Стереоизомерия

Стереоизомеры отличаются друг от друга пространственным расположением атомов или групп атомов.

Стереоизомеры

Энантиомеры Диастереомеры

(Оптические,

или зеркальные,

изомеры)

Знание стереоизомерии очень важно для изучения строения природных соединений (биорегуляторов и лекарственных средств – гормонов, витаминов, антибиотиков), так как все они существуют в строго определенных пространственных формах и их биологическая активность тесно связана с пространственным строением.

Так, для построения белковой молекулы используется один вид энантиомеров – L– аминокислоты, а в классе углеводов большее распространение имеют D–сахара. Из двух энантиомерных форм гормона адреналина большей фармакологической активностью обладает D(-)–форма. Стереоспецифично протекают многие биохимические реакции, так как они катализируются ферментами – белковыми молекулами.

Приведем некоторые примеры значения диастереомерии.

Так, бутендиовая кислота существует в виде двух геометрических изомеров (цис- и транс-), но только один из них – фумаровая кислота (транс–изомер) – служит субстратом для действия фермента.

Ретинол с транс–расположением всех двойных связей более эффективен в процессах зрения, чем его цис–изомер.

В липиды клеточных мембран в качестве структурных составляющих входят также только цис-формы высших жирных кислот.

Энантиомерия осуществляется у так называемых «хиральных» молекул. Хиральными, или асимметрическими, молекулами называются те, которые не могут быть совмещены со своим зеркальным отражением:

Термин «хиральность» произошел от греческого слова «хиро» – рука;

Самым простым наглядным примером хиральных объектов являются правая и левая руки.

Хиральность связана с отсутствием плоскости симметрии.

Атом углерод с четырьмя различными группами называется асимметрическим, или хиральным, центром.

Молекулы, содержащие такой центр (при отсутствии плоскости симметрии), являются хиральными.

Для изображения энантиомеров на плоскости используются проекционные формулы Фишера, называемые проекциями Фишера:

Энантиомеры

Относительная и абсолютная конфигурация. Определение абсолютной конфигурации стало возможным только с появлением современных физико-химических методов (рентгеноструктурного анализа) в 50-х годах. Однако нет необходимости устанавливать ее для каждого соединения. Можно охарактеризовать их путем сравнения конфигураций с абсолютной конфигурацией эталонных (ключевых) соединений, т. е. определить их относительную конфигурацию.

За такой эталон условно принят глицериновый альдегид, предложенный в 1906 г. Н.А. Розановым:

D- глицериновый L-глицериновый

альдегид альдегид

Считается, что все вещества, родственные глицериновому альдегиду по конфигурации хирального центра, т.е. с расположением групп – ОН, -NH₂ , - Hal справа, относятся к D–ряду, слева – к L– ряду.

Например:

D - аминокислота L – аминокислота

Запомним, что D и L указывают на относительную конфигурацию молекулы. Познакомимся с некоторыми свойствами подобных молекул.

Хиральным соединениям свойственна способность вращать плоскость поляризованного света вправо (+) или влево (-), что называется оптической активностью. Отсюда и другое название энантиомеров – оптические изомеры.

Мерой оптической активности является _D -удельный угол вращения. Знак вращения (+) или (-) не связан с конфигурацией D и L и определяется только инструментально на приборе – поляриметре или сахариметре. Например,

D(-) – молочная D(+)- глицериновый

кислота альдегид

Многие биологически важные вещества содержат в молекуле более одного центра хиральности. Подсчет числа стереоизомеров производится по формуле N= 2ⁿ, где n – число хиральных центров.

Представителем соединений с двумя центрами хиральности служит винная кислота. Рассмотрим этот пример подробнее.

У винной кислоты n=2, т.е. N= 2² = 4.

1 2 3 4

1. D–винная кислота; 2. L-винная кислота; 3, 4 – мезовинная кислота

1 и 2 – это энантиомеры (D и L). Они отличаются не по физическим и химическим свойствам, а только знаком вращения плоскости поляризованного света. Формулы 3 и 4 являются идентичными. Формулы 1 и 3, 2 и 3 являются пространственными изомерами, но не зеркальными, это диастереомеры. Они отличаются по физическим и химическим свойствам.

При отнесении энантиомеров к D– или L-ряду пользуются «оксикислотным ключом», т.е. сравнивают со стандартом тот хиральный центр, который остался без изменения при переходе от него. В данном случае это верхний хиральный центр (приведите путь превращения глицеринового альдегида в винную кислоту).

D– и L- энантиомеры проявляют оптическую активность. Мезовинная кислота – типичный пример молекулы, содержащей центры хиральности, но в целом являющейся ахиральной из-за наличия плоскости симметрии и потому не проявляющей оптическую активность.

Рацемат– это смесь равных количеств энантиомеров, не обладающая оптической активностью, вследствие компенсации вращения. Таким образом, у винной кислоты существуют 4 формы: 2 энантиомера (D- и L-), 1 мезо-форма и 1 рацемическая смесь. Рацемические смеси получаются синтетическим путем.

Поскольку природные источники не могут удовлетворить потребности современной биоорганической и биологической химии в разнообразных оптически активных соединениях, то либо расщепляют рацематы, либо ведут асимметрический синтез.

Существует несколько способов расщепления рацематов:

а) механический отбор кристаллов по их форме – исторически первый метод, примененный Луи Пастером;

б) биохимический (ферментативный) метод;

в) химический – через диастереомеры;

г) хроматографический на оптически активных сорбентах.