Kiralnost desne i lijeve ruke. Kiralne molekule. tRNA su odabrale ispravne enantiomere

Stereoizomeri, njihove vrste

Definicija 1

Stereoizomeri su tvari u čijim su molekulama atomi međusobno povezani na isti način, ali je njihov smještaj u prostoru različit.

Stereoizomeri se dijele na:

Enantiomeri (optički izomeri). Imaju ista fizikalna i kemijska svojstva (gustoća, vrelište i talište, topljivost, spektralna svojstva) u akiralnom okruženju, ali različitu optičku aktivnost.
Dijastereomeri su spojevi koji mogu sadržavati dva ili više kiralnih centara.

Kiralnost se odnosi na sposobnost predmeta da se razlikuje od svoje zrcalne slike. To jest, molekule koje nemaju zrcalno rotacijsku simetriju su kiralne.

Definicija 2

Prokiralna molekula je molekula koja se može učiniti kiralnom jednostavnom promjenom bilo kojeg od njezinih fragmenata.

U kiralnim i prokiralnim molekulama neke skupine jezgri, koje su na prvi pogled kemijski ekvivalentne, magnetski su neekvivalentne, što potvrđuju spektri nuklearne magnetske rezonancije. Taj se fenomen naziva dijastereotopija jezgri i može se uočiti u spektrima nuklearne magnetske rezonancije u prisutnosti prokiralnih i kiralnih fragmenata u jednoj molekuli.

Na primjer, u prokiralnoj molekuli dvije OPF2 skupine su ekvivalentne, ali u svakoj skupini $PF_2$ atoma atomi fluora nisu ekvivalentni.

To se očituje u konstanti spin-spin interakcije 2/$FF$.

Ako je molekula optički aktivna, tada je neekvivalentnost X jezgri u tetraedarskim skupinama $MX_2Y$ (na primjer, -$CH_2R$, -$SiH_2R$, itd.) ili piramidalnim skupinama je $MX_2$ (na primjer, -$ PF_2$, -$NH_2 $, itd.) ne ovisi o visini barijere za unutarnju rotaciju ovih skupina. Kod rotirajućih planarnih grupa –$MX_2$ i tetraedarskih –$MX_3$, potencijalna barijera je vrlo niska, što rezultira time da $X$ jezgre postaju ekvivalentne.

Konstrukcija imena kiralnih molekula

Ingold, Kahn i Prelog predložili su moderan sustav za konstruiranje imena za kiralne molekule. Prema tom sustavu za sve moguće grupe $A$, $B$, $C$, $D$ s asimetričnim ugljikovim atomom određen je red prvenstva. Što je veći atomski broj, to je stariji:

Ako su atomi isti, usporedite drugu okolinu:

Pretpostavimo da su grupe raspoređene silaznim redoslijedom prema stažu: $A → B → C → D$. Zarotirajmo molekulu na način da mlađi supstituent $D$ bude usmjeren izvan ravnine slike, od nas. Tada se smanjenje staža u preostalim skupinama može dogoditi u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od njega.

Napomena 1

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

Emil Fischer predložio je nomenklaturu $DL$, prema kojoj se desnokretni enantiomer označava slovom $D$, a ljevoruki enantiomer s $L$. Ova se nomenklatura naširoko 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 aktivnu molekulu po principu "ključ u bravi". Kada se molekula supstrata veže, aktivni centar mijenja svoju geometriju.

Na primjer, nikotinski alkaloid sadrži jedan centar optičke izomerije i može postojati kao dva enantiomera. $S$ - izomer se nalazi desno i otrovan je za ljude (letalna 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 ugljika, stoga je moguće postojanje 4 izomera ($2^n$). Ali samo jedan ($R,R$) izomer - kloromicetin - pokazuje antibiotska svojstva

Dobivanje čistih optičkih izomera važan je kemijski i tehnološki problem.

Načini dobivanja čistih enantiomera.

) — geometrijsko svojstvo krutog objekta (prostorne strukture) da bude nekompatibilan sa svojom zrcalnom slikom u idealnom ravnom zrcalu.

Opis

Kiralni objekt nema elemente simetrije 2. vrste, kao što su ravnine simetrije, središta simetrije i osi rotacije zrcala. Ako je prisutan barem jedan od ovih elemenata simetrije, objekt je ahiralan. Molekule i kristali mogu biti kiralni (na primjer,).

Kiralne molekule mogu postojati kao dva optička izomera (enantiomera), koji su zrcalne slike jedan drugoga i razlikuju se po svojoj sposobnosti da rotiraju ravninu polarizacije svjetlosti u smjeru kazaljke na satu (D-izomeri) ili suprotno (L-izomeri) (slika). Enantiomere karakteriziraju ista fizikalna svojstva, kao i ista kemijska svojstva u interakciji s akiralnim tvarima. Istodobno, odvajanje enantiomera, na primjer, kiralna metoda, može se temeljiti na razlikama u interakciji enantiomera određene tvari s određenim optičkim izomerom druge tvari. U kemiji se kiralnost najčešće povezuje s prisutnošću asimetričnog ugljikovog centra koji nosi četiri različita supstituenta.

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

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

Ilustracije

Autor

Eremin Vadim Vladimirovič

Izvori

Kemijska enciklopedija. T. 5. - M.: Velika ruska enciklopedija, 1998. P. 538.
Kompendij kemijske tehnologije. Preporuke IUPAC-a. - Blackwell, 1997.

Koncept kiralnost– jedan od najvažnijih u modernoj stereokemiji Model je kiralan ako nema elemenata simetrije (ravnina, središte, zrcalno-rotacijske osi), osim jednostavnih osi rotacije. Molekulu koja je opisana takvim modelom nazivamo kiralnom (što znači "nalik ruci", od grčkog . hiro- ruka) iz razloga što su, kao i ruke, molekule nekompatibilne sa svojim zrcalnim slikama. Na sl. Slika 1 prikazuje niz jednostavnih kiralnih molekula. Dvije su činjenice potpuno očite: prvo, parovi danih molekula predstavljaju zrcalne slike jedna druge, i drugo, te zrcalne refleksije ne mogu se međusobno kombinirati. Primjetit ćemo da u svakom slučaju molekula sadrži ugljikov atom s četiri različita supstituenta. Takvi se atomi nazivaju asimetričnima. Asimetrični ugljikov atom je kiralno ili stereogeno središte. Ovo je najčešći tip kiralnosti. Ako je molekula kiralna, tada može postojati u dva izomerna oblika, povezana kao objekt i njegova zrcalna slika i nekompatibilna u prostoru. Takvi se izomeri (para) nazivaju enantiomeri.

Izraz "kiralno" ne dopušta slobodnu interpretaciju. Kada je molekula kiralna, tada, po analogiji s rukom, mora biti ili lijevo ili desno. Kada tvar ili neki njezin uzorak nazivamo kiralnom, to jednostavno znači da se ona (ona) sastoji od kiralnih molekula; Štoviše, uopće nije nužno da su sve molekule identične u smislu kiralnosti (lijevo ili desno, R ili S, vidi odjeljak 1.3). Mogu se razlikovati dva granična slučaja. U prvom se uzorak sastoji od molekula identičnih u smislu kiralnosti (homokiralne, samo R ili samo S); takav uzorak se zove enantiomerno čist. U drugom (suprotnom) slučaju uzorak se sastoji od istog broja molekula različitih po kiralnosti (heterokiralni, molarni omjer R: S=1:1); takav je uzorak također kiralan, ali racemski. Postoji i srednji slučaj - neekvimolarna smjesa enantiomera. Ova smjesa se zove skalemičan ili neracemski. Prema tome, izjavu da je makroskopski uzorak (za razliku od pojedinačne molekule) kiralan treba smatrati ne sasvim jasnom i stoga u nekim slučajevima nedovoljnom. Može biti potrebna dodatna indikacija je li uzorak racemičan ili neracemičan. Nepreciznost u razumijevanju toga dovodi do određene vrste zabluda, primjerice, u naslovima članaka, kada se proklamira sinteza nekog kiralnog spoja, ali ostaje nejasno želi li autor samo skrenuti pozornost na samu činjenicu da kiralnost strukture o kojoj se govori u članku ili je li produkt stvarno dobiven u obliku jednog enantiomera (tj. skupa homokiralnih molekula; ovaj skup, međutim, ne treba nazivati homokiralnim uzorkom). Dakle, u slučaju kiralnog neracemskog uzorka, ispravnije je reći "enantiomerno obogaćen" ili " enantiomerno čist".

Metode prikazivanja optičkih izomera

Metodu slike odabire autor isključivo iz razloga pogodnosti prenošenja informacija. Na slici 1, slike enantiomera dane su pomoću perspektivnih slika. U ovom slučaju, uobičajeno je crtati veze koje leže u ravnini slike punom linijom; veze koje idu izvan ravnine su točkaste; a veze usmjerene prema promatraču označene su debelom crtom. Ova metoda prikaza je dosta informativna za strukture s jednim kiralnim središtem. Te iste molekule mogu se prikazati kao Fischerova projekcija. Ovu je metodu predložio E. Fisher za složenije strukture (osobito ugljikohidrate) koje imaju dva ili više kiralnih centara.

Zrcalna ravnina

Riža. 1

Za konstruiranje Fischerovih projekcijskih formula, tetraedar se rotira tako da su dvije veze koje leže u vodoravnoj ravnini usmjerene prema promatraču, a dvije veze koje leže u okomitoj ravnini su usmjerene od promatrača. Samo asimetrični atom pada na ravninu slike. U ovom slučaju, sam asimetrični atom obično se izostavlja, zadržavajući samo križne linije i supstituentske simbole. Da bi se zapamtio prostorni raspored supstituenata, u formulama projekcije često se čuva isprekidana okomita linija (gornji i donji supstituenti uklanjaju se izvan ravnine crteža), ali to se često ne radi. Ispod su primjeri različitih načina prikazivanja iste strukture s određenom konfiguracijom (Sl. 2)

Fischerova projekcija

Riža. 2

Navedimo nekoliko primjera Fischerovih projekcijskih formula (slika 3)

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

Riža. 3

Budući da se tetraedar može promatrati s različitih strana, svaki stereoizomer može se prikazati s dvanaest (!) različitih projekcijskih formula. Kako bi se standardizirale projekcijske formule, uvedena su određena pravila za njihovo pisanje. Dakle, glavna (nomenklaturalna) funkcija, ako je na kraju lanca, obično se nalazi na vrhu, glavni lanac je prikazan okomito.

Kako biste usporedili "nestandardne" napisane projekcijske formule, morate znati sljedeća pravila za transformaciju projekcijskih formula.

1. Formula se ne može ukloniti iz ravnine crtanja i ne može se rotirati za 90o, iako se može rotirati u ravnini crtanja za 180o bez promjene njihovog stereokemijskog značenja (slika 4.)

Riža. 4

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

Riža. 5

3. Jedan (ili bilo koji neparni broj) preraspodjela supstituenata u asimetričnom središtu dovodi do formule za optički antipod (slika 6.)

Riža. 6

4. Rotacija u ravnini crtanja za 90 0 pretvara formulu u antipodnu, osim ako se istovremeno ne promijeni uvjet za položaj supstituenata u odnosu na ravninu crtanja, tj. pretpostavimo da su sada bočni supstituenti iza ravnine crtanja, a gornji i donji ispred nje. Ako koristite formulu s isprekidanom linijom, tada će vas promijenjena orijentacija isprekidane linije izravno podsjetiti na to (Sl. 7)

Riža. 7

5. Umjesto permutacija, projekcijske formule mogu se transformirati rotiranjem bilo koja tri supstituenta u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od njega (slika 8); četvrti supstituent ne mijenja svoj položaj (ova operacija je ekvivalentna dvama preraspodjelama):

Riža. 8

Fischerove projekcije ne mogu se primijeniti na molekule čija kiralnost nije povezana s kiralnim centrom, već s drugim elementima (os, ravnina). U tim slučajevima potrebne su 3D slike.

D , L - Fisherova nomenklatura

Razgovarali smo o jednom problemu - kako prikazati trodimenzionalnu strukturu na ravnini. Izbor metode diktira isključivo pogodnost predstavljanja i percepcije stereo informacija. Sljedeći problem odnosi se na sastavljanje naziva za svaki pojedini stereoizomer. Naziv bi trebao odražavati informacije o konfiguraciji stereogenog centra. Povijesno gledano, prva nomenklatura za optičke izomere bila je D, L- nomenklatura koju je predložio Fisher. Sve do 1960-ih bilo je uobičajenije označavati konfiguraciju kiralnih centara na temelju planarnih projekcija (Fisher), a ne na temelju trodimenzionalnih 3D formula, koristeći deskriptore DIL. Trenutno D, L– sustav se koristi ograničeno – uglavnom za takve prirodne spojeve kao što su aminokiseline, hidroksi kiseline i ugljikohidrati. Primjeri koji ilustriraju njegovu primjenu prikazani su na sl. 10.

Riža. 10

Za α – aminokiseline, konfiguracija je označena simbolom L, ako se u formuli Fischerove projekcije amino – (ili amonijeva) skupina nalazi s lijeve strane; simbol D koristi se za suprotni enantiomer. Za šećere, oznaka konfiguracije temelji se na orijentaciji OH skupine s najvećim brojem (najdalje od karbonilnog kraja). Ako je OH skupina usmjerena udesno, onda je to konfiguracija D; ako je ON lijevo – konfiguracija L.

Svojedobno je Fischerov sustav omogućio stvaranje logične i dosljedne stereokemijske taksonomije velikog broja prirodnih spojeva koji potječu iz aminokiselina i šećera. Međutim, ograničenja Fischerovog sustava, kao i činjenica da se 1951. pojavila metoda difrakcije X-zraka za određivanje pravog rasporeda skupina oko kiralnog središta, doveli su do stvaranja 1966. novog, rigoroznijeg i dosljednijeg sustav za opisivanje stereoizomera, poznat kao R, S - Kahn-Ingold-Prelog nomenklatura (KIP). U instrumentacijskom sustavu uobičajenim kemijskim nazivima dodaju se posebni deskriptori R ili S(kurzivom u tekstu), striktno i nedvosmisleno definirajući apsolutnu konfiguraciju.

NomenklaturaCana-Ingolda-Preloga

Za definiranje ručice R ili S za dani kiralni centar, tzv pravilo kiralnosti. Razmotrimo četiri supstituenta povezana s kiralnim centrom. Oni bi trebali biti raspoređeni u jedinstveni niz stereokemijskih prioriteta; radi praktičnosti, označimo ove supstituente simbolima A, B, D i E i prihvatimo pretpostavku da je u općem nizu prvenstva (drugim riječima, po prioritetu) A stariji od B, B stariji od D, D je stariji od E(A>B>D>E) . Pravilo CIP kiralnosti zahtijeva da se model razmatra sa strane suprotne od one koju zauzima supstituent E s najnižim prioritetom ili stereokemijski mlađi supstituent (slika 11). Tada preostala tri supstituenta tvore nešto poput tronošca, čije su noge usmjerene prema gledatelju.

Riža. jedanaest

Ako seniornost supstituenata u retku A>B>D pada u smjeru kazaljke na satu (kao na slici 11), tada se središtu dodjeljuje konfiguracijski deskriptor R ( iz latinska riječ rektus - desno). U drugom rasporedu, kada se stereokemijski prioritet supstituenata smanjuje u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, središtu se dodjeljuje konfiguracijski deskriptor S (od latinskog zlokoban - lijevo).

Pri prikazivanju veza pomoću Fisherovih projekcija konfiguracija se može lako odrediti bez izgradnje prostornih modela. Formula mora biti napisana tako da je mlađi supstituent na dnu ili na vrhu, budući da su prema pravilima za prikaz Fischerovih projekcija vertikalne veze usmjerene od promatrača (slika 12). Ako su preostali supstituenti poredani u smjeru kazaljke na satu u opadajućem redoslijedu prvenstva, spoj se razvrstava kao ( R)-redak, a ako suprotno od kazaljke na satu, onda na ( S)-redak, na primjer:

Riža. 12

Ako mlađa skupina nije na okomitim vezama, tada je treba zamijeniti s nižom skupinom, ali imajte na umu da se time mijenja konfiguracija. Možete napraviti bilo koje dvije permutacije bez mijenjanja konfiguracije.

Dakle, odlučujući faktor je stereokemijsko prvenstvo . Raspravljajmo sada pravila prvenstva, tj. pravila po kojima su skupine A, B, D i E poredane po prioritetu.

Prednost u smislu seniornosti imaju atomi s većim atomski broj. Ako su brojevi isti (u slučaju izotopa), tada atom s najvećom atomskom masom postaje stariji (na primjer, D>H). Najmlađi "supstituent" je usamljeni elektronski par (na primjer, u dušiku). Dakle, prvenstvo se povećava u seriji: usamljeni par

Razmotrimo jednostavan primjer: u bromoklorofluorometanu CHBrCIF (slika 13) postoji jedan stereogeni centar, a dva enantiomera mogu se razlikovati na sljedeći način. Prvo, supstituenti su rangirani prema svojoj stereokemijskoj seniornosti: što je veći atomski broj, to je supstituent stariji. Stoga, u ovom primjeru, Br > C1 > F > H, gdje ">" znači "poželjnije" (ili "starije"). Sljedeći korak je promatranje molekule sa strane suprotne od najmlađeg supstituenta, u ovom slučaju vodika. Vidi se da se tri preostala supstituenta nalaze u kutovima trokuta i usmjerena su prema promatraču. Ako se seniornost ovog tria supstituenata smanjuje u smjeru kazaljke na satu, tada se ovaj enantiomer označava kao R. U drugom rasporedu, kada se seniornost supstituenata smanjuje u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, enantiomer se označava kao S. Oznake R I S pisati kurzivom i stavlja se u zagradu ispred naziva strukture. Dakle, dva razmatrana enantiomera imaju imena ( S)-bromklorofluorometan i ( R)-bromoklorofluorometan.

Riža. 13

2. Ako su dva, tri ili sva četiri identična atoma izravno povezana s asimetričnim atomom, senioritet se uspostavlja atomima drugog pojasa, koji više nisu povezani s kiralnim središtem, već s onim atomima koji su imali isti senioritet.

Riža. 14

Na primjer, u molekuli 2-brom-3-metil-1-butanola (slika 14), najviši i najmlađi supstituenti lako se određuju prvim pojasom - to su brom i vodik, redom. Ali nije moguće utvrditi senioritet na temelju prvog atoma CH 2 OH i CH(CH 3) 2 skupina, budući da se u oba slučaja radi o atomu ugljika. Da bi se odredilo koja je skupina starija, ponovno se primjenjuje pravilo slijeda, ali sada se uzimaju u obzir atomi sljedećeg pojasa. Usporedite dva skupa atoma (dva tripleta), napisana prema padajućem redoslijedu. Staž se sada određuje prema prvoj točki u kojoj je pronađena razlika. Skupina S H 2 OH - kisik, vodik, vodik S(OKO NN) ili brojevima 6( 8 jedanaest). Skupina S H(CH 3) 2 – ugljik, ugljik, vodik S(S CH) ili 6( 6 61). Naglašena je prva točka razlike: kisik je stariji od ugljika (po atomskom broju), tako da je CH 2 OH skupina starija od CH(CH 3) 2. Konfiguracija enantiomera prikazana na slici 14 sada se može označiti kao ( R).

Ako takav postupak ne dovede do izgradnje jednoznačne hijerarhije, nastavlja se na sve većim udaljenostima od središnjeg atoma sve dok se konačno ne naiđu na razlike i sva četiri supstituenta ne dobiju svoju prednost. U ovom slučaju, svaka prednost koju je stekao jedan ili drugi zamjenik u jednoj od faza koordinacije radnog staža smatra se konačnom i ne podliježe revalorizaciji u narednim fazama.

3. Ako u molekuli postoje točke grananja, postupak utvrđivanja seniornosti atoma treba nastaviti duž molekularnog lanca najviše seniornosti. Pretpostavimo da trebamo odrediti redoslijed prvenstva dvaju supstituenata prikazanih na slici 15. Očito je da se rješenje neće postići 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 staze, čija je prednost utvrđena u trećem sloju (Br > F). Stoga je odluka o prvenstvu zam U nad zamjenikom A radi se na temelju toga da je u četvrtom sloju Br >CI za tu granu, prijelaz na koju je diktiran senioritetom u trećem sloju, a ne na temelju toga da atom I ima najveći atomski broj u četvrtom sloju ( koji je na manje poželjnom i stoga nije grana koja se proučava).

Riža. 15

4. Višestruke veze su predstavljene kao zbroj odgovarajućih jednostavnih veza. U skladu s ovim pravilom, svakom atomu povezanom višestrukom vezom dodijeljen je dodatni "fantomski" atom (ili atomi) iste vrste koji se nalazi na drugom kraju višestruke veze. Komplementarni (dodatni ili fantomski) atomi su zatvoreni u zagrade i smatra se da ne nose supstituente u sljedećem sloju. Kao primjer, razmotrite prikaze sljedećih skupina (slika 16).

Skupna prezentacija

Riža. 16

5. Umjetno povećanje broja supstituenata također je potrebno kada je supstituent (ligand) bidentatan (ili tri- ili tetradentatan), kao i kada supstituent sadrži ciklički ili biciklički fragment. U takvim slučajevima, svaka grana cikličke strukture se reže nakon točke grananja [gdje se račva sama u sebe], a atom točke grananja se postavlja (u zagradama) na kraj lanca koji je rezultat rezanja. Na slici 17, na primjeru derivata tetrahidrofurana (THF), razmatra se slučaj bidentatnog (cikličkog) supstituenta. Dva kraka peteročlanog prstena (pojedinačno) presjecaju se na vezama s kiralnim atomom, koji se zatim dodaje na kraj svakog od dva novoformirana lanca. Vidi se da kao rezultat disekcije A dobiva se hipotetski supstituent -CH 2 OCH 2 CH 2 -(C), koji se pokazuje starijim od stvarnog acikličkog supstituenta -CH 2 OCH 2 CH 3 zbog prednosti fantoma (C) na kraju prvi supstituent. Naprotiv, nastao kao rezultat disekcije U ispostavilo se da je hipotetski ligand –CH 2 CH 2 OCH 2 – (C) niži u seniornosti od stvarnog supstituenta –CH 2 CH 2 OCH 2 CH 3, budući da potonji ima tri atoma vodika vezana na terminalni ugljik, dok bivši nema ništa u ovom sloju. Posljedično, uzimajući u obzir utvrđeni red prvenstva supstituenata, konfiguracijski simbol za dati enantiomer ispada da je S.

Odrediti staž

Zamjenik A

U>A

Zamjenik A

Sl.17

Riža. 18

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

Sada smo dovoljno spremni razmotriti takav supstituent kao što je fenil (Sl. 19 struktura A). Gore smo raspravljali o shemi za otvaranje svake višestruke veze. Budući da je (u bilo kojoj Kekule strukturi) svaki od šest atoma ugljika dvostruko vezan na drugi atom ugljika, tada (u KIP sustavu) svaki atom ugljika u prstenu nosi dodatni ugljik kao "supstituent". Ovako dopunjen prsten (sl. 19, struktura U) zatim se proširuje prema pravilima za cikličke sustave. Kao rezultat toga, disekcija je opisana dijagramom prikazanim na slici 19, struktura S.

Riža. 19

6. Sada ćemo razmotriti kiralne spojeve u kojima razlike između supstituenata nisu materijalne ili konstitucijske prirode, već se svode na razlike u konfiguraciji. U nastavku ćemo raspravljati o spojevima koji sadrže više od jednog kiralnog centra (vidi odjeljak 1.4). Ovdje ćemo se dotaknuti supstituenata koji se razlikuju cis–trans– izomerija (tip olefina). Prema Prelogu i Helmchenu, olefinski ligand u kojem se nalazi viši supstituent na istoj strani iz dvostruke veze olefina, koji je kiralni centar, ima prednost pred ligandom u kojem je stariji supstituent trans–položaj prema kiralnom centru. Ovaj položaj nema nikakve veze s klasičnim cis-trans-, niti prema E–Z–nomenklatura za konfiguraciju dvostruke veze. Primjeri su prikazani na slici 20.

Riža. 20

Spojevi s više kiralnih centara

Ako molekula ima dva kiralna centra, budući da svaki centar može imati (R)- ili ( S)-konfiguraciji, moguće je postojanje četiri izomera - R.R., SS, R.S. I S.R.:

Riža. 21

Budući da molekula ima samo jednu zrcalnu sliku, enantiomer spoja je (R.R.) može biti samo izomer (SS). Slično, drugi par enantiomera tvori izomere (R.S.) I (S.R.). Ako se promijeni konfiguracija samo jednog asimetričnog centra, tada se takvi izomeri nazivaju dijastereomeri. Dijastereomeri 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), koji su enantiomeri, i (R.S.), dijastereomerno za oba enantiomera (R.R.) I (SS). Tipičan primjer je vinska kiselina (slika 22), koja ima samo tri izomera: par enantiomera i mezo oblik.

Riža. 22

meso-Vino kiselina je (R, S) izomer, koji je optički neaktivan, jer kombinacija dvaju zrcalno simetričnih fragmenata dovodi do pojave ravnine simetrije (a). meso-Vino kiselina je primjer akiralnog spoja mezo konfiguracije, koji je izgrađen od jednakog broja kiralnih elemenata koji su identični u strukturi, ali različiti u apsolutnoj konfiguraciji.

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

Za nazive stereoizomera molekula koje sadrže dva asimetrična ugljikova atoma, od kojih su dva supstituenta na svakom jednaka, a treći različiti, često se koriste prefiksi eritro- I trio- od naziva šećera eritroza i treoza. Ovi prefiksi karakteriziraju sustav kao cjelinu, a ne svaki kiralni centar zasebno. Kada se takve veze prikazuju pomoću Fischerovih projekcija u parovima eritro- izomeri, iste skupine nalaze se na jednoj strani, a kada bi različite skupine (C1 i Br u donjem primjeru) bile iste, dobio bi se mezo oblik. Uparen sa treo- izomeri, iste skupine nalaze se na različitim stranama, a ako su različite skupine iste, novi par bi ostao enantiomerni par.

Riža. 23

Svi gore razmotreni primjeri spojeva imaju središte kiralnosti. Takav centar je asimetrični atom ugljika. Međutim, i drugi atomi (silicij, fosfor, sumpor) mogu biti središte kiralnosti, kao npr. u metilnaftilfenilsilanu, o-anisilmetilfenilfosfinu, metil p-tolil sulfoksidu (slika 24.)

Riža. 24

Kiralnost molekula bez kiralnih centara

Nužan i dovoljan uvjet za kiralnost molekule je njena nekompatibilnost sa svojom zrcalnom slikom. Prisutnost jednog (konfiguracijski stabilnog) kiralnog centra u molekuli je dovoljan, ali nikako neophodan uvjet za postojanje kiralnosti. Razmotrimo kiralne molekule kojima nedostaju kiralni centri. Neki primjeri prikazani su na slikama 25 i 26.

Riža. 25

Riža. 26

To su spojevi s kiralnim osima ( aksijalni tip kiralnosti): aleni; alkilidencikloalkani; spirane; tzv. atropoizomeri (bifenili i slični spojevi, čija kiralnost nastaje zbog otežane rotacije oko jednostruke veze). Drugi element kiralnosti je kiralna ravnina ( planarna kiralnost). Primjeri takvih spojeva su ansa spojevi (u kojima je aliciklički prsten premalen da bi aromatski prsten rotirao kroz njega); paraciklofani; metaloceni. Konačno, kiralnost molekule može se povezati sa spiralnom organizacijom molekularne strukture. Molekula se može umotati u lijevu ili desnu spiralu. U ovom slučaju govorimo o helicitetu (spiralni tip kiralnosti).

Kako bi se odredila konfiguracija molekule koja ima kiralna os, potrebno je unijeti dodatnu točku u pravilo slijeda: skupine koje su najbliže promatraču smatraju se starijima od skupina koje su udaljene od promatrača. Ovaj dodatak mora biti napravljen, budući da je za molekule s aksijalnom kiralnošću prihvatljiva prisutnost identičnih supstituenata na suprotnim krajevima osi. Primjena ovog pravila na molekule prikazane na Sl. 25, prikazano na sl. 27.

Riža. 27

U svim slučajevima, molekule se promatraju duž kiralne osi s lijeve strane. Treba imati na umu da će deskriptor konfiguracije ostati isti ako se molekule razmatraju s desne strane. Prema tome, prostorni raspored četiri potporne grupe odgovara vrhovima virtualnog tetraedra i može se prikazati pomoću odgovarajućih projekcija (slika 27). Za određivanje odgovarajućeg deskriptora koristimo standardna pravila R, S- nomenklatura. U slučaju bifenila, važno je primijetiti da se supstituenti u prstenu razmatraju od centra (kroz koji prolazi kiralna os) prema periferiji, što predstavlja kršenje standardnih pravila slijeda. Dakle, za bifenil na Sl. 25 točan slijed supstituenata u desnom prstenu C-OSH 3 >C-H; atom klora je previše udaljen da bi se uzeo u obzir. Potporni atomi (oni pomoću kojih je određen konfiguracijski simbol) pokazuju se istima ako se molekula promatra s desne strane. Ponekad se deskriptori koriste za razlikovanje aksijalne kiralnosti od drugih vrsta aR I kao (ili R a I S a), međutim upotreba prefiksa " a» nije obvezan.

Alternativno, molekule s kiralnim osima mogu se smatrati spiralnim, a njihova se konfiguracija može označiti simbolima R I M. U ovom slučaju, da bi se odredila konfiguracija, uzimaju se u obzir samo supstituenti s najvećim prioritetom u prednjem i stražnjem (od promatrača) dijelu strukture (supstituenti 1 i 3 na slici 27). Ako je prijelaz s prednjeg zamjenika 1 najvišeg prioriteta na stražnjeg zamjenika prioriteta 3 u smjeru kazaljke na satu, tada je ovo konfiguracija R; ako je suprotno od kazaljke na satu, ovo je konfiguracija M.

Na sl. 26 prikazuje molekule sa ravni kiralnosti. Definicija kiralne ravnine nije tako jednostavna i jednoznačna kao definicija središta i osi kiralnosti. Ovo je ravnina koja sadrži što više atoma molekule, ali ne sve. Zapravo, kiralnost se javlja jer (i samo zato što) barem jedan supstituent (obično više) ne leži u ravni kiralnosti. Dakle, kiralna ravnina ansa-spoja A je ravnina benzenskog prstena. U paraciklofanu U najsupstituiraniji (niži) prsten se smatra kiralnom ravninom. Da bi se odredio deskriptor za planarne kiralne molekule, ravnina se promatra sa strane atoma koja je najbliža ravnini, ali ne u ravnini (ako postoje dva ili više kandidata, odabire se onaj koji je najbliži atomu s najvećim prioritetom prema pravilima slijeda). Ovaj atom, koji se ponekad naziva testni ili pilot atom, označen je strelicom na slici 26. Zatim, ako tri uzastopna atoma (a, b, c) s najvećim prioritetom tvore isprekidanu liniju u kiralnoj ravnini, savijajući se u smjeru kazaljke na satu, konfiguracija spoja pR (ili R str), a ako se polilinija savija u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, tada deskriptor konfiguracije p.s(ili S str). Planarna kiralnost, kao i aksijalna kiralnost, može se alternativno smatrati tipom kiralnosti. Kako bi se odredio smjer (konfiguracija) spirale, potrebno je razmotriti pilot atom zajedno s atomima a, b i c, kako je definirano gore. Iz ovoga je jasno da pR- veze odgovaraju R-, A p.s- veze – M– spiralnost.

Metode prikazivanja optičkih izomera

Zrcalna ravnina

Riža. 1

Fischerova projekcija

Riža. 2

Navedimo nekoliko primjera Fischerovih projekcijskih formula (slika 3)

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

Riža. 3

Kako biste usporedili "nestandardne" napisane projekcijske formule, morate znati sljedeća pravila za transformaciju projekcijskih formula.

1. Formula se ne može ukloniti iz ravnine crtanja i ne može se rotirati za 90o, iako se može rotirati u ravnini crtanja za 180o bez promjene njihovog stereokemijskog značenja (slika 4.)

Riža. 4

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

Riža. 5

3. Jedan (ili bilo koji neparni broj) preraspodjela supstituenata u asimetričnom središtu dovodi do formule za optički antipod (slika 6.)

Riža. 6

Riža. 7

Riža. 8

Fischerove projekcije ne mogu se primijeniti na molekule čija kiralnost nije povezana s kiralnim centrom, već s drugim elementima (os, ravnina). U tim slučajevima potrebne su 3D slike.

D , L - Fisherova nomenklatura

Riža. 10

NomenklaturaCana-Ingolda-Preloga

Riža. jedanaest

Riža. 12

Dakle, odlučujući faktor je stereokemijsko prvenstvo . Raspravljajmo sada pravila prvenstva, tj. pravila po kojima su skupine A, B, D i E poredane po prioritetu.

Riža. 13

Riža. 14

Riža. 15

Skupna prezentacija

Riža. 16

Odrediti staž

Zamjenik A

U>A

Zamjenik A

Sl.17

Riža. 18

Riža. 19

Riža. 20

Spojevi s više kiralnih centara

Ako molekula ima dva kiralna centra, budući da svaki centar može imati (R)- ili ( S)-konfiguraciji, moguće je postojanje četiri izomera - R.R., SS, R.S. I S.R.:

Riža. 21

Riža. 22

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

Riža. 23

Riža. 24

Kiralnost molekula bez kiralnih centara

Riža. 25

Riža. 26

Riža. 27

Kiralnost (kemija)

Kiralnost(molecular chirality) - u kemiji, svojstvo molekule da bude nekompatibilna sa svojom zrcalnom slikom bilo kojom kombinacijom rotacija i pomaka u trodimenzionalnom prostoru.

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

Kiralnost u farmakologiji

Mnogi kiralni lijekovi se proizvode s visokom enantiometrijskom čistoćom zbog nuspojava drugog enantiomera (koji možda čak i nije terapeutski aktivan).

Talidomid: Talidomid je racemičan. Jedan enantiomer je učinkovit protiv mučnine, dok je drugi teratogen. U tom 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 plazmi pacijenta.
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.
Djelovanje penicilina je stereoovisno. Antibiotik mora oponašati lance D-alanina koji su prisutni u staničnim stijenkama bakterija kako bi reagirao s enzimom transpeptidazom i postupno ga apsorbirao.
Samo je L-anaprilin snažan adrenergički receptor, ali D-anaprilin nije. Međutim, oba izomera anaprilina imaju lokalni anestetički učinak.
L-metorfan (levometorfan) je snažan opioidni analgetik, a D-izomer, dekstrometorfan, je disocijativno sredstvo protiv kašlja.
S-karvedilol, adrenergički receptor, blokira β-receptore 100 puta jače od R(+) izomera. Ali oba izomera približno jednako blokiraju α-receptore.
D-izomeri pervitina i amfetamina snažni su stimulansi središnjeg živčanog sustava, dok L-izomeri oba lijeka nemaju značajna svojstva stimuliranja središnjeg živčanog sustava, ali umjesto toga stimuliraju PNS (periferni živčani sustav). Stoga je L-izomer pervitina dostupan kao nazalni pripravak, a dekstro izomer je zabranjen za medicinsku upotrebu u gotovo svim (uz rijetke iznimke) zemljama svijeta i strogo se kontrolira tamo gdje je dopušten.
S-amlodipin, čisti optički aktivni izomer amlodipina, odgovoran za blokadu kalcijevih kanala i vazodilataciju.
Levocitirizin, RR-citirizin, antihistaminik, aktivni blokator histaminskih receptora u sastavu citirizina.
S-pantaprozol, čisti optički aktivni izomer pantaprozola, selektivno blokira protonsku pumpu parijetalnih stanica želučane sluznice.
R-rabeprozol, čisti optički aktivni izomer rabeprozola, selektivno blokira protonsku pumpu parijetalnih stanica želučane sluznice.
deksibuprofen, čisti optički aktivni izomer ibuprofena koji selektivno blokira ciklooksigenazu.
deksketoprofen, čisti optički aktivni izomer ketoprofena koji selektivno blokira ciklooksigenazu.
esetodolak, čisti optički aktivni izomer etodolaka, selektivno i selektivno blokira ciklooksigenazu.
esomeprazol, čisti optički aktivni izomer omeprozola, selektivno blokira protonsku pumpu parijetalnih stanica želučane sluznice.
S-metoprolol, selektivni blokator beta-adrenergičkih receptora srca i krvnih žila, izoliran iz racemskog metoprolola
kloramfenikol.
kinin.
kinidin
L-lizin.
L-tiroksin.
L-dodaj.
Levotiracetam.
R-sibutramin. Nije široko korišten (vjerojatno samo u Indiji), zbog zabrane FDA za upotrebu racemskog sibutramina za liječenje pretilosti zbog nuspojava. Prema indijskim istraživačima, R-sibutramin je maksimalno oslobođen ovih nuspojava, ali učinkovitost R-sibutramina u sigurnom smanjenju težine nije dokazana.
L-karnitin. Koristi se u dodacima prehrani.

Kiralnost u anorganskoj kemiji

Mnogi kompleksni spojevi su kiralni, poput dobro poznatog 2+ kompleksa, u kojem tri bipiridinska liganda zauzimaju kiralni raspored sličan propeleru. U ovom slučaju, atom rutenija može se smatrati stereogenim središtem u kompleksu s točkastom kiralnošću. Dva enantiomera kompleksa kao što je 2+ mogu se nazvati Λ (lijevo uvijen propeler opisan ligandima) i Δ (desno uvijen). Hexol je kiralni kompleks koji sadrži kobalt koji je prvi otkrio Alfred Werner. Čvrsti heksol važan je kao prva tvar bez ugljika koja odražava optičku aktivnost.

Kiralnost amina

Tercijarni amini su kiralni prema principu sličnom tvarima koje sadrže ugljik: atom dušika nosi četiri različite supstituentske skupine, uključujući usamljeni par. Međutim, energetska barijera za inverziju stereocentra općenito je 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 vrsti, ali NRR'R'' se 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 predviđanje o različitim biološkim aktivnostima enantiometrijskih lijekova: "Možda mlijeko kroz zrcalo nije prikladno za piće", rekla je Alice. svojoj mački. U romanu Jamesa Blisha Spock mora umrijeti! iz serijala Zvjezdane staze otkriva se da tahion koji zrcali g. Spocka krade kemikalije iz medicinskog odjela i koristi ih za pretvaranje određenih aminokiselina i suprotnih kiralnih izomera.

Ahiralnost i prokiralnost

Odsutnost kiralnosti označava se pojmom "ahiralitet". Akiralne molekule mogu pokazivati induciranu optičku aktivnost. Molekula se naziva prokiralnom ako se može pretvoriti u kiralnu zamjenom jednog atoma, na primjer, atoma vodika u CH 2 BrCl s fluorom. Kada se kiralni i prokiralni fragmenti spoje u jednu molekulu, javlja se fenomen nuklearne dijastereotopije, koji se uočava u spektrima nuklearne magnetske rezonancije. Na tome se temelji jedna od metoda otkrivanja kiralnosti molekula.

vidi također

Bilješke

Linkovi

A. Borisova Kemičari su spljoštili ugljik. Gazeta.ru (30. srpnja 2010.). - Sadrži opis nekih značajki kiralnosti. Arhivirano iz originala 22. kolovoza 2011. Preuzeto 22. kolovoza 2010.

Strukturna kemija
Kemijska veza:	Aromatičnost \| Kovalentna veza \| Ionska veza \| Metalni spoj \| Vodikova veza \| Donor-akceptorska veza \| Tautomerizam \| Van der Waalsova veza
Prikaz strukture:	Funkcionalna skupina \| Strukturna formula \| Skeletna formula organskih spojeva \| Kemijska formula \| Ligand \| Koordinacijska geometrija \| Koordinacijsko područje
Elektronička svojstva:	Elektronegativnost \| Elektronski afinitet \| Energija ionizacije \| Polaritet kemijskih veza \| Pravilo okteta