Рацемизация - Racemization
В химии , рацемизации является преобразование, с помощью тепла или путем химической реакции, в качестве оптически активного соединения в виде рацемической (оптически неактивной) форме. Половина оптически активного вещества становится его зеркальным отражением (энантиомером), называемым рацемическими смесями (т.е. содержат равное количество (+) и (-) форм). Если рацемизация приводит к смеси, в которой энантиомеры D и L присутствуют в равных количествах, полученный образец описывается как рацемическая смесь или рацемат. Рацемизация может происходить посредством ряда различных механизмов, и это имеет особое значение в фармакологии, поскольку разные энантиомеры могут иметь разные фармацевтические эффекты.
Стереохимия
Хиральные молекулы имеют две формы (в каждой точке асимметрии), которые различаются своими оптическими характеристиками: левовращающая форма ( (-) - форма ) будет вращать плоскость поляризации луча света влево, тогда как правовращающая форма ( форма (+) - ) повернет плоскость поляризации светового луча вправо. Две формы, которые не могут быть совмещены при вращении в трехмерном пространстве, называются энантиомерами . Обозначения не следует путать с названиями молекул D и L , которые относятся к сходству по структуре с D- глицеральдегидом и L- глицеральдегидом. Кроме того, ( R ) - и ( S ) - относятся к химической структуре молекулы, основанной на правилах приоритета именования Кана-Ингольда-Прелога, а не на вращении света.
Рацемизация происходит, когда одна чистая форма энантиомера превращается в равную пропорцию обоих энантиомеров, образуя рацемат . Когда имеется равное количество правовращающих и левовращающих молекул, чистое оптическое вращение рацемата равно нулю. Энантиомеры также следует отличать от диастереомеров, которые представляют собой тип стереоизомера, который имеет различные молекулярные структуры вокруг стереоцентра и не является зеркальным отображением.
Физические свойства
Рацемат может иметь физические свойства, отличные от любого из чистых энантиомеров, из-за дифференциальных межмолекулярных взаимодействий (см. Раздел «Биологическое значение»). Переход от чистого энантиомера к рацемату может изменить его плотность, температуру плавления, растворимость, теплоту плавления, показатель преломления и его различные спектры. Кристаллизация рацемата может привести к получению отдельных (+) и (-) форм или одного рацемического соединения.
Биологическое значение
В общем, большинство биохимических реакций стереоселективны, поэтому только один стереоизомер будет производить желаемый продукт, в то время как другой просто не участвует или может вызывать побочные эффекты. Следует отметить, что L- форма аминокислот и D- форма сахаров (в первую очередь глюкоза) обычно являются биологически реактивной формой. Это связано с тем, что многие биологические молекулы хиральны, и поэтому реакции между конкретными энантиомерами производят чистые стереоизомеры. Также примечателен тот факт, что все аминокислотные остатки существуют в L- форме. Однако бактерии продуцируют остатки D- аминокислот, которые полимеризуются в короткие полипептиды, которые можно найти в стенках бактериальных клеток. Эти полипептиды хуже усваиваются пептидазами и синтезируются бактериальными ферментами вместо трансляции мРНК, которая обычно продуцирует L- аминокислоты.
Стереоселективный характер большинства биохимических реакций означал, что разные энантиомеры химического вещества могут иметь разные свойства и эффекты на человека. Многие психотропные препараты демонстрируют разную активность или эффективность между изомерами, например, амфетамин часто отпускается в виде рацемических солей, в то время как более активный декстроамфетамин предназначен для рефрактерных случаев или более серьезных показаний; другим примером является метадон , один изомер которого проявляет активность как опиоидный агонист, а другой - как антагонист NMDA .
Рацемизация фармацевтических препаратов может происходить in vivo . Талидомид как ( R ) энантиомер эффективен против утреннего недомогания , тогда как ( S ) энантиомер является тератогенным , вызывая врожденные дефекты при приеме в первом триместре беременности. Если человеку вводят только один энантиомер, обе формы могут быть обнаружены позже в сыворотке крови. Таким образом, препарат не считается безопасным для женщин детородного возраста, и, хотя он имеет другие применения, его использование строго контролируется. Талидомид можно использовать для лечения множественной миеломы . Другим широко используемым лекарством является ибупрофен, который обладает противовоспалительным действием только в качестве одного энантиомера, в то время как другой является биологически инертным. Точно так же ( S ) стереоизомер намного более реактивен, чем ( R ) энантиомер в циталопраме (Celexa), антидепрессант, который ингибирует обратный захват серотонина, активен. Таким образом, конфигурационная стабильность лекарственного средства представляет собой область интереса в фармацевтических исследованиях. Производство и анализ энантиомеров в фармацевтической промышленности изучается в области хирального органического синтеза.
Образование рацемических смесей
Рацемизация может быть достигнута простым смешиванием равных количеств двух чистых энантиомеров. Рацемизация также может происходить при химическом взаимопревращении. Например, когда ( R ) -3-фенил-2-бутанон растворяется в водном этаноле, содержащем NaOH или HCl , образуется рацемат. Рацемизация происходит посредством промежуточной формы енола, в которой бывший стереоцентр становится плоским и, следовательно, ахиральным. Входящая группа может приближаться с любой стороны плоскости, поэтому существует равная вероятность того, что протонирование обратно к хиральному кетону приведет к образованию R- или S- формы, в результате чего образуется рацемат.
Рацемизация может происходить посредством следующих процессов:
- Реакции замещения, которые проходят через промежуточный свободный карбокатион , такие как реакции мономолекулярного замещения , приводят к нестереоспецифическому добавлению заместителей, что приводит к рацемизации.
- Хотя реакции мономолекулярного отщепления также проходят через карбокатион, они не приводят к образованию хирального центра. Вместо этого они приводят к набору геометрических изомеров, в которых образуются транс / цис ( E / Z ) формы, а не рацематы.
- В реакции мономолекулярного алифатического электрофильного замещения , если карбанион плоский или если он не может поддерживать пирамидальную структуру, то должна происходить рацемизация, хотя и не всегда.
- В реакции свободнорадикального замещения , если образование свободного радикала происходит у хирального углерода, то почти всегда наблюдается рацемизация.
Скорость рацемизации (от L- форм до смеси L- форм и D- форм) использовалась как способ датировки биологических образцов в тканях с низкой скоростью оборота, судебно-медицинских образцов и окаменелостей в геологических отложениях. Этот метод известен как аминокислотное датирование .
Открытие оптической активности
В 1843 году Луи Пастер обнаружил оптическую активность пара винной или рацемической кислоты, обнаруженной в виноградном вине. Он смог разделить два кристалла энантиомера, которые вращали поляризованный свет в противоположных направлениях.
Смотрите также
использованная литература
Список используемой литературы
- Марч, J. (1985). Высшая органическая химия: реакции, механизмы и структура (3-е изд.). Джон Вили и сыновья . ISBN 0471854727.
- Streitwieser, A .; Хиткок, Швейцария (1985). Введение в органическую химию (3-е изд.). Максвелл Макмиллан . ISBN 0029467209.