Проекционные формулы оптических изомеров. Оптическая (зеркальная) изомерия. Установление оптической чистоты

В 1815 г. французский физик Ж. Био открыл новый вид изомерии - оптическую , или зеркальную. Он обнаружил, что некоторые органические вещества в жидком или растворенном состоянии вращают плоскость поляризованного света. Этот вид изомерии (как и цис-, транс- изомерия) является частным случаем пространственной изомерии - стереоизомерии (от греч. stereos - пространственный).

Известно, что свет представляет собой электромагнитные волны, колебания которых перпендикулярны направлению их распространения. В естественном свете такие колебания происходят в различных плоскостях. Если же луч света пропустить- через призму Николя (рис. 24), то электромагнитные колебания будут совершаться только в одной определенной плоскости. Такой луч света называется поляризованным (плоскополяризованным). Плоскость, перпендикулярная плоскости колебаний поляризованного света, является плоскостью поляризации.

Рис.24.

1 - в обыкновенном свете; 2 - в поляризованном свете; 3 - плоскость поляризации; 4 ~ призма Николя

Соединения, которые изменяют (вращают) плоскость поляризации, называют оптически активными , и они существуют в виде двух оптических изомеров. Один из них вращает плоскость поляризации вправо, а другой - на тот же угол, но влево (рис. 25). Для обозначения этих вращений используют знаки (+) и (-), которые ставят перед формулой оптического изомера. Изомеры, которые вращают плоскость поляризации в разные стороны, но на один и тот же угол, называют антиподами или энантиомерами (от греч. enantio - противоположный). Смесь, состоящая из равных количеств левого и правого изомеров (антиподов), известна как рацемическая смесь , или рацемат, и обозначается (±) или буквой г. Рацематы образуются при синтезе вещества в том случае, когда вероятность образования каждого из оптических антиподов одинакова. Поэтому рацемическое вещество оптически неактивно в результате взаимной компенсации активностей входящих в него оптических изомеров.

Рис.25.

1 - оптически активное вещество; 2 - первоначальная плоскость поляризации; 3 - плоскость поляризации, повернутая на угол а после прохождения света через оптически активное вещество

Почему некоторые органические соединения являются оптически активными? Ответ на этот вопрос был дан на основании тетраэдрической теории Я.Вант-Гоффа и А.Ле-Беля (1874). Независимо друг от друга эти ученые отметили, что все оптически активные вещества содержат в своих молекулах хотя бы один асимметрический атом углерода*, т.е. углерод, который связан с четырьмя различными атомами или группами атомов (рис. 26). Такая система лишена практически всех элементов симметрии. При взаимодействии с асимметрическим углеродным атомом, у которого все четыре заместителя отличают ся по своему геометрическому и электронному строению, электромагнитная волна света "деформируется", что и приводит к повороту плоскости поляризации.

Любое органическое соединение, содержащее асимметрический углеродный атом, можно представить в виде двух пространственных форм (моделей), которые при наложении в пространстве не могут быть совмещены друг с другом (рис. 27). Эти две формы (модели) отличаются друг от друга как предмет от своего зеркального изображения. Поэтому такая изомерия получила название "зеркальной". Молекулы (или их модели), которые нельзя совместить в пространстве (при наложении) и которые относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению, называют хиральными (от греч. хейрос - рука, рукоподобие). Примером могут служить руки - правая и левая, котоЬ

Рис. 26. Модели асимметрического атома углерода; а - тетраэдрическая; б - шаростержневая

Рис.27.

рые при наложении не совмещаются. Таким образом, оптическая изомерия - это явление, обусловленное хиральностью. Если молекула идентична своему зеркальному изображению, она ахиральна.

При изображении оптически активных веществ на бумаге обычно пользуются проекционными формулами , предложенными Э.Фишером. Для изображения тетраэдрической модели молекулы в виде проекционной формулы необходимо эту модель расположить так, чтобы две ее связи расположились в горизонтальной плоскости - к читателю, а две другие - в вертикальной плоскости - от читателя (за плоскость бумаги). Видимую в таком положении картину переносят на плоскость бумаги. Вот как выглядят два изомера молочной кислоты в виде проекционных формул:

При этом необходимо помнить, что верхняя и нижняя группы (для молочной кислоты -СООН и -СН 3) лежат за плоскостью бумаги, а боковые (Н и ОН-) - перед ее плоскостью.

В этих формулах асимметрические атомы углерода не записываются, а подразумеваются в точках пересечения вертикальной и горизонтальной линий.

Оптические изомеры (антиподы) различаются не только знаком вращения, но и расположением заместителей у асимметрического атома углерода, т е. конфигурацией. Было условно принято, что оптически активные соединения, у которых гидроксил в проекционной формуле находится справа от асимметрического углеродного атома, относится к D-ряду, а слева - к L-ряду. В качестве такого стандарта был выбран глицериновый альдегид (М.А.Розанов, 1906):

Знаки D и L не указывают направление вращения плоскости поляризации, а лишь информируют об относительном пространственном расположении групп у асимметрического атома углерода. Поэтому знаки вращения и конфигурации (D и L) могут и не совпадать. У глицеринового альдегида такое совпадение оказалось случайным, но в 1951 г. рентгеноскопически было показано, что выбор конфигурации был правильным. Однако выяснение вопроса, какая из двух возможных пространственных структур соответствует левовращающему, а какая - правовращающему антиподу, представляет довольно трудную задачу.

Одним из простейших оптически активных веществ является мо-

лочная (о-гидроксипропионовая) кислота Н 3 С-CHOH - СООН. Она содержит один асимметрический атом углерода и поэтому существует в трех формах: правовращающей (+) (I), левовращающей (-) (II) и оптически недеятельной (рацемат) (+) (III):

Из этих формул видно, что правовращающая молочная кислота относится к L-ряду, а левовращающая, соответствующая по конфигурации D-глицериновому альдегиду, является D (-)-молочной кислотой.

Стереоизомеры, кроме знака вращения плоскости поляризации, ничем не отличаются друг от друга: их химические и физические свойства одинаковы.

Правда, они способны кристаллизоваться в энан- тиоморфные формы, т.е. кристаллы их солей отличаются несимметрично расположенными гра- Рис.28. Энантиоморф- нями (энантиоморфные кристаллы, рис. 28). Такие ные формы кристал- кристаллы можно разделить механическим отбо- лов ром (Л.Пастер, 1848).

Структурный изомер молочной кислоты - ^-гидроксипропионовая кислота - оптических изомеров не имеет, так как в ее молекуле НОСНг - СНгСООН нет асимметрических атомов углерода.

Итак, если молекула имеет один асимметрический атом углерода, она всегда хиральна. Однако это вовсе не обязательно при большем числе таких атомов. Между числом асимметрических углеродных атомов (п ) в молекуле и числом оптических изомеров (Л) существует

Н00 С-СНОН-СНОН-СО ОН содержит два асимметрических атома углерода, поэтому следует ожидать, что ее стереоизомерия будет отличаться определенной сложностью. Согласно вышеприведенной формуле для этой кислоты ожидалось существование четырех оптических изомеров и двух рацематов. В действительности же винная кислота имеет два оптически активных изомера, один недеятельный изомер и один рацемат:

Давайте выясним, в чем причина такого несоответствия.

Если каждый асимметрический атом углерода обеспечивает правое или левое вращение, то для винной кислоты можно предположить следующие комбинации таких вращений:

Следовательно, в первом случае два асимметрических углеродных атома будут вращать в одну и ту же сторону - вправо, во втором случае - влево. А это означает, что структуры (I) и (II) (D-винная и L- винная кислоты) являются зеркальными изображениями, а значит, оптическими антиподами. Структуры (III) и (IV) при повороте на 180 0 вокруг оси, перпендикулярной плоскости листа, совпадают, т е. они идентичны и повторяют друг друга. Таким образом, это одна и та же кислота, называемая мезовипной. Верхняя и нижняя части ее молекулы содержат одинаково расположенные группы. Асимметрический атом углерода верхней части молекулы обеспечивает вращение вправо

(или влево), а такой же углеродный атом нижней части молекулы - влево (или вправо). Очевидно, в результате таких одинаковых по величине, но противоположных по направлению вращений отдельных частей молекулы произойдет внутримолекулярная компенсация. По-;" этому мезовинная кислота хотя и содержит два асимметрических атома углерода, но не обладает оптической активностью. Поэтому она. не может быть разделена на оптически активные изомеры.

• Рацематы чаще всего являются не простыми смесями антиподов, а ихмолекулярными соединениями.

Теперь уже необходимо рассмотреть явление оптической изомерии. Ниже кратко описано это явление, а также приведено несколько примеров оптически активных комплексов металлов. Оптическая изомерия была открыта давно. Классические эксперименты, проведенные в 1848 г. Луи Пастером, одним из самых знаменитых ученых, показали, что натрийаммонийтартрат существует в двух различных формах, отличающихся формой кристаллов. Пастер смог их разделить вручную.

Водные растворы двух изомеров обладают способностью вращать плоскость поляризации света (поляризованный луч - луч света, колебания в котором происходят в одной плоскости) либо вправо, либо влево. Это свойство изомеров называют оптической активностью, а сами соединения - оптическими изомерами; одно из них назвали правым (d - dextro) , а другое - левым (I - levo) изомерами. Степень вращения плоскости поляризации обоими изомерами одинакова, только d-изомер вращает ее слева направо, а l-изомер - справа налево. Следовательно, в растворе, содержащем оба изомера в равной концентрации, вращения плоскости поляризации, вызываемые этими изомерами, компенсируют друг друга. Такую смесь называют рецематом . Так как этот раствор не вращает плоскость поляризации света, он не активен.

Какое же свойство молекулы или иона делает их оптически активными? Теперь можно дать ответ - асимметрия (отсутствие симметрии). Симметрия оптических изомеров аналогична симметрии правой и левой рук, ног, перчаток или ботинок. Имеется и более тонкое различие в строении: относительные положения большого и остальных пальцев на каждой руке одно и то же, и все-таки обе руки различны - одна является зеркальным изображением другой. Аналогичное положение должно иметь место, если молекула или ион оптически активны. Чтобы молекула или ион были оптически активными, нужно, чтобы они не имели плоскости симметрии, т. е. чтобы нельзя было их разделить на две одинаковые половины. При попытке решить, будет ли данная структура оптически активной, можно использовать иной критерий: для этого необходимо сравнить структуру с ее зеркальным изображением. Если структура и ее зеркальное изображение будут различны, то она будет оптически активной. d- и l-Изомеры данного соединения называют энантиоморфными или энантиомерами , что означает "противоположные формы". Вообще же они имеют одинаковые химические и физические свойства. Различие их заключается только в направлении вращения плоскости поляризации света. Это свойство позволило их открыть и различить. Для этой цели используют очень простой прибор - поляриметр.

Интересно отметить, что иногда физиологическое действие энантиомеров очень различно. Так, l-никотин, содержащийся в природном табаке, значительно более токсичен, нежели d-никотин, синтезированный в лаборатории. Их специфическое действие приписывают асимметричному расположению реакционноспособных групп в биологических системах. Так как энантиомеры очень похожи и обе формы вступают в химические реакции всегда в равных количествах, то для их разделения требуется специальная техника. Процесс разделения называется рацемическим расщеплением. Некоторые методы рацемического расщепления описаны в разд. 10 гл. IV. Часто чистый оптический изомер способен превратиться в рацемат; этот процесс назван рацемизацией.

Самым простым примером асимметричной молекулы является тетраэдрическая структура, в которой центральный атом окружен четырьмя разными атомами или группами. Среди органических соединений известно много молекул такого типа. Аминокислоты XIV и XV являются примером строения оптических изомеров. Тетраэдрические комплексы металлов обычно очень реакционноспособны, поэтому их чрезвычайно трудно получить в изомерных формах. Первое сообщение о получении тетраэдрического комплекса металла с четырьмя различными лигандами было сделано в 1963 г., но его рацемическое расщепление пока не осуществлено. Однако комплексы, содержащие два несимметричных бидентатных лиганда, могут быть рацемически расщеплены на оптически активные формы. Оптически активные изомеры этого типа известны для комплексов Ве(II), В(III) и Zn(II). Энантиомеры β-бензоилацетоната бериллия(II) имеют строение XVI и XVII. Надо отметить, что для оптической активности не требуется четырех различных групп вокруг центрального атома; единственным требованием является различие молекулы и ее зеркального изображения.

Плоские квадратные комплексы очень редко оптически активны. В большинстве случаев (например, в комплексах типа ) плоскость молекулы является и плоскостью симметрии.

В противоположность системам с координационным числом четыре шестикоординационные комплексы дают много примеров оптической изомерии; очень часто они встречаются среди соединений или ионов типа [М(АА) 3 ], например оптические изомеры триоксалатного комплекса хрома(III), XVIII и XIX. Бидентатные лиганды обычно содержат атом углерода, но известны по крайней мере три оптически активных, чисто неорганических комплекса. Один из них был приготовлен Вернером для доказательства того, что оптическая активность этих систем обусловлена не атомом углерода. Чтобы это продемонстрировать, он использовал мостиковый комплекс XX, в котором бидентатным лигандом служит дигидроксокомплекс XXI. Возможность рацемического расщепления комплексов типа [М(АА) 3 ] на оптические изомеры явилась прекрасным доказательством их октаэдрической конфигурации. Ни тригональные призмы, ни плоские структуры не показали бы оптической активности (табл. 5).

Другой часто встречающийся тип оптически активных комплексов имеет общую формулу [М(АА) 2 Х 2 ]. В этих системах важно отметить, что транс -изомеры имеют плоскость симметрии и не могут быть оптически активными. Таким образом, если комплекс оптически активен, то ему определенно можно приписать роструктуру. Этот способ доказательства строения используют довольно часто; например, идентификация цис- и транс -изомеров новых комплексов дихлоро-бис -(этилендиамин)родий(III) была проведена этим методом. Один из изомеров + может существовать в неодинаковых формах, одна из которых будет являться зеркальным изображением другой; эти формы были получены (XXV, XXVI) и применены для доказательства цис-цис -структуры комплекса.

Известно много примеров этого типа и для комплексов платины(IV).

Полидентатные лиганды могут также вызывать оптическую изомерию в комплексах металлов. Один из многих таких комплексов - d- и l-Co(EDTA)] - (XXVII и XXVIII).

Ни в одном из приведенных выше примеров оптическая активность не вызвана наличием шести различных лигандов вокруг центрального атома. В комплексе, содержащем шесть различных лигандов, центральный атом координирует их асимметрично; каждый из его пятнадцати пространственных изомеров рацемически расщеплялся бы на оптические изомеры. Таким образом, одна форма имеет оптические изомеры XXIX и XXX.

Однако рацемическое расщепление комплекса этого типа пока не осуществлено.

В заключение следовало бы заметить, что обозначение оптических изомеров d и l имеет смысл, только если известна длина волны использованного света. На рис. 24 ясно показано, что оптический изомер может вращать плоскость поляризации света вправо при одной длине волны и влево при другой. Наличие зеркального изображения для изомера обусловливает и зеркальную кривую. Графически выраженная зависимость оптического вращения от длины волны света называется кривой вращательной дисперсии. Она имеет большее значение и более полезна, чем данные просто об оптическом вращении для одной длины волны. Точную конфигурацию (+) Na - [Со(en) 3 ] 3+ определили, изучая дифракцию им рентгеновских лучей. Затем, применяя ее 8 качестве стандарта, можно было определить точные структуры других комплексов сравнением их кривых вращательной дисперсии.

>
Рис. 24. Кривые вращательной дисперсии и структуры оптических изомеров [Со(en) 3 ] 3+

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, представляющими 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, соответственно невозможно установить, какова природная или абсолютная конфигурация оптически активного вещества.

Химики могли ограничиться только установлением конфигурации оптически активных веществ относительно какого-либо оптически активного вещества, принятого за стандарт. Соответственно пространственное строение оптически активных веществ характеризовалось относительной конфигурацией . 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 обусловливает обязательную оптическую активность, то в случае гидратации непредельных кислот получается смесь равных количеств двух оптических изомеров.

Совокупность равных количеств энантиомеров называется рацемической модификацией илирацематом .

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, протекающем по механизму S N 2, происходит обращение конфигурации – так называемое Вальденовское обращение.

Усложнение строения оптически активных веществ повлекло необходимость систематизации обозначений конфигурации, что привело к появлению R, S-системы. 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 слова «правый». Если старшинство убывает против часовой стрелки, то конфигурацию обозначают символом «S» – от латинского слова «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 содержится в соке ягод. Она называется еще виннокаменной, поскольку 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, что обусловлено 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 .

Оптические изомеры разделяют тремя основными способами. Два первые из них являются исторически сложившимися. Практическое значение в настоящее время имеет третий способ.

1. Если оптически активные вещества можно выделить в форме кристаллов, то обычно эти кристаллы выглядят так же, как предмет и его зеркальное отображение. Именно таким образом Пастер в 1848 году разделил впервые кристаллы натрий-аммонийной соли винной кислоты на две порции кристаллов, отличающихся как предмет и его зеркальное отражение.

2. Микроорганизмы построены из оптически активных веществ, поэтому потребляют обычно один из двух энантиомеров.

3. Кристаллизация диастереомеров.

Особенностью диастереомеров является их различная растворимость в различных растворителях. Поэтому из смеси двух оптических изомеров получают два диастереомера, которые можно разделить кристаллизацией. И далее регенерировать оптически активные вещества. Например, на рацемическую смесь оптически активной кислоты действуют оптически активным основанием. Образуются две диастереомерные соли, которые разделяют кристаллизацией. Далее действуют минеральной кислотой и выделяют исходные кислоты по отдельности. В качестве оснований используют природные вещества, обладающие хиральными центрами.

Аминокислоты

Ранее были описаны структурная изомерия, обусловленная различным порядком чередования атомов и связей в молекулах, и два вида пространственной изомерии: поворотной и геометрической (цис-транс ), связанные с различным расположением фрагментов молекул одинаковой структуры в пространстве. Существует ещё один вид стереоизомерии – оптическая изомерия.

Оптические изомеры одинаковы по всем своим физическим и химическим свойствам и различаются лишь в двух отношениях.

1 При кристаллизации они образуют кристаллы, не имеющие плоскости симметрии и относящиеся друг к другу как предмет к своему зеркальному отображению. Это свойство позволило Пастеру открыть явление оптической изомерии. При кристаллизации винной кислоты он визуально обнаружил кристаллы двух различных типов и разделив их, выделил чистые стереоизомерные формы винной кислоты.

2 Оптические изомеры по разному относятся к поляризованному свету.

В луче света колебания электрического и магнитного векторов происходят во взаимно-перпендикулярных направлениях, а также перпендикулярно направлению распространению луча. Причём направление колебаний, например, электрического вектора хаотически меняется во времени, изменяя соответственно направление колебания вектора магнитного. В поляризованном луче колебания электрического и магнитного векторов совершаются для каждого в одной строго фиксированной плоскости, плоскости поляризации . При прохождении поляризованного луча через некоторые прозрачные жидкие и кристаллические вещества плоскость поляризации поворачивается. Соединения, вращающие плоскость поляризации поляризованного луча, называются оптически деятельными или оптически активными . Для количественного сравнения оптической деятельности различных веществ, вычисляют величину удельного вращения . Поскольку величина угла, вращения плоскости поляризации света помимо природы вещества зависит еще от температуры, длины волны света, толщины слоя вещества, через который проходит поляризованный свет, а для растворов ещё от растворителя и концентрации вещества, удельное вращение при постоянной температуре и длине волны света равно

где α – угол поворота плоскости поляризации при толщине слоя l и плотности вещества d , t – температура, D – фиксированная длина волны желтой линии из спектра натрия.

Для раствора

,

где С – концентрация раствора в граммах вещества, на 100 мл раствора.

Молочная кислота, получаемая при ферментации сахарозы с помощью бактерий, вращает плоскость поляризации света влево (против часовой стрелки). Она называется левовращающей или левой молочной кислотой и обозначается: (–) – молочная кислота.

Молочная кислота, вращающая плоскость поляризации света вправо , называется правой молочной кислотой и обозначается: (+) – молочная кислота. Эта оптическая форма молочной кислоты выделяется из мышц животных и называется мясомолочной кислотой.

В кристаллической фазе оптическая активность вещества связана с асимметрией строения кристалла . В жидкой и газовой фазах она связана с асимметрией молекул . В 1874 г. Вант-Гофф и Лебель – основоположники стереохимической теории – почти одновременно отметили, что оптически активные вещества содержат в своих молекулах хотя бы один углерод, связанный с четырьмя различными группами . Такие атомы углерода называются асимметрическими. Наличие в структуре молекулы асимметрического атома углерода является признаком асимметрии молекул соединения, а следовательно, и оптической активности вещества.

При рассмотрении оптической изомерии асимметрические атомы углерода обычно отмечают звездочкой (*):

Как видно из структурных формул, соединения, содержащие асимметрический атом углерода, не имеют плоскости симметрии.

Оптические изомеры молочной кислоты, т.е. (–) и (+)-формы этой кислоты, имеют различное пространственное расположение отдельных групп в молекуле и являются зеркальными отображениями друг друга. Отражение в зеркале всякого предмета , не имеющего плоскости симметрии, не тождественно предмету , а представляет собой его антипод (энантиомер).

Например, отражение человеческой фигуры в зеркале не тождественно оригиналу. Левая сторона человека представляется в зеркале как правая и наоборот. Из рисунка видно, что правая модель при наложении в пространстве не совмещается с левой. Это свойство объекта быть несовместимым со своим отображением в плоском зеркале обычно называют хиральностью .

Оптические изомеры, являющиеся зеркальным отражением друг друга называются антиподами (энантиомерами ). Они вращают плоскость поляризации в разные стороны на одинаковые углы .

Молочная и мясомолочная кислоты являются антиподами (энантиомерами). Эти стереоизомеры вращают плоскость поляризации в разные стороны на одинаковые углы.

Смесь равных количеств антиподов является оптически недеятельной из-за компенсации вращения и называется рацематом .

Так, молочная кислота, полученная синтетически, не влияет на поляризованный свет. Она состоит из смеси равных количеств левой и правой форм, является оптически недеятельной и обозначается (±) – молочная кислота.

Для удобства изображения пространственного строения оптически деятельных соединений введены так называемые проекционные формулы, предложенные Фишером , получаемые проецированием тетраэдрических моделей молекул на плоскость чертежа

При пользовании ими следует помнить, что перемещение проекционных формул, наложение их друг на друга разрешается только в плоскости чертежа . Подразумевается также, что группы сверху и снизу находятся за плоскостью чертежа, боковые – перед ней. Проекционные формулы правой и левой молочных кислот при соблюдении этих правил естественно не совмещаются.

Очень важным моментом оптической изомерии является то, что величина и направление вращения плоскости поляризации света не находятся в прямой очевидной зависимости от конфигурации (пространственного строения) соединения.

Например, сложные и простые эфиры, правой молочной кислоты, имея такую же конфигурацию, как и сама кислота, обладают левым вращением.

Отсюда следует, что знак вращения одного из членов ряда сходных по химическому строению веществ не может ещё служить характеристикой конфигурации и знака вращения остальных его членов.

Возникает вопрос, известны ли конфигурации оптических изомеров для различных веществ и как они определяются. Химические методы не позволяют установить абсолютную (истинную) конфигурацию антиподов из-за тождественности химических свойств антиподов. В то же время этими методами можно определить относительную конфигурацию оптических изомеров. Оптически активные соединения химическим путём можно превращать друг в друга без нарушения конфигурации. Тогда, если известна конфигурация исходного «эталонного» соединения, получаемое из него соединение будет иметь ту же конфигурацию.

В 1891 г. Фишер, а в 1906 г. Розанов предложили использовать в качестве такого относительного стандарта правый (+)–глицериновый альдегид . Ему произвольно приписали конфигурацию «D ». Его антиподу, (–)-глицериновому альдегиду , соответственно дана конфигурация «L ».

При этом появилась возможность устанавливать относительную конфигурацию оптических стереоизомеров химическим путём. В этом случае производным D(+)-глицеринового альдегида приписывается D-относительная конфигурация.

Например, относительная конфигурация молочной кислоты была установлена превращением глицеринового альдегида в молочную кислоту.

Оказалось, что D(+)-глицериновому альдегиду по конфигурации соответствует левая D(–)-молочная кислота.

Лишь в 1951 году рентгеноскопическим анализом была установлена абсолютная конфигурация D-глицеринового альдегида. Оказалось, что выбор его конфигурации был правилен. Таким образом, абсолютные конфигурации многих веществ в настоящее время стали известны.

Кроме описанной DL -номенклатуры для обозначения конфигурации оптических стереоизомеров используется так называемая RS -номенклатура Кана, Ингольда, Прелога , не связанная с конфигурацией опорного соединения («стандарта»). Она описана в учебной литературе.

Молочная кислота , СН 3 –СНОН–СООН

Молочную кислоту получают из нитрила молочной кислоты или молочнокислым брожением сахаристых веществ.

Используют её в кожевенном производстве и при крашении тканей.

Яблочная кислота

Это двухосновная, трёхатомная кислота. В химическом отношении она обнаруживает свойства α- и β-гидроксикислот, так как гидроксил по отношению к одной кислотной группе находится в α-положении, а по отношению к другой – в β-положении. При восстановлении она даёт янтарную кислоту, при дегидратации – малеиновую или фумаровую:

HOOC – CH – CH – COOH → HOOC – CH = CH – COOH + H 2 O

В яблочной кислоте имеется один асимметрический атом углерода, она оптически активна.

Левая и правая яблочные кислоты плавятся при 100 °С. Рацемат – при 130–131 °С. В природе встречается левая форма яблочной кислоты: в рябине, яблоках, винограде.

Винные кислоты (дигидроксиянтарные)

Они имеют одинаковую структурную формулу

и различаются пространственным строением.

Как следует из формулы, винная кислота имеет два асимметрических атома углерода. Число оптических изомеров для соединений, имеющих в структуре молекулы несколько асимметрических атомов углерода, находится по формуле N =2 n , где n – число асимметрических атомов углерода.

Следовательно, для винной кислоты следует ожидать существования четырёх оптических стереоизомеров:

В соответствии с правилами обращения с проекционными формулами, при наложении последних двух форм друг на друга они оказываются идентичными (одну из форм следует повернуть в плоскости чертежа на 180°). Таким образом, вместо четырех стереоизомерных форм винная кислота реализуется в трех. Кроме того, третий стереоизомер (III) оказывается оптически недеятельным из-за своей симметрии (на рисунке показана плоскость симметрии): вращение плоскости поляризации света, вызываемое верхним тетраэдром, полностью компенсируется равным по величине, но противоположным по знаку вращением нижнего. Перед нами пример стереоизомерной формы с асимметрическими углеродными атомами оптически недеятельной вследствие ее симметрии. Такие стереоизомеры называют мезоформами.

Стереоизомеры вещества, не являющиеся зеркальным отображением друг друга, называются диастереоизомерами. В соответствии с этим определением, первая и вторая пространственные формы винной кислоты являются диастереомерами по отношению к мезовинной кислоте (и наоборот).

Поскольку антиподы имеют одинаковое (только зеркально обратное) строение, их свойства за исключением отношения к поляризованному свету тоже одинаковы. Диастереомеры не одинаковы по своему пространственному строению, поэтому их свойства несколько различаются.

Заключая анализ пространственной изомерии винной кислоты, можно сказать, что она представлена двумя антиподами (формы I и II), их рацематом, называемым виноградной кислотой, и диастереоизомерной мезоформой (III).

Правовращающая, (+)-винная кислота весьма распространена в природе, особенно её много в соке винограда. При брожении виноградного сока она выделяется в виде винного камня, состоящего из кислого виннокислого калия.

Эта соль применяется в качестве протравы при крашении и печатании тканей.

Другая, калий-натриевая соль (+)-винной кислоты – так называемая сегнетова соль,

используется в качестве пьезокристалла в радиотехнике. Она входит в состав фелинговой жидкости, которая употребляется для аналитического определения восстановителей (например, альдегидов).

Мезовинная кислота получается вместе с виноградной при кипячении в течении нескольких часов (+)-винной кислоты с избытком едкого натра.

Лимонная кислота

Она довольно часто встречается в природе: в свекле, крыжовнике, винограде, лимонах, малине, листьях табака. Оптически недеятельна.

Лимонная кислота используется в пищевой промышленности, при крашении, в фотографии, для консервирования крови и т.д.

Альдоновые кислоты

Альдоновые кислоты – это полигидроксикарбоновые кислоты общей формулы HOCH 2 n COOH, формально являющиеся продуктами окисления альдегидной группы углеводов (альдоз). Наиболее типичным лабораторным методом синтеза альдоновых кислот является окисление легкодоступных альдоз бромом в его водном растворе.

Альдоновые кислоты и их производные играют важную роль в синтетической химии моносахаридов.

Методы разделения рацематов на оптически активные компоненты

В настоящее время стремительно растет потребность в энантиомерно чистых веществах для получения современных высокоэффективных медицинских препаратов, а также нужд сельского хозяйства и защиты лесов: получения новых высокоактивных инсектицидов, гербицидов, фунгицидов и других веществ избирательного действия для борьбы с вредными организмами. Получение энантиомерно чистых веществ для этих целей возможно либо на путях разработки методик их полного химического синтеза (ряд достижений в этой области отмечен присуждением Нобелевских премий по химии), либо разделением рацемических смесей. Рассмотрим принципы некоторых методов разделения рацематов на оптически активные компоненты.

– Механический отбор. При кристаллизации рацематы иногда кристаллизуются отдельно в виде правой и левой форм. Причем их кристаллы по форме относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному отражению. В этом случае их можно отобрать механически по внешнему виду.

– Биохимическое разделение. Оно основано на том, что микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности способны потреблять предпочтительно лишь один из оптических изомеров. Обычно эта оптическая форма более распространена в природе. Поэтому при размножении и прорастании грибков в растворе рацемата через некоторое время остается только одна оптически активная форма.

– Способы, основанные на различии свойств диастереомеров

Так, соли антиподов оптически деятельной кислоты с одним и тем же оптически деятельным основанием должны давать диастереомеры различной растворимости. Это позволяет разделить их кристаллизацией.

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