Прохиральность

Часто бывает необходимо, в частности в ферментативных процес­сах, различать одинаковые лиганды, которые, хотя и связаны с одним и тем же атомом, топологически неэквивалентны. В качестве примера рассмотрим пропандиол-1,3. Если протекает процесс, при котором про­тон при С2 замещается другим лигандом, например дейтерием, то два возможных пути замещения приводят к идентичным продуктам, т. е. продукты замещения совместимы. Два протона при С2 таким образом топологически, так же как и химически, эквивалентны, их называют гомотопными лигандами; плоскость симметрии проходит через атомы Н, С2, D.

Если аналогичный процесс протекает с участием двух протонов при С1, то возникает стереохимически иная ситуация. Замещение про­тона при С1 на дейтерий приводит к хиральному продукту 1-дейтеро-пропандиолу-1,3:

Два протона при С1 топологически неэквивалетны, так как заме­щение одного приводит к продукту, который стереохимически отличен от того, который образуется при замещении другого протона. Лиганды такого типа называются гетеротопными. Вследствие того, что продукты замещения энантиомерны, определение можно уточнить. Лиганды, ко­торые при замещении приводят к образованию энантиомеров, назы­ваются энантиотопными. Оба атома С1 и С3 в пропандиоле-1,3 явля­ются прохиральными центрами. Если при замене одного лиганда новым лигандом образуется хиральная группировка, то исходный структур­ный элемент называют прохиральным.

Правило последовательности можно применять непосредственно для обозначения гетеротопных лигандов в прохиральных молекулах, используя обозначения про-R, про-S. При этом выбирают один из гете­ротопных лигандов при прохиральном центре и произвольно приписы­вают ему старшинство перед другим, без нарушения старшинства остаю­щихся лигандов. Если при применении правила последовательности для конфигурации прохирального центра получают обозначение R, то вы­бранный лиганд обозначается про-R. Если прохиральный центр имеет S-конфигурацию, то выбранный лиганд обозначают про-S. Обычно прохиральность в формулах обозначают буквами R и S у соответствующих атомов. Для пропандиола-1,3 таким образом на схеме указаны прохиральные атомы водорода:

Энантиотопные атомы или группы эквивалентны во всех химиче­ских отношениях, за исключением реакций с хиральными реагентами. Важной ферментативной реакцией, которая различает энантиотопные лиганды, является окисление этанола, катализируемое спиртовой дегидрогеназой из печени и спиртовой дегидрогеназой дрожжей. Оба фер­мента требуют участия никотинамидадениндинуклеотида NAD+ в каче­стве кофермента. Этанол является прохиральной молекулой; четко по­казано, что окисление в ацетальдегид включает переход про-R -водорода к коферменту. Выдерживание S -1-дейтероэтанола с системой фер­мент — кофермент приводит исключительно к l-D-ацетальдегиду, тогда как аналогичная обработка R -1-дейтероэтанола дает ацетальдегид, не содержащий дейтерий:

Взаимопревращение ацетальдегид — этанол, катализируемое фер­ментом, служит иллюстрацией второй важной особенности прохираль­ных отношений, а именно прохиральных сторон. Присоединение четвер­того лиганда, отличного от трех уже имеющихся, к карбонильному углероду ацетальдегида дает хиральную молекулу. Исходная молекула представляет атакующему реагенту две стороны, которые относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению и являют­ся энантиотопными. Эти две стороны можно классифицировать как re (от rectus — правый) или si (от sinister — левый) в соответствии с правилом старшинства. Если старшинство заместителей, видимое с соот­ветствующей стороны, падает по часовой стрелке, то эта сторона обо­значается re; если против часовой стрелки, то si. Для ацетальдегида re-и si -стороны показаны ниже:

Реакция ахиральных агентов с молекулой, имеющей энантиотопные стороны, приводит к равным количествам энантиомеров, в результате образуется оптически неактивное вещество (рацемат). Однако в случае хирального агента возможен раз­личный подход к прохиральным сторонам и может образоваться опти­чески активный продукт.

Концепция гетеротопных атомов, групп, сторон может быть распространена с энантиотопных типов на диастереотопные, аналогично пере­ходу от энантиомеров к диастереомерам. Если один из двух номинально эквивалентных лигандов в молекуле заместить какой-то другой груп­пой и образовавшиеся молекулы будут диастереомерны, то лиганды диастереотопны. Аналогично, если атака одной стороны тригонального атома приводит к молекуле, которая диастереомерна по отношению к молекуле, образующейся при атаке с противоположной стороны, то обе стороны диастереотопны.

Важным свойством диастереотопных лигандов является то, что они химически неэквивалентны по отношению как к ахиральным, так и к хиральным агентам. Важно также то, что их можно различить физиче­скими методами, в основном с помощью ЯМР-спектроскопии. Окруже­ния диастереотопных групп топологически неэквивалентны. Следствием этой неэквивалентности является проявление различных экранирующих эффектов и потому различных химических сдвигов в спектрах ЯМР (энантиотопные группы имеют одинаковые химические сдвиги). Легко наблюдать и химические различия диастереотопных лиган­дов. Присоединение к карбонильным группам в хиральных молекулах является, вероятно, наиболее известным примером реакции, включаю­щей предпочтительную атаку одной из диастереотопных сторон тригонального атома. Преобладающий диастереомер, образующийся в этой реакции, может быть предсказан на основании эмпирического правила, предложенного Крамом. Как все эмпирические правила, правило Крама основано на экспериментальных данных, а не на механизме, и его следует рассмат­ривать не как попытку объяснить наблюдаемые факты, а как попытку коррелировать их. Если ориентировать молекулу субстрата так, что две меньших группы при хиральном центре расположены по обе стороны от карбонильной группы, то основной образующийся продукт будет со­ответствовать присоединению нового лиганда со стороны наименьшего заместителя.