Kiralnost desne i lijeve ruke. Kiralni molekuli. tRNA su odabrali ispravne enantiomere

Stereoizomeri, njihove vrste

Definicija 1

Stereoizomeri su supstance u čijim su molekulima atomi međusobno povezani na isti način, ali je njihova lokacija u prostoru različita.

Stereoizomeri se dijele na:

Enantiomeri (optički izomeri). Imaju ista fizička i hemijska svojstva (gustina, tačke ključanja i topljenja, rastvorljivost, spektralna svojstva) u ahiralnom okruženju, ali različitu optičku aktivnost.
Diasteromeri su spojevi koji mogu sadržavati dva ili više kiralnih centara.

Kiralnost se odnosi na sposobnost objekta da se razlikuje od svoje zrcalne slike. To jest, molekuli koji nemaju simetriju rotacije ogledala su kiralni.

Definicija 2

Prokiralni molekul je molekul koji se može učiniti kiralnim jednostavnom promjenom bilo kojeg od njegovih fragmenata.

U kiralnim i prokiralnim molekulima, neke grupe jezgara, koje su na prvi pogled hemijski ekvivalentne, magnetski su neekvivalentne, što potvrđuju spektri nuklearne magnetne rezonancije. Ovaj fenomen se naziva dijastereotopija jezgara i može se uočiti u spektrima nuklearne magnetne rezonancije u prisustvu prokiralnih i kiralnih fragmenata u jednoj molekuli.

Na primjer, u prohiralnoj molekuli dvije OPF2 grupe su ekvivalentne, ali u svakoj grupi od $PF_2$ atoma atomi fluora nisu ekvivalentni.

Ovo se manifestuje u konstanti spin-spin interakcije 2/$FF$.

Ako je molekul optički aktivan, onda je neekvivalencija jezgri X u tetraedarskim grupama $MX_2Y$ (na primjer, -$CH_2R$, -$SiH_2R$, itd.) ili je piramidalne grupe $MX_2$ (na primjer, -$ PF_2$, -$NH_2 $, itd.) ne zavisi od visine barijere za unutrašnju rotaciju ovih grupa. Kada se rotiraju planarne grupe –$MX_2$ i tetraedarske –$MX_3$, potencijalna barijera je vrlo niska, što rezultira time da jezgra $X$ postaju ekvivalentna.

Konstrukcija imena kiralnih molekula

Moderan sistem za konstruisanje imena za kiralne molekule predložili su Ingold, Kahn i Prelog. Prema ovom sistemu, za sve moguće grupe $A$, $B$, $C$, $D$ sa asimetričnim atomom ugljenika, određuje se red prvenstva. Što je veći atomski broj, to je stariji:

Ako su atomi isti, onda uporedite drugo okruženje:

Pretpostavimo da su grupe raspoređene u opadajućem redoslijedu starenja: $A → B → C → D$. Zarotirajmo molekul na takav način da je mlađi supstituent $D$ usmjeren izvan ravnine figure, dalje od nas. Tada se smanjenje radnog staža u preostalim grupama može dogoditi u smjeru kazaljke na satu ili u suprotnom smjeru.

Napomena 1

Ako se smanjenje prioriteta dogodi u smjeru kazaljke na satu, simbol $R$ (desno) se koristi za označavanje izomera; ako je u suprotnom smjeru, koristi se simbol $S$ (lijevo). Izrazi "lijevo" i "desno" ne odražavaju stvarni smjer rotacije linearno polarizirane svjetlosti.

Emil Fischer je predložio nomenklaturu $DL$, prema kojoj se desnorotirajući enantiomer označava slovom $D$, a lijevoruki enantiomer $L$. Ova nomenklatura se široko koristi za označavanje aminokiselina i ugljikohidrata.

Stereospecifičnost fiziološke aktivnosti optičkih izomera

Optički izomeri pokazuju različite fiziološke aktivnosti. Aktivna mjesta enzima i receptora sastoje se od aminokiselinskih ostataka, koji su optički aktivni elementi.

Receptor prepoznaje fiziološki aktivan molekul koristeći princip "ključ u bravi". Kada se molekul supstrata veže, aktivni centar mijenja svoju geometriju.

Na primjer, nikotinski alkaloid sadrži jedan centar optičkog izomerizma i može postojati kao dva enantiomera. $S$ - izomer se nalazi sa desne strane i otrovan je za ljude (smrtonosna doza 20 mg), $R$ - izomer je manje otrovan:

$L$ – glutaminska kiselina

široko se koristi kao pojačivač okusa mesa u pripremi konzervirane hrane. $D$ - glutaminska kiselina nema takva svojstva.

U vezi

postoje dva asimetrična atoma ugljenika, stoga je moguće postojanje 4 izomera ($2^n$). Ali samo jedan ($R,R$) izomer - hloromicetin - pokazuje antibiotska svojstva

Dobivanje čistih optičkih izomera važan je hemijski i tehnološki problem.

Načini dobivanja čistih enantiomera.

) — geometrijsko svojstvo krutog objekta (prostorne strukture) da bude nekompatibilno sa njegovom zrcalnom slikom u idealnom ravnom ogledalu.

Opis

Kiralni objekat nema elemente simetrije 2. vrste, kao što su ravni simetrije, centri simetrije i osi rotacije ogledala. Ako je prisutan barem jedan od ovih elemenata simetrije, objekt je ahiralan. Molekuli i kristali mogu biti kiralni (na primjer,).

Kiralni molekuli mogu postojati kao dva optička izomera (enantiomera), koji su jedni drugima zrcalne slike i razlikuju se po svojoj sposobnosti da rotiraju ravan polarizacije svjetlosti u smjeru kazaljke na satu (D-izomeri) ili suprotno (L-izomeri) (Sl.). Enantiomere karakterišu ista fizička svojstva, kao i ista hemijska svojstva u interakciji sa ahiralnim supstancama. Istovremeno, razdvajanje enantiomera, na primjer, kiralnom metodom, može se zasnivati na razlikama u interakciji enantiomera date supstance sa specifičnim optičkim izomerom druge supstance. U hemiji, kiralnost se najčešće povezuje s prisustvom asimetričnog centra ugljika koji nosi četiri različita supstituenta.

Ako postoji nekoliko asimetričnih centara u molekuli, oni govore o dijastereoizomeriji. U ovom slučaju može postojati nekoliko parova enantiomera (par enantiomera mora biti karakteriziran međusobno suprotnim konfiguracijama svih asimetričnih centara), a svojstva dijastereomera iz različitih enantiomernih parova mogu se uvelike razlikovati.

Gotovo sve biomolekule su kiralne, uključujući prirodne aminokiseline i šećere. U prirodi većina ovih supstanci ima određenu prostornu konfiguraciju: na primjer, većina aminokiselina pripada prostornoj konfiguraciji L, a šećeri - D. U tom smislu, enantiomerna čistoća je neophodan zahtjev za biološki aktivne lijekove.

Ilustracije

Autor

Eremin Vadim Vladimirovič

Izvori

Hemijska enciklopedija. T. 5. - M.: Velika ruska enciklopedija, 1998. P. 538.
Zbornik hemijske tehnologije. IUPAC preporuke. - Blackwell, 1997.

Koncept kiralnost– jedan od najvažnijih u savremenoj stereohemiji.Model je kiralni ako nema elemente simetrije (ravan, centar, ogledalo-rotacione ose), osim prostih ose rotacije. Molekulu koja je opisana takvim modelom nazivamo kiralnom (što znači „sličan ruci“, od grčkog . hiro- ruka) iz razloga što su, kao i ruke, molekuli nekompatibilni sa svojim zrcalnim slikama. Slika 1 prikazuje niz jednostavnih kiralnih molekula. Dve činjenice su apsolutno očigledne: prvo, parovi datih molekula predstavljaju zrcalne slike jedan drugog, i drugo, ovi zrcalni odrazi se ne mogu međusobno kombinovati. Treba napomenuti da u svakom slučaju molekul sadrži atom ugljika sa četiri različita supstituenta. Takvi atomi se nazivaju asimetrični. Asimetrični atom ugljika je kiralni ili stereogeni centar. Ovo je najčešći tip kiralnosti. Ako je molekul kiralan, onda može postojati u dva izomerna oblika, povezani kao objekt i njegova zrcalna slika i nekompatibilni u prostoru. Takvi izomeri (para) se nazivaju enantiomeri.

Izraz “hiralni” ne dozvoljava slobodno tumačenje. Kada je molekul kiralan, onda, po analogiji sa rukom, mora biti ili ljevoruk ili dešnjak. Kada neku supstancu ili neki njen uzorak nazivamo kiralnom, to jednostavno znači da se ona (ona) sastoji od kiralnih molekula; Štaviše, uopće nije neophodno da su svi molekuli identični u smislu kiralnosti (lijevo ili desno, R ili S, vidi odeljak 1.3). Mogu se razlikovati dva ograničavajuća slučaja. U prvom, uzorak se sastoji od molekula identičnih u smislu kiralnosti (homohiralni, samo R ili samo S); takav obrazac se zove enantiomerno čist. U drugom (suprotnom) slučaju, uzorak se sastoji od istog broja molekula različitih po kiralnosti (heterohiralni, molarni omjer R: S=1:1); takav uzorak je također kiralan, ali racemičan. Postoji i srednji slučaj - neekvimolarna mješavina enantiomera. Ova mješavina se zove scalemic ili neracemski. Dakle, tvrdnju da je makroskopski uzorak (za razliku od pojedinačnog molekula) kiralan treba smatrati ne sasvim jasnom i stoga u nekim slučajevima nedovoljnom. Može biti potrebna dodatna naznaka da li je uzorak racemičan ili neracemičan. Nepreciznost u razumijevanju ovoga dovodi do određene vrste zablude, na primjer, u naslovima članaka, kada se proklamuje sinteza nekog kiralnog spoja, ali ostaje nejasno da li autor jednostavno želi skrenuti pažnju na samu činjenicu kiralnost strukture o kojoj se raspravlja u članku, ili da li je proizvod stvarno dobiven u obliku jednog enantiomera (tj. ansambla homohiralnih molekula; ovaj ansambl, međutim, ne treba nazivati homohiralnim uzorkom). Dakle, u slučaju kiralnog neracemskog uzorka, ispravnije je reći "enantiomerno obogaćen" ili " enantiomerno čist".

Metode prikazivanja optičkih izomera

Metodu slike autor bira isključivo iz razloga pogodnosti prenošenja informacija. Na slici 1, slike enantiomera date su pomoću perspektivnih slika. U ovom slučaju, uobičajeno je crtati veze koje leže u ravni slike punom linijom; veze koje izlaze izvan ravni su tačkaste; a veze usmjerene prema posmatraču označene su debelom linijom. Ovaj način prikazivanja je prilično informativan za strukture s jednim kiralnim centrom. Ti isti molekuli mogu se prikazati kao Fischerova projekcija. Ovu metodu je predložio E. Fisher za složenije strukture (posebno ugljikohidrate) koje imaju dva ili više kiralnih centara.

Mirror plane

Rice. 1

Da bi se konstruisale formule Fischerove projekcije, tetraedar se rotira tako da su dvije veze koje leže u horizontalnoj ravni usmjerene prema promatraču, a dvije veze koje leže u vertikalnoj ravni usmjerene su od promatrača. Samo asimetrični atom pada na ravan slike. U ovom slučaju, sam asimetrični atom se obično izostavlja, zadržavajući samo linije koje se seku i simbole supstituenta. Da bi se zapamtio prostorni raspored supstituenata, u projekcijskim formulama se često čuva isprekidana vertikalna linija (gornji i donji supstituenti se uklanjaju izvan ravnine crteža), ali to se često ne radi. Ispod su primjeri različitih načina da se ista struktura prikaže sa specifičnom konfiguracijom (slika 2)

Fischer projekcija

Rice. 2

Navedimo nekoliko primjera formula Fischer projekcije (slika 3)

(+)-(L)-alanin(-)-2-butanol (+)-( D)-gliceraldehid

Rice. 3

Pošto se tetraedar može posmatrati sa različitih strana, svaki stereoizomer se može prikazati sa dvanaest (!) različitih projekcijskih formula. Za standardizaciju projekcijskih formula uvedena su određena pravila za njihovo pisanje. Dakle, glavna (nomenklaturna) funkcija, ako je na kraju lanca, obično se postavlja na vrh, glavni lanac je prikazan okomito.

Da biste uporedili „nestandardne“ pisane formule za projekcije, morate znati sljedeća pravila za transformaciju projekcijskih formula.

1. Formula se ne može ukloniti iz ravni crteža i ne može se rotirati za 90 o, iako se može rotirati u ravni crteža za 180 o bez promjene njihovog stereohemijskog značenja (Sl. 4)

Rice. 4

2. Dva (ili bilo koji paran broj) preuređivanja supstituenata na jednom asimetričnom atomu ne mijenjaju stereohemijsko značenje formule (slika 5)

Rice. 5

3. Jedno (ili bilo koji neparan broj) preuređenje supstituenata u asimetričnom centru dovodi do formule za optički antipod (slika 6)

Rice. 6

4. Rotacija u ravni crtanja za 90 0 pretvara formulu u antipodealnu, osim ako se istovremeno ne promeni uslov za lokaciju supstituenata u odnosu na ravan crtanja, tj. pretpostavimo da su sada bočni supstituenti iza ravnine crtanja, a gornji i donji ispred nje. Ako koristite formulu sa isprekidanom linijom, tada će vas promijenjena orijentacija isprekidane linije direktno podsjetiti na to (slika 7)

Rice. 7

5. Umjesto permutacija, projekcijske formule mogu se transformisati rotiranjem bilo koja tri supstituenta u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu (slika 8); četvrti supstituent ne mijenja svoju poziciju (ova operacija je ekvivalentna dvije permutacije):

Rice. 8

Fischerove projekcije ne mogu se primijeniti na molekule čija kiralnost nije vezana za kiralni centar, već za druge elemente (os, ravan). U ovim slučajevima su potrebne 3D slike.

D , L - Fisher nomenklatura

Razgovarali smo o jednom problemu - kako prikazati trodimenzionalnu strukturu na ravni. Odabir metode diktira isključivo pogodnost prezentiranja i percepcije stereo informacija. Sljedeći problem se odnosi na sastavljanje imena za svaki pojedinačni stereoizomer. Naziv treba da odražava informacije o konfiguraciji stereogenog centra. Istorijski gledano, prva nomenklatura za optičke izomere bila je D, L- nomenklatura koju je predložio Fisher. Do 1960-ih bilo je uobičajenije označavati konfiguraciju kiralnih centara na osnovu planarnih projekcija (Fisher), a ne na osnovu trodimenzionalnih 3D formula, koristeći deskriptore DIL. Trenutno D, L– sistem se koristi ograničeno – uglavnom za prirodna jedinjenja kao što su aminokiseline, hidroksi kiseline i ugljeni hidrati. Primjeri koji ilustruju njegovu primjenu prikazani su na slici 10.

Rice. 10

Za α – aminokiseline, konfiguracija je označena simbolom L, ako se u formuli Fischerove projekcije amino – (ili amonijum) grupa nalazi na lijevoj strani; simbol D koristi se za suprotni enantiomer. Za šećere, oznaka konfiguracije je zasnovana na orijentaciji OH grupe najvećeg broja (najudaljenije od karbonilnog kraja). Ako je OH grupa usmjerena udesno, onda je ovo konfiguracija D; ako je ON lijevo – konfiguracija L.

Svojevremeno je Fišerov sistem omogućio stvaranje logične i konzistentne stereohemijske taksonomije velikog broja prirodnih jedinjenja koja potiču od aminokiselina i šećera. Međutim, ograničenja Fischerovog sistema, kao i činjenica da se 1951. godine pojavila metoda difrakcije rendgenskih zraka kako bi se utvrdio pravi raspored grupa oko kiralnog centra, doveli su do stvaranja novog, rigoroznijeg i konzistentnijeg 1966. sistem za opisivanje stereoizomera, poznat kao R, S - Kahn-Ingold-Prelog nomenklatura (KIP). U instrumentacijskom sistemu uobičajenom hemijskom nazivu se dodaju posebni deskriptori R ili S(kurzivom u tekstu), striktno i nedvosmisleno definirajući apsolutnu konfiguraciju.

NomenklaturaCana-Ingolda-Preloga

Za definiranje ručke R ili S za dati kiralni centar, tzv pravilo kiralnosti. Razmotrimo četiri supstituenta povezana s kiralnim centrom. Trebalo bi da budu raspoređeni u uniformnom nizu stereohemijskog prioriteta; radi praktičnosti, označimo ove supstituente simbolima A, B, D i E i dogovorimo se da pretpostavimo da je u općem redoslijedu prvenstva (drugim riječima, po prioritetu) A stariji od B, B stariji od D, D je starije od E(A>B>D>E) . CIP pravilo kiralnosti zahtijeva da se model razmatra sa strane suprotne onoj koju zauzima supstituent E sa najnižim prioritetom ili stereokemijski mlađi supstituent (slika 11). Tada preostala tri supstituenta formiraju nešto poput stativa, čije su noge usmjerene prema gledaocu.

Rice. jedanaest

Ako senioritet supstituenata u redu A>B>D pada u smjeru kazaljke na satu (kao na slici 11), tada se centru dodjeljuje deskriptor konfiguracije R ( od latinska reč rectus - desno). U drugom aranžmanu, kada se stereokemijski prioritet supstituenata smanji u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, centru se dodjeljuje deskriptor konfiguracije S (iz latinskog zlokobno - lijevo).

Prilikom prikazivanja veza pomoću Fisherovih projekcija, konfiguracija se može lako odrediti bez izgradnje prostornih modela. Formula mora biti napisana tako da mlađi supstituent bude na dnu ili na vrhu, jer su prema pravilima za predstavljanje Fischerovih projekcija vertikalne veze usmjerene od posmatrača (slika 12). Ako su preostali supstituenti raspoređeni u smjeru kazaljke na satu u opadajućem redoslijedu prioriteta, spoj je klasifikovan kao ( R)-red, a ako je u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, onda na ( S)-red, na primjer:

Rice. 12

Ako mlađa grupa nije na vertikalnim vezama, onda je treba zamijeniti nižom grupom, ali imajte na umu da ovo obrće konfiguraciju. Možete napraviti bilo koje dvije permutacije bez promjene konfiguracije.

Dakle, odlučujući faktor je stereohemijski prioritet . Hajde da razgovaramo sada pravila prvenstva, tj. pravila po kojima se grupe A, B, D i E rangiraju po prioritetu.

Prednost u pogledu starenja se daje atomima sa većim atomski broj. Ako su brojevi isti (u slučaju izotopa), onda atom s najvećom atomskom masom postaje stariji (na primjer, D>H). Najmlađi "supstituent" je usamljeni elektronski par (na primjer, u dušiku). Dakle, prednost se povećava u nizu: usamljeni par

Razmotrimo jednostavan primjer: u bromoklorofluorometanu CHBrCIF (slika 13) postoji jedan stereogeni centar, a dva enantiomera se mogu razlikovati na sljedeći način. Prvo, supstituenti su rangirani prema njihovom stereohemijskom senioritetu: što je veći atomski broj, to je supstituent stariji. Stoga, u ovom primjeru, Br > C1 > F > H, gdje “>” znači “poželjniji” (ili “stariji”). Sljedeći korak je promatranje molekule sa strane nasuprot najmlađem supstituentu, u ovom slučaju vodiku. Može se vidjeti da se tri preostala supstituenta nalaze u uglovima trougla i usmjerena su prema posmatraču. Ako se senioritet ovog tria supstituenata smanji u smjeru kazaljke na satu, tada se ovaj enantiomer označava kao R. U drugom rasporedu, kada se senioritet supstituenata smanji u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, enantiomer se označava kao S. Oznake R I S pisati kurzivom i stavlja se u zagrade ispred naziva strukture. Dakle, dva razmatrana enantiomera imaju imena ( S)-bromoklorofluorometan i ( R)-bromoklorofluorometan.

Rice. 13

2. Ako su dva, tri ili sva četiri identična atoma direktno povezana sa asimetričnim atomom, senioritet se utvrđuje atomima drugog pojasa, koji više nisu povezani sa kiralnim centrom, već sa onim atomima koji su imali isti senioritet.

Rice. 14

Na primjer, u molekulu 2-bromo-3-metil-1-butanola (slika 14), prvim pojasom se lako određuju najviši i najmlađi supstituenti - to su brom i vodonik. Ali nije moguće utvrditi senioritet na osnovu prvog atoma CH 2 OH i CH(CH 3) 2 grupa, budući da je u oba slučaja riječ o atomu ugljika. Da bi se odredilo koja je grupa starija, ponovo se primjenjuje pravilo sekvence, ali sada se razmatraju atomi sljedećeg pojasa. Uporedite dva skupa atoma (dvije trojke), napisana po opadajućem prioritetu. Senioritet je sada određen prvom tačkom u kojoj je pronađena razlika. Grupa WITH H 2 OH - kiseonik, vodonik, vodonik WITH(O NN) ili brojevima 6( 8 jedanaest). Grupa WITH H(CH 3) 2 – ugljenik, ugljenik, vodonik WITH(WITH CH) ili 6( 6 61). Naglašava se prva točka razlike: kisik je stariji od ugljika (po atomskom broju), pa je CH2OH grupa starija od CH(CH3)2. Konfiguracija enantiomera prikazana na slici 14 sada se može označiti kao ( R).

Ako takav postupak ne dovede do izgradnje nedvosmislene hijerarhije, nastavlja se na sve većim rastojanjima od centralnog atoma sve dok se, konačno, ne naiđu razlike i sva četiri supstituenta ne dobiju svoj senioritet. U ovom slučaju, svaka prednost koju stekne jedan ili drugi zamjenik u jednoj od faza koordinacije staža smatra se konačnim i ne podliježe revalorizaciji u narednim fazama.

3. Ako u molekulu postoje tačke grananja, postupak utvrđivanja ranga atoma treba nastaviti duž molekularnog lanca najvišeg ranga. Pretpostavimo da treba da odredimo redosled prioriteta dva supstituenta prikazana na slici 15. Očigledno je da rješenje neće biti postignuto ni u prvom (C), ni u drugom (C, C, H) ni u trećem (C, H, F, C, H, Br) slojevima. U tom slučaju, morat ćete prijeći na četvrti sloj, ali to treba učiniti duž putanje, čija je prednost uspostavljena u trećem sloju (Br > F). Dakle, odluka o prioritetu zam IN preko zamenika A je urađeno na osnovu toga da je u četvrtom sloju Br >CI za tu granu, prelazak na koju diktira starešinstvo u trećem sloju, a ne na osnovu toga što I atom ima najveći atomski broj u četvrtom sloju ( koja je na manje preferiranoj i stoga nije grana koja se proučava).

Rice. 15

4. Višestruke veze su predstavljene kao zbir odgovarajućih jednostavnih veza. U skladu s ovim pravilom, svakom atomu povezanom višestrukom vezom dodjeljuje se dodatni "fantomski" atom (ili atomi) iste vrste koji se nalazi na drugom kraju višestruke veze. Komplementarni (dodatni ili fantomski) atomi su zatvoreni u zagradama i smatra se da ne nose supstituente u sledećem sloju. Kao primer, razmotrite prikaze sledećih grupa (slika 16).

Grupna prezentacija

Rice. 16

5. Veštačko povećanje broja supstituenata je takođe potrebno kada je supstituent (ligand) bidentatan (ili tri- ili tetradentatni), kao i kada supstituent sadrži ciklični ili biciklični fragment. U takvim slučajevima, svaka grana cikličke strukture seče nakon tačke grananja [gde se račva u sebe], a atom tačke grananja se stavlja (u zagradi) na kraju lanca koji je rezultat rezanja. Na slici 17, koristeći primjer derivata tetrahidrofurana (THF), razmatran je slučaj bidentatnog (cikličkog) supstituenta. Dva kraka petočlanog prstena (pojedinačno) se presecaju na vezama sa kiralnim atomom, koji se zatim dodaje na kraj svakog od dva novonastala lanca. To se vidi kao rezultat disekcije A dobije se hipotetički supstituent -CH 2 OCH 2 CH 2 -(C), koji se ispostavi da je stariji od stvarnog acikličkog supstituenta -CH 2 OCH 2 CH 3 zbog prednosti fantoma (C) na kraju prvi supstituent. Naprotiv, nastala kao rezultat seciranja IN hipotetički ligand –CH 2 CH 2 OCH 2 – (C) ispada niži u odnosu na pravi supstituent –CH 2 CH 2 OCH 2 CH 3, budući da potonji ima tri atoma vodika vezana za terminalni ugljik, dok bivši nema nijedan u ovom sloju. Prema tome, uzimajući u obzir utvrđeni red prioriteta supstituenata, ispostavlja se da je konfiguracijski simbol za dati enantiomer S.

Odredite staž

Zamjenik A

IN>A

Zamjenik A

Fig.17

Rice. 18

Sličan slučaj rezanja cikličnog supstituenta ilustriran je primjerom spoja na Sl. 18 gde je struktura IN ilustruje tumačenje cikloheksilnog prstena (u strukturi A). U ovom slučaju, ispravan redoslijed je di- n-hesilmetil > cikloheksil > di- n-pentilmetil > N.

Sada smo dovoljno spremni da razmotrimo takav supstituent kao što je fenil (slika 19 struktura A). Gore smo raspravljali o šemi za otvaranje svake višestruke veze. Budući da je (u bilo kojoj Kekule strukturi) svaki od šest atoma ugljika dvostruko vezan za drugi atom ugljika, tada (u KIP sistemu) svaki atom ugljika u prstenu nosi dodatni ugljik kao "supstituent". Prsten dopunjen na ovaj način (Sl. 19, struktura IN) se zatim proširuje prema pravilima za ciklične sisteme. Kao rezultat toga, disekcija je opisana dijagramom prikazanim na slici 19, struktura WITH.

Rice. 19

6. Sada ćemo razmotriti kiralna jedinjenja u kojima razlike između supstituenata nisu materijalne ili konstitucijske prirode, već su svedene na razlike u konfiguraciji. Spojevi koji sadrže više od jednog kiralnog centra bit će razmotreni u nastavku (vidi odjeljak 1.4). Ovdje ćemo se dotaknuti supstituenata koji se razlikuju cis–trans– izomerizam (olefinski tip). Prema Prelogu i Helmchenu, olefinski ligand u kojem se nalazi stariji supstituent na istoj strani od dvostruke veze olefina, koja je kiralni centar, ima prednost u odnosu na ligand u kojem je stariji supstituent trans– pozicija prema kiralnom centru. Ova pozicija nema nikakve veze sa klasičnom cis-trans-, niti za E–Z–nomenklatura za konfiguraciju dvostruke veze. Primjeri su prikazani na slici 20.

Rice. 20

Jedinjenja sa više kiralnih centara

Ako molekul ima dva kiralna centra, tada svaki centar može imati (R)- ili ( S)-konfiguracije, moguće je postojanje četiri izomera - R.R., SS, R.S. I S.R.:

Rice. 21

Pošto molekul ima samo jednu sliku u ogledalu, enantiomer jedinjenja je (R.R.) može biti samo izomer (SS). Slično, drugi par enantiomera formira izomere (R.S.) I (S.R.). Ako se promijeni konfiguracija samo jednog asimetričnog centra, onda se takvi izomeri nazivaju dijastereomeri. Diastereomeri su stereoizomeri koji nisu enantiomeri. Dakle, dijastereomerni parovi (R.R.)/(R.S.), (R.R.)/(S.R.), (SS)/(R.S.) I (SS)/(S.R.). Iako općenito kombinacija dva kiralna centra proizvodi četiri izomera, kombinacija centara iste kemijske strukture proizvodi samo tri izomera: (R.R.) I (SS), su enantiomeri, i (R.S.), dijastereomerni prema oba enantiomera (R.R.) I (SS). Tipičan primjer je vinska kiselina (slika 22), koja ima samo tri izomera: par enantiomera i meso form.

Rice. 22

meso-Wine kiselina je (R, S) izomer, koji je optički neaktivan, jer kombinacija dva zrcalno simetrična fragmenta dovodi do pojave ravni simetrije (a). meso-Wine kiselina je primjer ahiralnog spoja mezo konfiguracije, koji je izgrađen od jednakog broja kiralnih elemenata koji su identične strukture, ali različiti u apsolutnoj konfiguraciji.

Ako molekul ima P kiralnih centara, maksimalni broj stereoizomera može se izračunati pomoću formule 2 n; međutim, ponekad će broj izomera biti manji zbog prisustva mezo oblika.

Za nazive stereoizomera molekula koji sadrže dva asimetrična atoma ugljika, od kojih su dva supstituenta na svakom ista, a treći različiti, često se koriste prefiksi eritro- I trio- od naziva šećera eritroza i treoza. Ovi prefiksi karakterišu sistem kao celinu, a ne svaki hiralni centar posebno. Kada se takve veze prikazuju pomoću Fischerovih projekcija u parovima eritro- izomera, iste grupe se nalaze na jednoj strani, a kada bi različite grupe (C1 i Br u primjeru ispod) bile iste, dobio bi se mezo oblik. Upareno sa tro- izomera, iste grupe se nalaze na različitim stranama, a da su različite grupe iste, novi par bi ostao enantiomerni par.

Rice. 23

Svi primjeri spojeva o kojima se raspravljalo imaju centar kiralnosti. Takav centar je asimetrični atom ugljika. Međutim, drugi atomi (silicij, fosfor, sumpor) također mogu biti centar kiralnosti, kao na primjer u metilnaftilfenilsilanu, o-anizilmetilfenilfosfinu, metil p-tolil sulfoksidu (slika 24)

Rice. 24

Kiralnost molekula bez kiralnih centara

Neophodan i dovoljan uslov za kiralnost molekula je njegova nekompatibilnost sa slikom u ogledalu. Prisustvo jednog (konfiguracijsko stabilnog) kiralnog centra u molekuli je dovoljan, ali nimalo neophodan uslov za postojanje kiralnosti. Razmotrimo kiralne molekule kojima nedostaju kiralni centri. Neki primjeri prikazani su na slikama 25 i 26.

Rice. 25

Rice. 26

To su spojevi sa kiralnim osama ( aksijalni tip kiralnosti): aleni; alkilidencikloalkani; spirane; takozvani atropoizomeri (bifenili i slična jedinjenja, čija kiralnost nastaje zbog otežane rotacije oko jedne veze). Drugi element kiralnosti je ravan kiralnosti ( planarnu kiralnost). Primeri takvih jedinjenja su ansa jedinjenja (u kojima je aliciklični prsten suviše mali da bi se aromatični prsten mogao rotirati); paraciklofani; metaloceni. Konačno, kiralnost molekula može se povezati sa spiralnom organizacijom molekularne strukture. Molekul se može umotati u levoruku ili desnoruku spiralu. U ovom slučaju govorimo o heličnosti (spiralni tip kiralnosti).

Da bi se odredila konfiguracija molekule koja ima os kiralnosti, potrebno je uvesti dodatnu tačku u pravilo redosleda: grupe najbliže posmatraču smatraju se starijim od grupa udaljenih od posmatrača. Ovaj dodatak se mora izvršiti, budući da je za molekule sa aksijalnom kiralnošću prisustvo identičnih supstituenata na suprotnim krajevima ose prihvatljivo. Primjena ovog pravila na molekule prikazane na sl. 25, prikazano na sl. 27.

Rice. 27

U svim slučajevima, molekuli se posmatraju duž kiralne ose na lijevoj strani. Treba shvatiti da ako se molekuli posmatraju na desnoj strani, onda će deskriptor konfiguracije ostati isti. Dakle, prostorni raspored četiri potporne grupe odgovara vrhovima virtualnog tetraedra i može se predstaviti pomoću odgovarajućih projekcija (slika 27). Da bismo odredili odgovarajući deskriptor koristimo standardna pravila R, S- nomenklatura. U slučaju bifenila, važno je napomenuti da se supstituenti u prstenu razmatraju od centra (kroz koji prolazi kiralna os) do periferije, kršeći standardna pravila sekvence. Dakle, za bifenil na Sl. 25 tačna sekvenca supstituenata u desnom prstenu C-OSH 3 >C-H; atom hlora je previše udaljen da bi se mogao uzeti u obzir. Potporni atomi (oni po kojima je određen simbol konfiguracije) pokazuju se da su isti ako se molekul gleda s desne strane. Ponekad se deskriptori koriste za razlikovanje aksijalne kiralnosti od drugih tipova aR I aS (ili R a I S a), međutim upotreba prefiksa " a» nije obavezno.

Alternativno, molekule s kiralnim osama mogu se smatrati spiralnim, a njihova konfiguracija se može označiti simbolima R I M. U ovom slučaju, da bi se odredila konfiguracija, uzimaju se u obzir samo supstituenti sa najvišim prioritetom u prednjem i zadnjem (udaljenom od posmatrača) delovima strukture (supstituenti 1 i 3 na slici 27). Ako je prijelaz s najvišeg prioritetnog prednjeg zamjenika 1 na prioritetnog stražnjeg zamjenika 3 u smjeru kazaljke na satu, onda je ovo konfiguracija R; ako je obrnuto, ovo je konfiguracija M.

Na sl. 26 prikazuje molekule sa ravni kiralnosti. Definicija kiralne ravni nije tako laka i nedvosmislena kao definicija centra i ose kiralnosti. Ovo je ravan koja sadrži što više atoma molekule, ali ne sve. U stvari, kiralnost se javlja zato što (i samo zato) barem jedan supstituent (obično više) ne leži u ravni kiralnosti. Dakle, kiralna ravan ansa spoja A je ravan benzenskog prstena. U paraciklofanu IN najsupstituiraniji (niži) prsten se smatra kiralnom ravninom. Da bi se odredio deskriptor za planarne kiralne molekule, ravan se gleda sa strane atoma najbliže ravni, ali ne i u ravnini (ako postoje dva ili više kandidata, tada se odabire onaj najbliži atomu s najvećim prioritetom prema pravilima redosleda). Ovaj atom, koji se ponekad naziva i probni ili pilot atom, označen je strelicom na slici 26. Zatim, ako tri uzastopna atoma (a, b, c) sa najvećim prioritetom formiraju isprekidanu liniju u kiralnoj ravni, savijajući se u smjeru kazaljke na satu, tada konfiguracija spoja pR (ili R str), a ako se polilinija savija u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, tada je konfiguracijski deskriptor pS(ili S str). Planarna kiralnost, kao i aksijalna kiralnost, može se alternativno smatrati vrstom kiralnosti. Da bi se odredio smjer (konfiguracija) spirale, potrebno je uzeti u obzir pilot atom zajedno sa atomima a, b i c, kako je gore definirano. Iz ovoga je jasno da pR- veze odgovaraju R-, A pS- veze - M– heličnost.

Metode prikazivanja optičkih izomera

Mirror plane

Rice. 1

Fischer projekcija

Rice. 2

Navedimo nekoliko primjera formula Fischer projekcije (slika 3)

(+)-(L)-alanin(-)-2-butanol (+)-( D)-gliceraldehid

Rice. 3

Da biste uporedili „nestandardne“ pisane formule za projekcije, morate znati sljedeća pravila za transformaciju projekcijskih formula.

1. Formula se ne može ukloniti iz ravni crteža i ne može se rotirati za 90 o, iako se može rotirati u ravni crteža za 180 o bez promjene njihovog stereohemijskog značenja (Sl. 4)

Rice. 4

2. Dva (ili bilo koji paran broj) preuređivanja supstituenata na jednom asimetričnom atomu ne mijenjaju stereohemijsko značenje formule (slika 5)

Rice. 5

3. Jedno (ili bilo koji neparan broj) preuređenje supstituenata u asimetričnom centru dovodi do formule za optički antipod (slika 6)

Rice. 6

Rice. 7

Rice. 8

Fischerove projekcije ne mogu se primijeniti na molekule čija kiralnost nije vezana za kiralni centar, već za druge elemente (os, ravan). U ovim slučajevima su potrebne 3D slike.

D , L - Fisher nomenklatura

Rice. 10

NomenklaturaCana-Ingolda-Preloga

Rice. jedanaest

Rice. 12

Dakle, odlučujući faktor je stereohemijski prioritet . Hajde da razgovaramo sada pravila prvenstva, tj. pravila po kojima se grupe A, B, D i E rangiraju po prioritetu.

Rice. 13

Rice. 14

Rice. 15

Grupna prezentacija

Rice. 16

Odredite staž

Zamjenik A

IN>A

Zamjenik A

Fig.17

Rice. 18

Rice. 19

Rice. 20

Jedinjenja sa više kiralnih centara

Ako molekul ima dva kiralna centra, tada svaki centar može imati (R)- ili ( S)-konfiguracije, moguće je postojanje četiri izomera - R.R., SS, R.S. I S.R.:

Rice. 21

Rice. 22

Ako molekul ima P kiralnih centara, maksimalni broj stereoizomera može se izračunati pomoću formule 2 n; međutim, ponekad će broj izomera biti manji zbog prisustva mezo oblika.

Rice. 23

Rice. 24

Kiralnost molekula bez kiralnih centara

Rice. 25

Rice. 26

Rice. 27

kiralnost (hemija)

Kiralnost(molekularna kiralnost) - u hemiji, svojstvo molekula da bude nekompatibilno sa svojom slikom u ogledalu bilo kojom kombinacijom rotacija i pomaka u trodimenzionalnom prostoru.

Enzimi (a oni su kiralni) se često razlikuju između dva enantiomera kiralnog supstrata. Zamislite da enzim ima šupljinu u obliku rukavice koja vezuje supstrat. Ako je rukavica desnoruka, tada će se jedan enantiomer uklopiti i vezati, dok će drugi enantiomer loše pristajati i ima male šanse da se veže. D oblik aminokiselina obično ima sladak ukus, dok L oblik obično nema ukus. Listovi paprene metvice i sjemenke kima sadrže L-karvon, odnosno D-karvon, enantiomere karvona. Mirišu drugačije jer olfaktorni receptori većine ljudi sadrže i kiralne molekule koji se ponašaju različito u prisustvu različitih enantiomera.

Kiralnost u farmakologiji

Mnogi kiralni lijekovi su napravljeni s visokom enantiometrijskom čistoćom zbog nuspojava drugog enantiomera (koji možda čak nije ni terapeutski aktivan).

Talidomid: Talidomid je racemičan. Jedan enantiomer je efikasan protiv mučnine, dok je drugi teratogen. U ovom slučaju, davanje jednog od enantiomera trudnici neće pomoći, jer se oba enantiomera lako pretvaraju jedan u drugi u tijelu. A ako osobi date drugačiji enantiomer, tada će i D- i L-izomeri biti prisutni u pacijentovoj plazmi.
Etambutol: Jedan enantiomer se koristi u liječenju tuberkuloze, drugi uzrokuje sljepoću.
Naproksen: Jedan enantiomer liječi artritis, ali drugi uzrokuje toksičnost jetre bez analgetskog učinka.
Položaj steroidnih receptora također ukazuje na specifičnost stereoizomera.
Aktivnost penicilina je stereozavisna. Antibiotik mora oponašati lance D-alanina koji su prisutni u ćelijskim zidovima bakterija kako bi reagirao sa enzimom transpeptidazom i postupno ga apsorbirao.
Samo L-anaprilin je moćan adrenergički receptor, ali D-anaprilin nije. Međutim, oba izomera anaprilina imaju lokalni anestetički učinak.
L-metorfan (levometorfan) je moćan opioidni analgetik, a D-izomer, dekstrometorfan, je disocijativno sredstvo za ublažavanje kašlja.
S-karvedilol, sredstvo za adrenergičke receptore, blokira β-receptore 100 puta jače od R(+) izomera. Ali oba izomera približno podjednako blokiraju α-receptore.
D-izomeri pervitina i amfetamina su snažni stimulansi CNS-a, dok L-izomeri oba lijeka nemaju mnogo CNS-stimulirajućih svojstava, ali umjesto toga stimulišu PNS (periferni nervni sistem). Stoga je L-izomer pervitina dostupan kao nazalni preparat, a dekstro izomer je zabranjen za medicinsku upotrebu u gotovo svim (sa rijetkim izuzecima) zemljama svijeta i strogo je kontroliran tamo gdje je to dozvoljeno.
S-amlodipin, čisti optički aktivan izomer amlodipina, odgovoran za blokadu i vazodilataciju kalcijevih kanala.
Levocitirizin, RR-citirizin, antihistaminik, aktivni blokator histaminskih receptora u sastavu citirizina.
S-pantaprozol, čisti optički aktivan izomer pantaprozola, selektivno blokira protonsku pumpu parijetalnih stanica želučane sluznice.
R-rabeprozol, čisti optički aktivan izomer rabeprozola, selektivno blokira protonsku pumpu parijetalnih stanica želučane sluznice.
deksibuprofen, čisti optički aktivan izomer ibuprofena koji selektivno blokira ciklooksigenazu.
deksketoprofen, čisti optički aktivan izomer ketoprofena koji selektivno blokira ciklooksigenazu.
esetodolac, čisti optički aktivan izomer etodolaka, koji selektivno i selektivno blokira ciklooksigenazu.
esomeprazol, čisti optički aktivan izomer omeprozola, selektivno blokira protonsku pumpu parijetalnih stanica želučane sluznice.
S-metoprolol, selektivni blokator beta-adrenergičkih receptora srca i krvnih sudova, izolovan iz racemskog metoprolola
hloramfenikol.
kinin.
Kinidin
L-lizin.
L-tiroksin.
L-dodaj.
Levotiracetam.
R-sibutramin. Nije u širokoj upotrebi (vjerovatno samo u Indiji), zbog zabrane FDA upotrebe racemskog sibutramina za liječenje gojaznosti zbog nuspojava. Prema indijskim istraživačima, R-sibutramin je što je moguće slobodniji od ovih nuspojava, ali efikasnost R-sibutramina u sigurnom smanjenju težine nije dokazana.
L-karnitin. Koristi se u dodacima ishrani.

Kiralnost u neorganskoj hemiji

Mnoga kompleksna jedinjenja su kiralna, kao što je dobro poznati kompleks 2+, u kojem tri bipiridinska liganda usvajaju hiralni raspored poput propelera. U ovom slučaju, atom rutenijuma se može smatrati stereogenim centrom u kompleksu sa tačkastom kiralnošću. Dva enantiomera kompleksa kao što je 2+ mogu se nazvati Λ (lijevo okretanje propelera opisano ligandima) i Δ (desno uvijeno). Hexol je kiralni kompleks koji sadrži kobalt koji je prvi otkrio Alfred Werner. Čvrsti heksol je važan kao prva supstanca bez ugljenika koja odražava optičku aktivnost.

Kiralnost amina

Tercijarni amini su kiralni prema principu sličnom supstancama koje sadrže ugljik: atom dušika nosi četiri različite supstituentske grupe, uključujući usamljeni par. Međutim, energetska barijera za inverziju stereocentra je općenito oko 30 kJ/mol, što znači da se dva stereoizomera brzo pretvaraju jedan u drugi na sobnoj temperaturi. Kao rezultat toga, amini kao što je NHRR' ne mogu se prepoznati po vrstama, ali se NRR'R'' može prepoznati kada su R, R' i R'' zatvoreni u cikličke strukture.

Kiralnost u književnosti

Iako se malo znalo o kiralnosti u vrijeme Lewisa Carrolla, njegovo djelo Through the Looking-Glass sadrži pronicljivu referencu na različite biološke aktivnosti enantiometrijskih lijekova: "Možda mlijeko kroz staklo nije prikladno za piće", rekla je Alice njenoj mački. U romanu Jamesa Blisha Spock Must Die! iz serije Zvjezdanih staza, otkriveno je da tahion koji odražava gospodina Spocka krade hemikalije iz medicinskog zaljeva i koristi ih za pretvaranje određenih aminokiselina i suprotno kiralnih izomera.

Ahiralnost i prohiralnost

Odsustvo kiralnosti se označava terminom "ahralnost". Ahiralni molekuli mogu pokazati indukovanu optičku aktivnost. Molekul se naziva prohiralnim ako se može pretvoriti u kiralnu zamjenom jednog atoma, na primjer, atoma vodika u CH 2 BrCl sa fluorom. Kada se kiralni i prokiralni fragmenti spoje u jednu molekulu, javlja se fenomen nuklearne dijastereotopije, koji se uočava u spektrima nuklearne magnetne rezonancije. Na tome se zasniva jedna od metoda za otkrivanje kiralnosti molekula.

vidi takođe

Bilješke

Linkovi

A. Borisova Hemičari su spljoštili ugljenik. Gazeta.ru (30.07.2010). - Sadrži opis nekih karakteristika kiralnosti. Arhivirano iz originala 22. avgusta 2011. Pristupljeno 22. avgusta 2010.

Strukturna hemija
hemijska veza:	Aromatičnost \| Kovalentna veza \| Jonska veza \| Metalni spoj \| Vodikova veza \| Donator-akceptorska veza \| Tautomerizam \| Van der Waalsova veza
Prikaz strukture:	Funkcionalna grupa \| Strukturna formula \| Skeletna formula organskih jedinjenja \| Hemijska formula \| Ligand \| Geometrija koordinacije \| Koordinaciono područje
Elektronska svojstva:	Elektronegativnost \| Elektronski afinitet \| Energija ionizacije \| Polaritet hemijskih veza \| Pravilo okteta