Примеры оптических изомеров. Основы стереохимии. Методическая разработка для студентов химических, биологических и медицинских факультетов университетов Типы изомерии. Определение порядка старшинства заместителей при асимметрическом атоме
Изучение гидроксикислот имело исключительно большое значение для развития науки о пространственном строении молекул – стереохимии. Особенностью пространственного строения многих гидроксикислот является наличие атома углерода, имеющего четыре различных заместителя. Например, молочная кислота:
Такие атомы называются ассимметрическими углеродными атомами или хиральными (хиральными центрами). В формулах асимметрические углеродные атомы обозначаются звездочкой.
Молекулы, имеющие асимметрические углеродные атомы, могут быть представлены в виде двух пространственных изомеров, различающихся как предмет и его зеркальное отображение:
Изомеры, отличающиеся друг от друга только расположением атомов в пространстве, называются стереоизомерами. Расположение атомов, характеризующее определенный стереоизомер, называется конфигурацией. Стереоизомеры, различающиеся как предмет и его зеркальное отражение называются энантиомерами. Энантиомеры являются оптически активными веществами – они способны вращать плоскость поляризации света. Причем из пары энантиомеров один вращает плоскость поляризации вправо. Такой изомер называется правовращающим и обозначается знаком «(+)». Другой изомер вращает плоскость поляризации влево. Такой изомер называется левовращательным и обозначается знаком «(-)». Изомеры, отличающиеся только знаком вращения называются оптическими антиподами.
При изображении оптически активных соединений пользуются проекционными формулами, представляющих собой проекции тетраэдрических моделей соответствующих молекул на плоскость чертежа:
При изображении проекционных формул принимается, что группы, расположенные сверху и снизу, находятся за плоскостью чертежа, а группы, расположенные слева и справа - перед плоскостью чертежа. Поэтому формулы нельзя поворачивать в плоскости чертежа на 90 0 и можно поворачивать на 180 0 . Например:
Соединения 1 и 2 являются оптическими антиподами, поскольку 2 получено путем поворота 1 на 90 0 . Формула 3 получена из 1 поворотом на 180 0 , поэтому 3 эквивалентно 1.
Для направления и величины вращения плоскости поляризации не существует определенных закономерностей взаимосвязи со строением оптически активных соединений. Можно отмечать как факт, что молочная кислота, содержащаяся в мышцах, вращает плоскость поляризации вправо и известна как правовращающая (+). Также как факт принимается то, что молочная кислота, образующаяся при брожении сахарозы, в присутствии бактерий, вращает плоскость поляризации влево и называется левовращающей (-).
Какими–либо химическими методами невозможно установить, как в молекулах оптических изомеров атомы расположены относительно друг друга. Т.е. химически невозможно установить какова природная или абсолютная конфигурация оптически активного вещества. Впервые ученые смогли это установить только в 1949 году физическим методом рентгеноструктурного анализа.
До этого момента химики могли ограничиться только установлением конфигурации оптически активных веществ относительного какого-либо оптически активного вещества, принятого за стандарт. Так называемая относительная конфигурация. Основой для такого подхода было то, что можно провести превращение вещества, принятого за стандарт, в интересующее вещество таким образом, чтобы конфигурация асимметрического атома углерода не нарушалась.
В 1906 году в качестве стандарта был избран глицериновый альдегид, поскольку он является простейшим полигидроксикарбонильным соединением, способным к оптической изомерии. Правовращающему глицериновому альдегиду была приписана следующая конфигурация, обозначенная как «D»:
Соответственно его оптическому антиподу была приписана следующая конфигурация и обозначена как «L»:
В 1951 году методами рентгеноструктурного анализа было показано, что выбранная наугад абсолютная конфигурация глицеринового альдегида оказалась правильной.
По абсолютной конфигурации глицеринового альдегида были установлены относительные конфигурации других оптически активных веществ. Так относительная конфигурация молочной кислоты была установлена по D-(+)-глицериновому альдегиду следующим образом:
Окислением альдегидной группы в карбоксильную и восстановлением гидроксиметиленовой группы в метильную было установлено, что D-конфигурации соответствует левовращающая молочная кислота.
Подобным образом были установлены относительные конфигурации многих веществ.
Так для оптически активной яблочной кислоты, вращающей плоскость поляризации вправо, установлена следующая конфигурация относительно D-(+)-глицеринового альдегида:
При обработке D-(+)-яблочной кислоты пятихлористым фосфором получается L-(-) хлорянтарная кислота:
Т.е. при этом произошло обращение конфигурации.
Если на L-(-) хлорянтарную кислоту подействовать влажной окисью серебра то получается L-(-)-яблочная кислота:
Однако если яблочную кислоту получить присоединением воды к фумаровой или малеиновой кислоте то получается продукт, не обладающий оптической активностью:
Так как строение яблочной кислоты обуславливает обязательную оптическую активность, то в случае гидратации непредельных кислот получается смесь равных количеств двух оптических изомеров.
Совокупность равных количеств энантиомеров называется рацемической модификацией или рацематом .
Рассмотренные три случая различаются по механизмам образования продуктов. Рацемическая модификация образуется в том случае если реакция протекает через стадию устойчивого карбкатиона, атака которого возможна с двух сторон.
Если атака карбкатиона возможна только с одной стороны, то продукт сохраняет конфигурацию. Такой случай возможен в дикарбоновых кислотах, где за счет взаимодействия карбоксильных групп доступ к реакционному центру возможен только с одной стороны.
При нуклеофильном замещении, протекающим по механизму S N 2, происходит обращение конфигурации. Так называемое Вальденовское обращение.
Усложнение строения оптически активных веществ стало требовать систематизации обозначений конфигурации. Была введена так называемая R, S система. Согласно этой системе, сначала определяют старшинство, или последовательность заместителей, связанных асимметрическим атомом, исходя из правил старшинства.
1. Если с асимметрическим атомом углерода связаны четыре различных атома, то старшинство определяется порядковым номером в таблице Менделеева, чем больше номер, тем старше заместитель.
2. Если старшинство нельзя определить по первым атомам, связанным с асимметрическим атомом, то старшинство аналогично определяют по вторым атомам и т.д.
3. Если атомы, связанные с асимметрическим атомом углерода, имеют разное количество заместителей, построенных из атомов с одинаковым порядковым номером, то старшим - является атом, имеющий большее число заместителей.
4. Если атом соединен двумя или тремя связями, то его считают за два атома. Из этого следует, что СООН старше СНО и СНО старше СН 2 ОН.
После определения старшинства молекулу располагают таким образом, чтобы самая младшая группа была направлена от наблюдателя, и рассматривают расположение оставшихся групп. Если старшинство убывает по часовой стрелке, то конфигурацию обозначают символом «R»- от латинского «правый». Если старшинство убывает против часовой стрелки, то конфигурацию обозначают символом «S» -от латинского «левый».
При этом R, S - система отражает абсолютную конфигурацию асимметрического атома углерода. Согласно этой системе энантиомеры глицеринового альдегида будут обозначены следующим образом:
Полное название оптически активного соединения отражает конфигурацию и направление вращения. Рацемическую модификацию можно обозначать символом (R, S), например (R,S)-яблочная кислота.
Каждому асимметрическому атому углерода соответствуют два антипода и один рацемат. Общая формула количества оптических изомеров N =2 n , где n – число асимметрических атомов углерода. Однако для дигидроксиянтарной кислоты, имеющей два хиральных центра:
наблюдается аномалия.
Дигидроксиянтарные кислоты называются винными кислотами. Оптически активные изомеры винной кислоты можно изобразить следующими проекционными формулами:
Рацемическая смесь винных кислот (R,S)-винная - называется виноградной кислотой. (+)-Винная кислота называется еще виннокаменной содержится в соке ягод. Ее калийная соль выделяется в виде винного камня при брожении виноградного сока. (-)-Винную кислоту получают из виноградной кислоты.
Приведенные примеры говорят о двух изомерах и одном рацемате. По формуле должны быть еще два изомера. Этим изомерам должны соответствовать следующие проекционные формулы:
Если одну из проекционных формул мезовинной кислоты повернуть на 180 0 , то проекции совместятся. Т.е. формулы представляют один и тот же стереоизомер. Его особенностью является то, что вращение, вызываемое одним асимметрическим атомом углерода - компенсируется вращением в противоположную сторону, обусловленное другим атомом углерода.
В данном случае оптическая неактивность стереоизомера обусловлена симметрией молекулы.
При этом мезовинная кислота не является зеркальным отображением винных кислот. Стереоизмеры, не являющиеся зеркальным отображением, называются диастереомеры.
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ. «Когда молекула смотрится в зеркало» такое необычное название было у статьи, опубликованной в июньском номере за 1996 год американского журнала, посвященного химическому образованию (Journal of Chemical Education). А на первой странице обложки этого номера был тоже необычный рисунок. На боку добродушно виляющего хвостом пса была изображена структурная формула пеницилламина. Пес смотрел в зеркало, а оттуда на него глядел страшный зверь с оскаленной клыкастой пастью и вставшей дыбом шерстью. На боку зверя была изображена та же самая структурная формула в виде зеркального отображением первой. Почему же фактически одно и то же вещество имеет столь разные обличья? Объясняется это особым свойством некоторых химических соединений, которое тесно связано с их оптической активностью. Поляризация света и оптическая активность . В начале 19 в. английский физик, астроном и врач Томас Юнг показал, что свет можно рассматривать как волну. Французский физик Огюстен Френель установил, что световые волны поперечные: колебания в них происходят перпендикулярно направлению движения (как у волн на поверхности воды: волна бежит вперед, а поплавок на воде колеблется вверх вниз). Уже в 20 в. было установлено, что свет это электромагнитная волна, наподобие радиоволны, только длина волны у света намного меньше. Термин «электромагнитная» означает, что у света имеются электрические и магнитные поля, которые совершают периодические колебания, как волны на поверхности моря. Нас сейчас интересуют колебания только электрического поля. Оказывается, эти колебания происходят не как попало, а только перпендикулярно направлению светового луча. В обычном свете (его излучают, например, солнце, лампы накаливания) колебания происходят случайно, во всех направлениях. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например, турмалина или исландского шпата (прозрачная разновидность кальцита СаСО 3 ), свет приобретает особые свойства: кристалл как бы «срезает» все колебания электрического поля, кроме одного, расположенного в определенной плоскости. Образно говоря, луч такого света подобен шерстяной нитке, которую продернули через узкую щель между двумя острыми лезвиями бритвы.Французский физик
Этьен Луи Малюс полагал, что свет состоит из частиц с двумя полюсами «северным» и «южным», и в свете, прошедшем через исландский шпат, все полюсы повернуты в одну сторону. Поэтому он назвал такой свет поляризованным. Было обнаружено, что свет частично поляризуется, отражаясь под некоторыми углами от блестящих поверхностей диэлектриков, например, от стекла, или преломляясь в них. Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось. Глаз человека не может отличить обычный свет от поляризованного, однако это легко сделать с помощью простейших оптических приборов поляриметров; ими пользуются, например, фотографы: поляризационные фильтры помогают избавиться от бликов на фотографии, которые возникают при отражении света от поверхности воды.Выяснилось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества происходит интересное явление: плоскость, в которой расположены «стрелки» колеблющегося электрического поля, постепенно поворачивается вокруг оси, вдоль которой идет луч. Впервые это явление обнаружил в 1811 французский физик
Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Природные кристаллы кварца имеют неправильное, асимметричное строение, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения. Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право- и левовращающими.В 1815 другой французский физик
Жан Батист Био и немецкий физик Томас Зеебек установили, что некоторые органические вещества (например, сахар или скипидар) также обладают этим свойством, причем не только в кристаллическом, но и в жидком, растворенном и даже газообразном состоянии. Так было доказано, что оптическая активность может быть связана не только с асимметрией кристаллов, но и с каким-то неизвестным свойством самих молекул. Оказалось, что, как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могут существовать в виде как право-, так и левовращающих разновидностей, причем самый тщательный химический анализ не обнаруживает между ними никаких различий! Фактически это был новый тип изомерии, которую назвали оптической изомерией. Оказалось, что кроме право- и левовращающих, есть и третий тип изомеров оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 знаменитый немецкий химик Йёнс Якоб Берцелиус на примере виноградной (дигидроксиянтарной) кислоты НООССН(ОН)СН(ОН)СООН: эта кислота оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Позднее была открыта и не встречающаяся в природе «левая» винная кислота антипод правовращающей.Различить оптические изомеры можно с помощью поляриметра прибора, измеряющего угол поворота плоскости поляризации. Для растворов этот угол линейно зависит от толщины слоя и концентрации оптически активного вещества (закон Био). Для разных веществ оптическая активность может изменяться в очень широких пределах. Так, в случае водных растворов разных аминокислот при 25
° С удельная активность (она обозначается как [ a ] D и измеряется для света с длиной волны 589 нм при концентрации 1 г/мл и толщине слоя 10 см) равна 232 ° для цистина, 86,2 ° для пролина, 11,0 ° для лейцина, +1,8 ° для аланина, +13,5 ° для лизина и +33,2 ° для аспарагина. Современные поляриметры позволяют измерять оптическое вращение с очень высокой точностью (до 0,001 ° ). Подобные измерения позволяют быстро и точно определить концентрацию оптически активных веществ, например, содержание сахара в растворах на всех стадиях его производства начиная от сырых продуктов и кончая концентрированным раствором и патокой. Открытие Пастера. Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например, кубические кристаллы поваренной соли оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась совершенно загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 никому тогда не известный Луи Пастер . Еще в студенческие годы Пастер интересовался химией и кристаллографией, работая под руководством физика Ж.Б.Био и видного французского химика Жана Батиста Дюма . После окончания Высшей нормальной школы в Париже молодой (ему было всего 26 лет) Пастер работал лаборантом у Антуана Балара. Балар был уже известным химиком, который за 22 года до этого прославился открытием нового элемента брома. Своему ассистенту он дал тему по кристаллографии, не предполагая, что это приведет к выдающемуся открытию.В ходе исследования Пастер получил кислую натриевую соль виноградной кислоты C
4 H 5 O 6 Na, насытил раствор аммиаком и медленным выпариванием воды получил красивые призматические кристаллы натриево-аммониевой соли C 4 H 3 O 6 NaNH 4 . Кристаллы эти оказались асимметричными, одни из них были как бы зеркальным отражением других: у половины кристаллов одна характерная грань находилась справа, а у других слева. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением. Пастер на этом не остановился. Из каждого раствора он выделил исходную кислоту (которая была неактивной). Каково же было его удивление, когда оказалось, что один раствор это известная правовращающая винная кислота, а другой такая же кислота, но вращающая влево!Воспоминания очевидцев свидетельствуют о невероятном нервном возбуждении молодого ученого, охватившем его в эту минуту; поняв, что ему удалось сделать, Пастер выбежал из лаборатории и, встретив лаборанта физического кабинета, бросился к нему и, обняв, воскликнул: «Я только что сделал великое открытие!» А заключалось оно в том, что давно известная неактивная виноградная кислота это просто смесь равных количеств также известной «правой» винной кислоты и ранее не известной «левой». Именно поэтому смесь не обладает оптической активностью. Для такой смеси стали применять название рацемат (от латинского racemus виноград). А два полученных Пастером антипода винной кислоты получили название энантиомеров (от греч. enantios противоположный). Пастер ввел для них обозначения L- и D-изомеров (от латинских слов laevus левый и dexter правый). Позднее немецкий химик
Эмиль Фишер связал эти обозначения со строением двух энантиомеров одного из наиболее простых оптически активных веществ глицеринового альдегида ОНСН 2 СН(ОН)СНО. В 1956 по предложению английских химиков Роберта Кана и Кристофера Ингольда и швейцарского химика Владимира Прелога для оптических изомеров были введены обозначения S (от лат. sinister левый) и R (лат. rectus правый); рацемат обозначают символом RS. Однако по традиции широко используются и старые обозначения (например, для углеводов, аминокислот). Следует отметить, что эти буквы указывают лишь на строение молекулы («правое» или «левое» расположение определенных химических групп) и не связаны с направлением оптического вращения; последнее обозначают знаками плюс и минус, например, D()-фруктоза, D(+)-глюкоза.Кроме «ручного способа», Пастер открыл еще два метода разделения рацемата на два антипода. Биохимический метод основан на избирательной способности некоторых микроорганизмов усваивать только один из изомеров. Например, грибковая плесень
Penicillum glaucum , растущая на разбавленных растворах виноградной кислоты или ее солей, «поедает» только правый изомер, оставляя левый без изменения.Третий способ разделения рацематов был чисто химический. Но для него требовалось заранее иметь оптически активное вещество, которое при взаимодействии с рацемической смесью, «выбирало» бы из нее только один энантиомер. Например, оптически активное органическое основание давало с виноградной кислотой оптически активную соль, из которой можно было выделить соответствующий энантиомер винной кислоты.
Теория оптической изомерии . Работа Пастера, доказывающая возможность «расщепления» оптически неактивного соединения на антиподы энантиомеры, первоначально вызвала у многих химиков недоверие. Даже сам Био не поверил своему ассистенту, пока собственноручно не повторил его опыт не убедился в правоте Пастера. Эта и последующие работы Пастера приковали к себе пристальное внимание химиков. Вскоре Жозеф Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Иоганн Вислиценус установил, что существуют две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (молочная кислота брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (мясомолочная кислота). Подобных примеров становилось все больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов. Такую теорию создал молодой голландский ученый Вант-Гофф . Согласно этой теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть «правыми» и «левыми», являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример был такой. Атом углерода в органических соединениях четырехвалентен, четыре химические связи направлены от него под равными углами к вершинам тетраэдра. Если все атомы или группы атомов, находящиеся в вершинах тетраэдра и связанные с центральным атомом углерода, будут разными, то возможны две разные структуры, которые не совмещаются друг с другом вращением в пространстве. Если же хотя бы два заместителя из четырех будут одинаковыми, молекулы станут полностью идентичными (это легко проверить с помощью модели из спичек и цветного пластилина). Подобные структуры, которые отличаются друг от друга как правая рука от левой, получили название хиральных (от греч. heir рука). Таким образом, оптическая активность следствие пространственной изомерии (стереоизомерии) молекул.Атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями, называется асимметрическим. Асимметрическими могут быть и атомы других элементов кремния, азота, фосфора, серы. Однако оптически активными могут быть и соединения без асимметрических атомов углерода, если они могут существовать в виде двух зеркальных изомеров. Молекула будет асимметрической, если в ней нет ни одного элемента симметрии ни центра, ни осей, ни плоскости симметрии. Примером может служить молекула аллена H
2 C=C=CH 2 , в которой имеются два различных заместителя: R 1 R 2 C=C=CR 1 R 2 . Дело в том, что эти заместители находятся не в одной плоскости (как, например, у алкенов), а в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поэтому возможно существование двух зеркальных изомеров, которые никакими перемещениями и поворотами невозможно совместить друг с другом.Более сложные отношения встречаются в случае молекул с несколькими асимметрическими атомами углерода. Например, в винной кислоте две гидроксильные группы у двух соседних атомов углерода могут быть расположены так, что молекула окажется симметричной и зеркальных изомеров у нее не будет. Это приводит к образованию еще одного, оптически неактивного, изомера, которых называется мезовинной (или антивинной) кислотой. Таким образом, дигидроксиянтарная кислота может находиться в виде четырех изомеров: правовращающего (D-винная кислота, которую в медицине называют виннокаменной), левовращающего (L-винная кислота), оптически неактивного (мезовинная кислота), а также в виде смеси L- и R-изомеров, то есть рацемата (i-винная, или виноградная кислота). Оптически активные винные кислоты при длительном нагревании их водных растворов рацемизуются, превращаясь в смесь антиподов.
Еще сложнее обстоит дело, когда асимметрических центров у молекулы множество. Например, в молекуле глюкозы их четыре. Поэтому для нее теоретически возможно существование 16 стереоизомеров, которые образуют 8 пар зеркальных антиподов. Они давно известны химикам; это сама глюкоза, а также аллоза, альтроза, манноза, гулоза, идоза, галактоза и талоза. Многие из них встречаются в природе, например, D-глюкоза (но не L-глюкоза, которая была получена синтетически).
Если в веществе поровну «правых» и «левых» молекул, оно будет оптически неактивным. Именно такие вещества и получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах, при участии асимметричных агентов (например, ферментов) образуются оптически активные соединения. Конечно, тут же возник вопрос о том, как же появились на Земле такие соединения, например, та же природная правовращающая винная кислота, или «асимметричные» микроорганизмы, питающиеся только одним из энантиомеров. Ведь в отсутствие человека некому было осуществлять направленный синтез оптически активных веществ, некому
было разделять кристаллы на правые и левые! Однако подобные вопросы оказались настолько сложными, что ответа на них нет и поныне. Например, никто не знает, почему почти все природные аминокислоты, из которых построены белки, относятся к L-ряду (S-конфигурация), а их антиподы только изредка встречаются у некоторых антибиотиков.Теория Вант-Гоффа далеко не сразу завоевала признание. Так, выдающийся немецкий химик-экспериментатор
Адольф Кольбе , (его именем названо несколько органических реакций), опубликовал в мае 1877 года язвительную статью, в которой резко отрицательно отозвался о новой теории. К счастью, Кольбе оказался в явном меньшинстве, и теория Вант-Гоффа, заложившая основы современной стереохимии, завоевала общее признание, а ее создатель в 1901 стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии.Эта теория позволила объяснить многие химические явления. Например, в реакциях замещения атомов галогенов на гидроксильные группы: в оптически активных алкилгалогенидах RX + OH
® ROH + X (X атом галогена) в некоторых случаях оптическая активность исчезает, в других сохраняется, но меняет знак. Оказалось, что эта реакция может идти разными путями. Первый механизм включает диссоциацию галогенида с образованием промежуточных ионов R + , которые быстро соединяются с анионами ОН , давая продукт реакции спирт. Если исходный галогенид RX имел оптическую активность, она в результате этой реакции теряется, поскольку гидроксил может подойти к промежуточному плоскому катиону с любой стороны, так что образуется смесь энантиомеров. Если же реакция идет по второму механизму, анион OH, подходит к атому углерода со стороны, противоположной связи CX, и «вытесняет» атом галогена в виде аниона. Если исходный галогенид R 1 R 2 R 3 CX имел оптическую активность, она в результате этой реакции сохраняется, но знак оптического вращения меняется на противоположный. Происходит это потому, что три заместителя у асимметрического атома углерода R 1 , R 2 и R 3 , находящиеся, как и атом галогена, в вершинах тетраэдра, при подходе атакующего агента гидроксила меняют свою конфигурацию относительно четвертого заместителя; такое изменение конфигурации аналогично выворачиванию зонтика на сильном ветру. Оптическая изомерия и жизнь . Химики часто относятся к энантиомерам, как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Это стало очевидным после трагической истории с талидомидом лекарственным средством, которое в 60-е годы 20 в. врачи во многих странах прописывали беременными женщинами как эффективное снотворное и успокаивающее. Однако со временем проявилось его ужасное побочное действие: вещество оказалось тератогенным (повреждающим зародыш, от греческого teratos чудовище, урод), и на свет появилась масса младенцев с врожденными уродствами. Лишь в конце 80-х годов выяснилась, что причиной несчастий был только один из энантиомеров талидомида его правовращающая форма. К сожалению, такое различие в действии лекарственных форм раньше не было известно, и талидомид был рацемической смесью обоих антиподов.В настоящее время многие лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Так, из 25 наиболее распространенных с США лекарств только шесть являются нехиральными соединениями, три это рацематы, остальные чистые энантиомеры. Последние получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений (к ним относятся углеводы, аминокислоты, терпены, молочная и винная кислоты и др.) и прямым синтезом
. Например, известная химическая фирма Merck разработала способ производства гипотензивного препарата метилдофа, включающий самопроизвольную кристаллизацию только нужного энантиомера путем введения в раствор небольшой затравки этого изомера. Прямой синтез также требует хиральных источников, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают оба энантиомера в равных пропорциях рацемат. Это, кстати, одна из причин очень высокой стоимости некоторых лекарств, поскольку направленный синтез только одного из них очень сложная задача. Поэтому не удивительно, что из более 500 синтетических хиральных препаратов, выпускаемых во всем мире, примерно лишь десятая часть являются оптически чистыми. В то же время из 517 препаратов, полученных из природного сырья, только восемь это рацематы.Необходимость в оптически чистых энантиомерах объясняется тем, часто только один из них обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может вызвать нежелательные побочные эффекты или даже быть токсичным. Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, S()-тироксин («левотроид») это природный гормон щитовидной железы. А правовращающий R(+)-тироксин («декстроид») понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например, Darvon и Novrad.
Чем же объясняется различное действие энантиомеров? Человек существо хиральное. Асимметрично и его тело, и молекулы биологически активных веществ, из которых оно состоит. Молекулы хиральных лекарств, взаимодействуя с определенными хиральными центрами организма, например, ферментами, могут действовать по-разному в зависимости от того, каким именно энантиомером является лекарство. «Правильное» лекарство подходит к
своему рецептору, как ключ к замку и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке пожать правой рукой правую же руку своего гостя.Если лекарство рацемат, то один из энантиомеров может в лучшем случае оказаться индифферентным, в худшем вызвать совершенно нежелательный эффект. Вот несколько примеров. Так, антиаритмическое средство S()-анаприлин действует в 100 раз сильнее, чем R(+)-форма! В случае верапамила оба энантиомера обладают сходным эффектом, однако его R(+)-форма обладает значительно менее сильным побочным кардиодепрессивным эффектом. Применяющийся для наркоза кетамин может у 50% пациентов вызвать побочные эффекты в виде возбуждения, бреда и т.п., причем это присуще в основном только R(
) -изомеру, а также рацемату.У антигельминтного препарата левамизола активен в основном в S()-изомер, тогда как его R(+)-антипод вызывает тошноту, поэтому в свое время рацемический левамизол был заменен одним из энантиомеров. Но, оказывается, экономически не всегда имеет смысл синтезировать чистые изомеры. Например, для широко применяющегося анальгетика ибупрофена под действием ферментов возможна изомеризация терапевтически неактивной R()-формы в активный S(+)-изомер, поэтому в данном случае можно использовать значительно более дешевый рацемат.Разное биологическое действие «правых» и «левых» изомеров проявляется не только среди лекарственных средств, а во всех случаях, когда хиральное соединение взаимодействует с живыми организмами. Яркий пример аминокислота изолейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий горький. Другой пример. Карвон вещество с очень сильным ароматом (человеческий нос способен почувствовать его при содержании в воздухе всего 17 миллионных долей миллиграмма в литре). Карвон выделяют из тмина, в масле которого его содержится около 60%. Однако точно такое же соединение с тем же строением находится в масле кудрявой мяты там его содержание достигает 70%. Каждый согласится с тем, что запах мяты и тмина вовсе не одинаковы. Оказалось, что на самом деле карвонов два «правый» и «левый». Различие в запахе этих соединений показывает, что клетки-рецепторы в носу, ответственные за восприятие запаха, также должны быть хиральными.
Вернемся теперь к формуле, изображенной на собаке и волке. Пеницилламин (3,3-диметилцистеин) довольно простое производное аминокислоты цистеина. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно обладает способностью давать прочные комплексы с ионами этих металлов; образующиеся комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, при системной склеродермии, в ряде других случаев. При этом применяют только S-форму препарата, так как R-изомер токсичен и может привести к слепоте.
Теория Вант-Гоффа далеко не сразу завоевала признание. Так, выдающийся немецкий химик-экспериментатор Адольф Кольбе, (его именем названо
несколько органических реакций), опубликовал в мае 1877 года язвительную статью, в которой резко отрицательно отозвался о новой теории. К счастью, Кольбе оказался в явном меньшинстве, и теория Вант-Гоффа, заложившая основы современной стереохимии, завоевала общее признание, а ее создатель в 1901 стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии. Илья Леенсон ЛИТЕРАТУРА Потапов В.М. Основы стереохимии . М., Химия, 1985Проявляется в тех случаях, когда изомеры одного и того же соединения, в свзи с различным расположением заместителей у определенного центра , не совместимы в пространстве . Для производных алифатического ряда изомерия связана со стереохимическими особенностями sp 3 гибридного атома углерода.
Еще Ле-Бель в конце 18 века предположил тетраэдрическую структуру атома углерода. В том случае, если атом углерода соединен с четырьмя различными заместителями, появляется возможность существования 2-х изомеров, являющихся зеркальным отражением друг друга.
Атом углерода, имеющий все различные заместители называют асимметрическим или хиральным центром («хирос» - рука).
Рассмотрим на примере перспективных формул:
Стереоизомеры I и II не совместимы в пространстве, являются антиподами или оптическими изомерами (энантиомерами , стереомерами).
Проекционные формулы Фишера
Рассмотрим перспективные формулы в другой плоскости.
Расположим асимметрический центр (атом углерода) в плоскости листа; заместители a и b за плоскостью листа (от наблюдателя); заместители f и d над плоскостью листа (ближе к наблюдателю) – в соответствии со стрелками, указывающими направление взгляда наблюдателя. Получим взаимно перпендикулярное направление связей с хиральным центром. Такое построение изомеров называют проекционными формулами Фишера.
Таким образом, в проекционных формулах Фишера заместители, расположенные по горизонтали, направлены к наблюдателю, по вертикали - за плоскость листа.
При построении проекционных формул наиболее объемные заместители располагают по вертикали. Если заместителями являются атомы или малые группы, не имеющие отношения к главной цепи, то их располагают по горизонтали. Для 2-бромбутана
существуют два антипода:
Энантиомеры, антиподы, стереомеры практически неразличимы по свойствам (t кипения, t плавления и т.д.), а также имеют сходные термодинамические константы. В то же время у них есть различия:
4) - твердые антиподы кристаллизуются с образованием зеркально похожих друг на друга кристаллов, но не совместимых в пространстве.
5) - антиподы вращают плоскость поляризованного света на одинаковый угол, но в различные стороны. Если угол вращения света положителен (по часовой стрелке), то антипод называют правовращающим, если отрицателен (против часовой стрелки), то - левовращающим.
Угол оптического вращения плоскополяризованного света обозначают [α D ]. Если [α D ]= -31.2°, то исследовался левовращающий антипод.
Устройство поляриметра
Вещества, способные вращать плоскость поляризованного света, называются оптически активными или оптически деятельными.
Смесь двух энантиомеров в соотношении 1:1 не вращает плоскость поляризованного света и называется рацемической смесью, рацематом.
Если один антипод преобладает в смеси над другим, то говорят об его оптической чистоте (ee). Она вычисляется по разности содержания энантиомеров в смеси.
II - 30 %, ee=70 – 30 = 40 (%)
Вторичные и третичные амины также могут обладать оптической активностью. Четвертым заместителем является неподеленная пара электронов на атоме азота.
5.4.1 Диастереомеры
Диастереометрия - явление более существенно сказывающееся на свойствах веществ и наблюдается в тех случаях, когда в соединении имеется два или более асимметрических центра. Например:
4-хлорпентанол-2
Изобразим все возможные для соединения антиподы (I-IV):
Оптические изомеры (стереоизомеры) одного и того же соединения, не являющиеся антиподами, называются диастереомерами. То есть пары изомеров I и III, I и IV, II и III, II и IV являются диастереомерными парами. Количество изомеров рассчитывают по формуле: q = 2 n , где
q - общее количество стереоизомеров,
n - количество асимметрических центров (C*).
Например, глюкоза имеет 4 хиральных центра, тогда q = 2 4 = 16 (D-глюкоза – 8 изомеров, L- глюкоза – 8 изомеров).
D-глюкоза
В природе встречаются случаи, когда асимметрические атомы в соединении имеют одинаковое окружение. Это приводит к тому, что половина антиподов не является оптически деятельными.
винная кислота
åα =0 åα =0 åα =2α åα =-2α
мезоформа
Мезоформа оптически неактивная форма, возникающая вследствие внутренней симметрии в оптически деятельном веществе.
В отличие от антиподов, диастереомеры различаются по температуре кипения, плотности (d 4 20), показателю преломления (n 4 20) и т.д.
Валентная изомерия - особый вид структурной изомерии, при которой изомеры можно перевести друг в друга лишь за счёт перераспределения связей. Например, валентными изомерами бензола (V) являются бициклогекса-2,5-диен (VI, «бензол Дьюара»), призман (VII, «бензол Ладенбурга»), бензвален (VIII).
Изомерия функциональной группы (межклассовая изомерия)
Различается характером функциональной группы; например, этанол (CH 3 -CH 2 -OH) и диметиловый эфир (CH 3 -O-CH 3).
Изомерия положения
Тип структурной изомерии, характеризующийся различием положения одинаковых функциональных групп или кратных связей при одинаковом углеродном скелете. Пример: 2-хлорбутановая кислота и 4-хлорбутановая кислота.
Метамерия
Этот тип изомерии подразделяют на энантиомерию (оптическую изомерию) и диастереомерию .
Энантиомерия (оптическая изомерия)
Энантиомерами (оптическими изомерами, зеркальными изомерами) являются пары оптических антиподов - веществ, характеризующихся противоположными по знаку и одинаковыми по величине вращениями плоскости поляризации света при идентичности всех других физических и химических свойств (за исключением реакций с другими оптически активными веществами и физических свойств в хиральной среде). Необходимая и достаточная причина возникновения оптических антиподов - принадлежность молекулы к одной из следующих точечных групп симметрии : C n , D n , T, O или I (хиральность). Чаще всего речь идёт об асимметрическом атоме углерода, то есть об атоме, связанном с четырьмя разными заместителями.
Асимметрическими могут быть и другие атомы, например атомы кремния , азота , фосфора , серы . Наличие асимметрического атома - не единственная причина энантиомерии. Так, имеют оптические антиподы производные адамантана (IX), ферроцена (X), 1,3-дифенилаллена (XI), 6,6"-динитро-2,2"-дифеновой кислоты (XII). Причина оптической активности последнего соединения - атропоизомерия , то есть пространственная изомерия, вызванная отсутствием вращения вокруг простой связи. Энантиомерия также проявляется в спиральных конформациях белков , нуклеиновых кислот , в гексагелицене (XIII).
Диастереомерия
Диастереомерными считают любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических антиподов. Различают σ- и π-диастереомеры.
σ-диастереомерия
σ-диастереомеры отличаются друг от друга конфигурацией части имеющихся в них элементов хиральности. Так, диастереомерами являются (+)-винная кислота и мезо-винная кислота, D-глюкоза и D-манноза, например:
π-диастереомерия (геометрическая изомерия)
π-диастереомеры, называемые также геометрическими изомерами , отличаются друг от друга различным пространственным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи (чаще всего С=С и С=N) или цикла. К ним относятся, например,
В литературе сплошь и рядом утверждается, что для питания и в качестве структурных элементов нашему метаболизму подходят только левовращающие аминокислоты. Психологически это понятно: природные аминокислоты действительно чаще всего относятся к так называемому L-ряду, а буква L обычно ассоциируется с понятием «левый». Однако такое «отнесение» L-соединений к левовращающим, а соединений D-ряда - к правовращающим абсолютно неверно. Достаточно взглянуть хотя бы на список 23 важнейших аминокислот белка (они приведены, например, в учебнике А. Н. Несмеянова и Н. А. Несмеянова «Начала органической химии»), чтобы убедиться, что левовращающих (для растворов в ледяной уксусной кислоте) - всего лишь семь, меньше трети. Остальные - правовращающие, за исключением оптически неактивного глицина. В «Химической энциклопедии» в списке из 26 наиболее распространенных аминокислот левовращающих и того меньше, всего шесть (23%). Многие путают направление вращения плоскости поляризации света веществом и строение его молекул, которые можно отнести к D- или L-виду.
Поляризация света и оптическая активность
Со времен Ньютона в науке шли споры: свет - это волны или частицы. Томас Юнг сформулировал в 1800 году принцип суперпозиции волн и на его основании объяснил явление интерференции света. В 1808 году Этьен Луи Малюс, экспериментируя с кристаллами исландского шпата (кальцита), открыл явление поляризации света. В 1816 году Огюстен Жан Френель высказал идею о том, что световые волны - поперечные. Френель объяснил и явление поляризации света: в обычном свете колебания происходят хаотично, во всех направлениях, перпендикулярных направлению луча. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например исландский шпат или турмалин, свет приобретает особые свойства: волны в нем колеблются только в одной плоскости. Образно говоря, луч такого света подобен шерстяной нитке, которую продернули через узкую щель между двумя острыми лезвиями бритвы. Глаз человека лишь в редких случаях и с трудом может отличить обычный свет от поляризованного, однако это легко сделать с помощью простейших оптических приборов - поляриметров.
Выяснилось также, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации поворачивается. Впервые это явление обнаружил в 1811 году Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Природные кристаллы кварца имеют неправильное, асимметричное строение, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения. Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право- и левовращающими.
В 1815 году Жан Батист Био и Томас Зеебек выяснили, что некоторые органические вещества (например, сахар или скипидар) также обладают способностью вращать плоскость поляризации, причем не только в кристаллическом, но и в жидком, растворенном и даже газообразном состоянии. Так было доказано, что оптическая активность может быть связана не только с асимметрией кристаллов, но и с каким-то неизвестным свойством самих молекул. Как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могли существовать в виде право- и левовращающих разновидностей, причем самый тщательный химический анализ не мог обнаружить между ними никаких различий. Такие разновидности назвали оптическими изомерами, а сами соединения - оптически активными. Оказалось, что у оптически активных веществ есть и третий тип изомеров -оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 году знаменитый немецкий химик Йене Якоб Берцелиус: виноградная кислота С 4 Н 6 0 6 оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Позднее была открыта и не встречающаяся в природе «левая» винная кислота - антипод правовращающей.
В 1828 году Уильям Николь, используя прозрачные кристаллы исландского шпата, сконструировал поляризатор света - «призму Николя». А осуществив в 1839 году комбинацию двух таких призм, он получил поляриметр - прибор для измерения угла поворота плоскости поляризации света. С тех пор такой поляриметр стал одним из самых распространенных приборов в физических лабораториях.
Открытие Пастера
Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например кубические кристаллы поваренной соли, оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 году Луи Пастер. Еще в студенческие годы он заинтересовался химией и кристаллографией, после окончания Высшей нормальной школы в Париже 26-летний Пастер работал лаборантом у Антуана Балара (первооткрывателя брома).
В ходе исследования Пастер приготовил раствор кислой натриевой соли виноградной кислоты НООС–CHOH–CHOH–COONa, насытил раствор аммиаком и, медленно выпаривая воду, получил красивые призматические кристаллы тетрагидрата натриево-аммониевой соли Na(NH) 4 C 4 H 4 O 6 ·4H 2 O. Кристаллы эти оказались асимметричными. У части кристаллов одна характерная грань находилась справа, а у других - слева, причем по форме два типа кристаллов были как бы зеркальным отражением друг друга. Тех и других кристаллов получилось поровну. Зная, что в подобных случаях кристаллы кварца вращают в разные стороны, Пастер решил проверить, не будет ли наблюдаться это явление и на полученной им соли. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер аккуратно разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением, а смесь растворов была оптически неактивной. Было непонятно, почему одно исходное вещество дало кристаллы разной формы. Пастер на этом не остановился. Из каждого раствора он осадил нерастворимую свинцовую или бариевую соль, а действуя на эти соли сильной серной кислотой, вытеснил из них более слабую органическую. Можно было предположить, что в обоих случаях получится исходная виноградная кислота, которая, как мы помним, была неактивной. Каково же было удивление Пастера, когда оказалось, что из одного раствора соли образовалась вовсе не виноградная, а известная правовращающая винная кислота, а из другого раствора получилась такая же кислота, но вращающая влево! До той поры левовращающую винную кислоту никто не видел! Эти кислоты получили название d -винной для правовращающей разновидности (от лат. dexter - правый) и l -винной для левовращающего изомера (от лат. laevus - левый).
Открытие состояло в том, что давно известная неактивная виноградная кислота оказалась смесью равных количеств также известной «правой» винной кислоты и ранее не известной «левой». Именно поэтому их смесь в кристалле или в растворе не обладает оптической активностью. Для такой смеси стали применять название рацемат (от латинского racemus - виноград; на латыни acidum racemicum - виноградная кислота), а два антипода, дающие при смешении в равных количествах оптически неактивную смесь, получили название энантиомеров (от греч. enantios - противоположный). Пастеру повезло: в дальнейшем обнаружили всего несколько подобных случаев кристаллизации при определенной температуре смеси оптически различных кристалликов, достаточно крупных, чтобы их можно было под лупой разделить пинцетом. Более того, натрий-аммониевая соль винной кислоты, с которой работал Пастер, образует кристаллы разной формы только в том случае, если кристаллизация происходит из раствора, температура которого ниже 28°С. При этом выпадает тетрагидрат. При более высоких температурах из раствора выпадают симметричные кристаллы моногидрата.
Вскоре Пастер открыл также четвертую форму винной кислоты. Она была оптически неактивной, но не являлась рацематом, так как разделить ее на антиподы оказалось невозможно. Пастер назвал эту кислоту мезовинной, от греч. mesos - средний, промежуточный. Пастер нашел еще два метода разделения рацемата на два антипода. Биохимический метод основан на избирательной способности некоторых микроорганизмов усваивать только один из изомеров. И здесь Пастеру повезло. Один из аптекарей аптеки дал ему давно стоявшую склянку с виноградной кислотой, в которой завелась зеленая плесень. В своей лаборатории Пастер выяснил: бывшая когда-то неактивной кислота стала левовращающей. Зеленый плесневой грибок Penicillum glaucum в растворе разбавленной виноградной кислоты или ее солей «поедает» только правый изомер, оставляя левый без изменения. Такое же действие оказывает эта плесень на «недеятельную» миндальную кислоту, только в данном случае она ассимилирует левовращающий изомер, не трогая правовращающий. Таких случаев стало известно немало. Например, дрожжи сахаромицета эллипсоидального (Saccharomyces ellipsoideus ), в отличие от Penicillum glaucum , «специализируется» на правом изомере миндальной кислоты, оставляя без изменения левый. Другой способ разделения рацематов был химическим. Для него требовалось заранее иметь оптически активное вещество, которое при взаимодействии с рацемической смесью «выбирало» бы из нее только один энантиомер. Например, оптически активное основание давало с виноградной кислотой оптически активную соль, из которой можно было выделить соответствующий энантиомер винной и кислоты.
Работа Пастера, доказывающая возможность «расщепления» оптически неактивного соединения на антиподы, первоначально вызвала у многих химиков недоверие. Даже сам Био не поверил своему ассистенту, пока собственноручно не повторил его опыт. Вскоре Жозеф Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Иоганн Вислиценус установил, что существуют две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (молочная кислота брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (мясомолочная кислота). Подобных примеров становилось все больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов. Такую теорию создал молодой голландский ученый Вант-Гофф («Химия и жизнь», 2009, № 1). Согласно этой теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть «правыми» и «левыми», являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример - молекулы, в которых имеется так называемый асимметрический атом углерода, окруженный четырьмя разными группами. Возьмем простейшую аминокислоту аланин: две изображенные молекулы невозможно совместить в пространстве никакими поворотами.
Подобные структуры, которые отличаются друг от друга как правая рука от левой, получили название хиральных (от греч. heir - рука).
В винной кислоте два асимметрических атома углерода. Если оба они будут «правыми», получится правовращающая (+)-винная кислота, если «левыми» - левовращающая (–)-винная, если один «левым», а другой - «правым», то получится мезовинная кислота. Если в смеси поровну «правых» и «левых» молекул, вещество в целом будет оптически неактивным. Именно такие вещества и получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах при участии асимметричных агентов (например, ферментов) образуются асимметричные соединения. Так, в природе преобладают аминокислоты и сахариды только одной конфигурации, а образование их антиподов подавлено. В некоторых случаях разные энантиомеры можно различить и без всяких приборов - когда они по-разному взаимодействует с асимметрическими рецепторами в нашем организме. Яркий пример - аминокислота лейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий - горький. Заметим, что на естественный вопрос - как появились на Земле первые оптически активные химические соединения - четкого ответа пока нет.
Проблема абсолютной конфигурации
Раньше не было возможности определить, какова в действительности пространственная конфигурация молекул того или иного оптически активного вещества, например упомянутого выше аланина. Однако чисто химическими методами можно было установить аналогичность конфигураций разных веществ. Например, молекулы правовращающего d -глицеринового альдегида были аналогичны по своей конфигурации молекулам левовращающей l -молочной кислоты и правовращающей d -яблочной кислоты. В 1906 году по предложению М. А. Розанова в качестве стандарта для установления относительной конфигурации оптически активных молекул был выбран глицериновый альдегид. При этом Э. Г. Фишер предложил правовращающему глицериновому альдегиду приписать (чисто произвольно) структуру,
в которой звездочкой обозначен асимметрический атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями. На подобных рисунках две «горизонтальные» связи (в данном случае это связи С–Н и С–ОН) располагаются под плоскостью рисунка, а две «вертикальные» связи (С–СНО и С–СН 2 ОН) - над плоскостью. Такой способ изображения называется проекцией Фишера, названной в честь Эмиля Германа Фишера, второго лауреата Нобелевской премии по химии за 1902 год.
Несколько слов о практически неизвестном у нас Розанове. Мартин Андре Розанов (1874–1951) родился на Украине в семье Абрахама и Клары Розенбергов. После окончания классической гимназии в родном Николаеве продолжил образование в Берлине и Париже, а затем в Нью-Йорке. Работал в Нью-Йоркском университете, затем в Питтсбургском институте Меллона, где ему впервые в истории института была предоставлена пожизненная должность профессора химии. Сестра Мартина Лилиан (1886–1986) была деканом математического факультета в университете Лонг-Айленда; брат Аарон Джошуа был известным американским психиатром, работал в Калифорнии. Среди «нехимических» работ М. А. Розанова выделяется большая статья «Эдисон в своей лаборатории» (1932), в которой автор помимо прочего описал разные забавные случаи, в том числе из опыта своего общения с известным изобретателем.
Изображенную структуру назвали D(+)-глицериновым альдегидом. Соответственно все вещества, стереохимически аналогичные этому альдегиду, стали относить к D-ряду. Оптический антипод этого альдегида был назван L-глицериновым альдегидом, а родственные ему вещества стали относить к L-ряду («+» означает, что плоскость поляризации вращается вправо, «–» - влево):
Глицериновый альдегид - одно из простейших оптически активных соединений, легко получается окислением глицерина, а главное - из него можно путем ряда последовательных асимметрических синтезов получить самые различные соединения. Так устанавливается относительная конфигурация правовращающих винной и яблочной кислот и изосерина, левовращающей молочной кислоты и множества других оптически активных соединений. При альдольной конденсации глицеринового альдегида с дигидроксиацетоном получается смесь фруктозы и сорбозы, которые можно разделить. Понятно, что в ходе таких синтезов абсолютная конфигурация у асимметрического атома углерода должна оставаться неизменной. Так и происходит, если не рвется химическая связь этого атома углерода с одним из соседних заместителей. В противном случае может произойти либо потеря оптической активности (как, например, в реакциях нуклеофильного замещения типа S N 1), либо изменение конфигурации на противоположную. Последний процесс, так называемое вальденовское обращение, происходит, например, в реакциях S N 2; он назван по имени Пауля (Павла Ивановича) Вальдена (1863–1957), открывшего его в 1889 году.
Прописные буквы D и L вместо строчных были приняты для того, чтобы не смешивать конфигурацию вещества, установленную относительно глицеринового альдегида, с направлением вращения плоскости поляризации света этим веществом. Так и получилось, что часть соединений D-ряда вращают вправо, часть - влево, и направление вращения никак не связано с принадлежностью вещества к кому-либо из этих рядов. Например, в природе найдена только D(-)-фруктоза (она же левулоза, потому что вращает плоскость поляризации влево). С другой стороны, и L-, и D-аспарагины - правовращающие аминокислоты. У миндальной кислоты С 6 Н 5 СН(ОН)СООН - два оптических изомера: левовращающий D(–)- и правовращающий L(+)-изомер. Таких примеров множество. Следовательно, нельзя заранее установить отношение между знаком вращения соединения и его конфигурацией: два соединения с одной и той же относительной конфигурацией могут иметь противоположные знаки вращения. И наоборот, сходные соединения с одним и тем же знаком вращения могут иметь противоположные относительные конфигурации.
Прямое определение абсолютной конфигурации молекулы - сложная задача, и в течение длительного времени химики обходились лишь отнесением молекул к D- или L-ряду. И только в середине XX века эта задача была решена Дж. Бейвутом с сотрудниками, которые работали в лаборатории имени Вант-Гоффа Утрехтского университета. Эпохальная работа под названием «Определение абсолютной конфигурации оптически активных веществ методом дифракции рентгеновских лучей» была опубликована 18 августа 1951 года в журнале «Nature ». Авторы путем рентгеноструктурного анализа кристаллов калий-рубидиевой соли D(+)-винной кислоты показали, что Фишер не ошибся, постулировав абсолютную конфигурацию энантиомеров глицеринового альдегида! А это значит, что правильны были установлены не только относительные, но и абсолютные конфигурации всех оптически активных соединений! На самом деле у Фишера было ровно по 50% шансов сделать правильный выбор или ошибиться. Сходная история имела место, когда задолго до открытия электрона выбирали направление для протекания электрического тока. И - ошиблись, выбрав направление от плюса к минусу.
Поскольку в основополагающей исходной публикации Бейвута в журнале Nature не были приведены исходные экспериментальные данные, принципиальным оставался вопрос об обоснованности сделанных выводов, тем более что экспериментальная техника тех времен была далеко не совершенной. В частности, не было компьютеров, без которых сейчас не обходится ни одна работа в области рентгеноструктурного анализа. Чтобы снять все возможные подозрения, сотрудники Центра молекулярной биологии Утрехтского университета Мартин Лутц и М. М. Шроерс предприняли недавно проверку результатов своих коллег более чем полувековой давности с использованием самого современного оборудования. Их работа, опубликованная в августе 2008 года в журнале «Acta Crystallographica », section С: «Crystal Structure Communications », называлась «Был ли прав Бейвут? Повторное исследование тетрагидрата тартрата натрия - рубидия». Для получения монокристалла авторы нагрели раствор (+)-винной кислоты до 60°С и начали по каплям добавлять в него раствор эквимолярной смеси карбонатов натрия и рубидия. Сначала в осадок выпал менее растворимый кислый тартрат рубидия. Затем, когда закончилось выделение углекислого газа, осадок полностью перешел в раствор. При его испарении при комнатной температуре образовался бесцветный порошок, перекристаллизация которого из минимального количества воды дала кристаллы Na + ·Rb + ·C 4 H 4 О 6 2– ·4H 2 О, пригодные для исследования. На вопрос, заданный в заголовке статьи, авторы ответили «да».
Работа Бейвута с сотрудниками 1951 года была поистине эпохальной. Впервые появилась возможность избавиться от некоторого несоответствия в обозначениях D и L, которые указывали только на генетическую связь с глицериновыми альдегидами, но никак не на направление оптического вращения. Такая возможность была осуществлена в 1956 году по предложению Роберта Сидни Кана и Кристофера Келка Ингольда и лауреата Нобелевской премии за 1975 год (совместно с Дж. У. Корнфортом) Владимира Прелога. Их первая статья была опубликована в сравнительно малоизвестном швейцарском журнале «Experientia », и тем не менее предложение получило широкое распространение. Так, оно подробно описывается в учебнике органической химии Луиса и Мэри Физеров (1961, русский перевод 1966). Но наибольшую известность эта система получила после публикации в 1966 году детально разработанной универсальной стереохимической номенклатуры (см. Cahn R.S., Ingold С.К., Prelog V. Specification of Molecule Chirality // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. , 1966, 5, 385–415; полный текст - PDF, 3,4 Мб).
Авторы предложили ввести понятие хиральности как свойства объекта быть несовместимым со своим отображением в идеальном плоском зеркале и R —S -систему (от лат. rectus -прямой, правильный и sinister - левый) для обозначения хиральности.
Подробное описание применения этого правила к оптически активным соединениям можно найти в учебниках органической химии, а так же в учебнике К. П. Бутина . В нем используется определенное расположение групп вокруг хирального центра - по часовой стрелке, в соответствии со «старшинством» этих групп. В частности, по новой номенклатуре правовращающий D-глицериновый альдегид получает обозначение R. Обозначения R и S добавляют к названию соединения в качестве приставок. Так, энантиомерами 1-бром-1-хлорэтана являются R -1-бром-1-хлорэтан и S -1-бром-1-хлорэтан. Их оптически неактивная рацемическая модификация обозначается R,S -1-бром-1-хлорэтан. Однако по традиции широко используются и старые обозначения D и L, например, для cахаров и аминокислот.
В заключение этого раздела отметим еще одно весьма распространенное заблуждение - о том, что все природные аминокислоты относятся якобы исключительно к L-ряду. На самом деле это не так: D-аминокислоты тоже 2 встречаются в природе, хотя и реже, чем аминокислоты L-ряда, в основном - в мире низших организмов. Они присутствуют, например, в пептидных антибиотиках, в оболочке некоторых бактерий. Некоторые термофильные микроорганизмы, живущие в горячих источниках и термальных водах, используют высокие концентрации D-аланина в качестве осморегулятора. Плазма крови высших организмов также содержит D-аминокислоты. В организме человека вырабатывается в качестве нейромедиатора D-серин. В нервных клетках высших организмов находят D-аланин, D-аспарагин и D-серин. С D-аминокислотами работают, например, на кафедре химической энзимологии химического факультета МГУ. А в 2008 году на биологическом факультете МГУ состоялась защита А. В. Дмитриевым диссертации на соискание степени доктора физико-математических наук на тему «Физико-химические механизмы переноса ионов в природных и хирально модифицированных модельных каналах». Автор изучал, в частности, модифицированные модельные белки, включающие D-аминокислоты. Было показано, что для получения первичной структуры белка с природной функциональностью, построенного из D-аминокислот, достаточно десяти D-аминокислот.
Хиральные лекарства
Химики часто относятся к энантиомерам как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Это стало очевидным после трагической истории с талидомидом - лекарственным средством, которое широко применялось в 60-е годы XX века в Европе беременными женщинами как эффективное снотворное и успокаивающее. Со временем проявилось его тератогенное действие, и на свет появилось много младенцев с врожденными уродствами. После этого европейцы заимствовали более строгую американскую систему сертификации лекарств - в Америке талидомид не был допущен к продаже. Но лишь в конце 80-х годов выяснилось, что причиной несчастии стал только один из энантиомеров талидомида. О таком различии в действии лекарственных форм раньше не знали, и продаваемый талидомид был рацемической смесью.
В настоящее время многие лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Их получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений (к ним относятся углеводы, аминокислоты, терпены, молочная и винная кислоты и др.) и прямым синтезом. Последний также требует хиральных источников, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают рацемат. Это одна из причин высокой стоимости некоторых лекарств, и не удивительно, что из множества синтетических хиральных препаратов, выпускаемых во всем мире, лишь небольшую часть составляют оптически чистые, остальные - рацематы.
Необходимость в оптически чистых энантиомерах объясняется также тем, что часто только один из них обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может в лучшем случае быть бесполезным, а в худшем вызвать нежелательные побочные эффекты или быть токсичным. Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, левовращающий S -тироксин (лекарственный препарат левотроид) - это природный гормон щитовидной железы Т4. А правовращающий R -тироксин («декстроид») понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например «Darvon » для наркотического анальгетика и «Novrad » для противокашлевого препарата.
Как уже отмечалось на примере аминокислоты лейцина, человек - существо хиральное. И это относится не только к его внешнему виду. Энантиомерные лекарства, взаимодействуя с хиральными молекулами в организме, например с ферментами, могут действовать по-разному. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору, как ключ к замку, и запускает желаемую биохимическую реакцию. Антиаритмическое средство S -анаприлин действует в сто раз сильнее, чем R -форма. У антигельминтного препарата левамизола активен в основном в S -изомер, тогда как его R- антипод вызывает тошноту, поэтому в свое время рацемический левамизол был заменен одним из энантиомеров. В 60-е годы одним из предшественников адреналина в организме - диоксифенилаланином (L-ДОФА) пытались лечить паркинсонизм. При этом выяснилось, что это вещество, а также родственные ему дофамин и метилдофа эффективны только в виде S -изомера. В то же время R -ДОФА вызывает серьезные побочные эффекты, в том числе заболевание крови. Фирма «Merck » разработала способ производства гипотензивного препарата метилдофа, включающий самопроизвольную кристаллизацию только нужного энантиомера путем введения в раствор небольшой затравки этого изомера.
И последний пример. Пеницилламин (3,3-диметилцистеин) - довольно простое производное аминокислоты цистеина. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно дает прочные комплексы с ионами этих металлов, и эти комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, при системной склеродермии, в ряде других случаев. При этом применяют только S -форму препарата, так как R -изомер токсичен и может привести к слепоте. Недаром на обложке июньского номера американского журнала «Journal of Chemical Education » за 1996 год был помещен вот такой необычный рисунок. Название статьи о лекарственных средствах-антиподах было не менее красноречивым: «Когда молекула смотрится в зеркало».
Илья Абрамович Леенсон,
кандидат химических наук
«Химия и жизнь» №5, 2009