. Le lévamisole, un médicament anthelminthique, est actif principalement dans S-isomère, alors que son R- l'antipode provoque des nausées, c'est pourquoi, à un moment donné, le lévamisole racémique a été remplacé par l'un des énantiomères. Dans les années 60, ils ont essayé de traiter le parkinsonisme avec l'un des précurseurs de l'adrénaline dans le corps - la dioxyphénylalanine (L-DOPA). Il s'est avéré que cette substance, ainsi que la dopamine et la méthyldopa associées, ne sont efficaces que sous la forme S-isomère. Dans le même temps R.-La DOPA provoque des effets secondaires graves, notamment des troubles sanguins. Ferme " Merck» a développé une méthode de production de l'antihypertenseur méthyldopa, qui implique la cristallisation spontanée uniquement de l'énantiomère souhaité en introduisant une petite graine de cet isomère dans la solution.

Et un dernier exemple. La pénicillamine (3,3-diméthylcystéine) est un dérivé assez simple de l'acide aminé cystéine. Cette substance est utilisée pour les intoxications aiguës et chroniques par le cuivre, le mercure, le plomb et d'autres métaux lourds, car elle forme de puissants complexes avec les ions de ces métaux et ces complexes sont éliminés par les reins. La pénicillamine est également utilisée pour diverses formes de polyarthrite rhumatoïde, de sclérodermie systémique et dans un certain nombre d'autres cas. Dans ce cas, utilisez uniquement S-forme du médicament, puisque R.-isomère est toxique et peut provoquer la cécité. Pas étonnant en couverture du numéro de juin du magazine américain « Journal d'éducation chimique"En 1996, ce dessin insolite a été placé. Le titre de l’article sur les médicaments antipodiens n’était pas moins éloquent : « Quand une molécule se regarde dans le miroir ».

Ilya Abramovich Leenson,
Docteur en Chimie
« Chimie et Vie » n°5, 2009