Хиральность (химия)

Хиральность (молекулярная хиральность) - в химии свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве.

Энзимы (а они хиральны) часто различаются между двумя энантиомерами хирального субстрата. Представьте, что у энзима впадина в форме перчатки, которая связывает субстрат. Если перчатка как для правой руки, тогда один энантиомер войдёт вовнутрь и свяжется, в то время как другой энантиомер плохо войдёт, и мало шансов, что свяжется. D-форма аминокислот обычно сладкая на вкус, а L-форма обычно вкуса не имеет. Листья перечной мяты и семена тмина содержат L-карвон и D-карвон соответственно – энантиомеры карвона . Они пахнут по-разному, поскольку обонятельные рецепторы большинства людей также содержат хиральные молекулы, которые ведут себя по-разному в присутствии разных энантиомеров.

Хиральность в фармакологии

Множество хиральных лекарств сделаны с высокой энантиометрической чистотой в связи с побочными эффектами другого энантиомера (который может быть даже терапевтически неактивным).

• Талидомид : талидомид рацемичен. Один энантиомер эффективен против тошноты, а другой тератогеничен. В этом случае назначение одного из энантиомеров беременному пациенту не поможет, поскольку оба энантиомера легко преобразуются друг в друга в организме. А если дать человеку другой энантиомер, то и D-, и L-изомеры будут присутствовать в плазме пациента.
• Этамбутол : один энантиомер используется при лечении туберкулёза, другой вызывает слепоту.
• Напроксен : один энантиомер лечит артрит, но другой вызывает отравление печени без анальгетического эффекта.
• Расположение рецепторов стероидов также показывает специфичность стереоизомеров.
• Активность пенициллина стереозависима. Антибиотик должен подражать D-аланиновым цепям, которые присутствуют в клеточных стенках бактерий, чтобы реагировать с энзимом транспептидазой и постепенно поглощать её.
• Только L-анаприлин является мощным адренорецептором, а D-анаприлин – нет. Тем не менее, у обоих изомеров анаприлина есть местный анестезиальный эффект.
• L-меторфан (левометорфан) – мощный опиоид-анальгетик, а D-изомер, декстрометорфан – диссоциативное средство для облегчения кашля.
• S-карведилол , средство, реагирующее с адренорецепторами, в 100 раз сильнее блокирует β-рецепторы, чем R(+) изомер. Но оба изомера примерно одинаково блокируют α-рецепторы.
• D-изомеры первитина и амфетамина – сильные стимуляторы ЦНС, а L-изомеры обоих средств лишены больших стимулирующих ЦНС свойств, но вместо этого стимулируют ПНС (периферическую нервную систему). Поэтому L-изомер первитина доступен как средство для применения в нос, а декстроизомер запрещён для использования в медицинских целях почти во всех (за редким исключением) странах мира и строго контролируется там, где он разрешён.
• S-амлодипин, чистый оптически активный изомер амлодипина, отвечающий за блокаду кальциевых каналов и вазодилятацию.
• левоцитиризин, RR-цитиризин, антигистаминный препарат, активный блокатор гистаминовых рецепторов в составе цитиризина.
• S-пантапрозол, чистый оптически активный изомер пантапрозола, избирательно блокирующий протонную помпу париетальных клеток слизистой желудка.
• R-рабепрозол, чистый оптически активный изомер рабепрозола, избирательно блокирующий протонную помпу париетальных клеток слизистой желудка.
• дексибупрофен, чистый оптически активный изомер ибупрофена, избирательно блокирующий циклооксигеназу.
• декскетопрофен, чистый оптически активный изомер кетопрофена, избирательно блокирующий циклооксигеназу.
• эсэтодолак, чистый оптически активный изомер иэтодолака, избирательно и селективно блокирующий циклооксигеназу.
• эзомепразол, чистый оптически активный изомер омепрозола, избирательно блокирующий протонную помпу париетальных клеток слизистой желудка.
• S-метопролол, селективный блокатор бетта-адренорецепторов сердца и сосудов, выделенный из рацемического метопролола
• левомицетин.
• хинин.
• хинидин.
• L-лизин.
• L-тироксин.
• L-допа.
• левотирацетам.
• R-сибутрамин. Не применяется широко (вероятно, только в Индии), из за запрета FDA на использование рацемического сибутрамина для лечения ожирения из-за побочных эффектов. По данным индийских исследователей R-сибутрамин максимально лишён этих побочных эффектов, однако не доказана эффективность R-сибутрамина безопасно снижать вес.
• L-карнитин. Используется в пищевых добавках.

Хиральность в неорганической химии

Многие комплексные соединения хиральны, например, хорошо известный комплекс 2+ , в котором три лиганда бипиридина принимают хиральное расположение в виде пропеллера. В этом случае атом рутения может считаться стереогеничным центром в комплексе с точечной хиральностью. Два энантиомера комплексов, таких как 2+ , могут обозначаться как Λ (левоповоротная закрутка пропеллера, описанного лигандами) и Δ (правоповоротная закрутка). Гексол – это хиральный кобальтосодержащий комплекс, открытый впервые Альфредом Вернером. Твёрдый гексол важен как первое вещество без углерода, отражающее оптическую активность.

Хиральность аминов

Третичные амины хиральны по принципу, схожему с углеродосодержащими веществами: атом азота несёт четыре разных замещающих группы, включаю одинокую пару. Тем не менее, энергетический барьер инверсии стереоцентра в общем равен около 30 кДж/моль, что значит, что два стереоизомера быстро превращаются друг в друга при комнатной температуре. В результате амины, такие, как NHRR’, не могут быть распознаны по виду, а NRR’R’’ могут быть распознаны, когда R, R’ и R’’ заключены в циклические структуры.

Хиральность в литературе

Хотя во времена Льюиса Кэрролла мало было известно о хиральности, его работа «Алиса в Зазеркалье » содержит предугадывающую отсылку к различным видам биологической деятельности энантиометрических лекарств: «Может, зазеркальное молоко непригодно для питья» - сказала Алиса своей кошке. В романе Джеймса Блиша «Спок должен умереть!» из серии «Звёздный путь» тахион, зеркальный мистеру Споку, как выяснится, украдёт химические реактивы из медицинского отсека и будет использовать их для преобразования определённых аминокислот и противоположно хиральные изомеры.

Ахиральность и прохиральность

Отсутствие хиральности обозначается термином «ахиральность». Ахиральные молекулы могут проявлять индуцированную оптическую активность. Молекулу называют прохиральной, если она может быть превращена в хиральную заменой единственного атома, например, атома водорода в СН 2 BrCl на фтор. При совмещении в одной молекуле хирального и прохирального фрагментов возникает явление диастереотопии ядер, которое наблюдается в спектрах ядерного магнитного резонанса . На этом основан один из методов обнаружения хиральности молекул.

См. также

Примечания

Ссылки

• А. Борисова Химики сплющили углерод . Gazeta.ru (30.07.2010). - Содержит описание некоторых особенностей хиральности. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 22 августа 2010.

Структурная химия
Химическая связь :	Ароматичность | Ковалентная связь | Ионная связь | Металлическая связь | Водородная связь | Донорно-акцепторная связь | Таутомерия | Ван-дер-Ваальсова связь
Отображение структуры:	Функциональная группа | Структурная формула | Скелетная формула органических соединений | Химическая формула | Лиганд | Координационная геометрия | Координационная сфера
Электронные свойства:	Электроотрицательность | Сродство к электрону | Энергия ионизации | Полярность химических связей | Правило октета

Молекулы, обладающие одинаковым химическим строением, могут различаться пространственным строением, т.е. существовать в виде пространственных изомеров - стереоизомеров .

Пространственное строение молекул - это взаимное расположение атомов и атомных групп в трехмерном пространстве.

Стереоизомеры - соединения, в молекулах которых имеется одинаковая последовательность химических связей атомов, но различное расположение этих атомов относительно друг друга в пространстве.

В свою очередь стереоизомеры могут быть конфигурационными и конформационными изомерами , т. е. различаться соответственно конфи- гурацией и конформацией.

Конфигурация - это порядок расположения атомов в пространстве без учета различий, возникающих вследствие вращения вокруг одинарных связей.

Конфигурационные изомеры могут переходить друг в друга путем разрыва одних и образования других химических связей и могут существовать раздельно в виде индивидуальных соединений. Они подразделяются на два основных типа - энантиомерыи диастереомеры.

Энантиомеры - стереоизомеры, относящиеся друг к другу, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение.

В виде энантиомеров могут существовать только хиральные молекулы.

Хиральность - это свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отражением. Хиральными (от греч. cheir - рука), или асимметричными, объектами являются левая и правая рука, а также перчатки, ботинки и др. Эти парные предметы представляют собой объект и его зеркальное отражение (рис. 8, а). Такие предметы не могут быть полностью совмещены друг с другом.

В то же время существует множество окружающих нас предметов, которые совместимы со своим зеркальным отражением, т. е. они являются ахиральными(симметричными), например тарелки, ложки, стаканы и т. д. Ахиральные предметы обладают, по крайней мере одной плоскостью симметрии, которая делит объект на две зеркально-идентичные части (см. рис. 8, б ).

Подобные взаимоотношения наблюдаются также в мире молекул, т. е. молекулы делятся на хиральные и ахиральные. У ахиральных молекул есть плоскости симметрии, у хиральных их нет.

В хиральных молекулах имеется один или несколько центров хиральности. В органических соединениях в качестве центра хиральности чаще всего выступает асимметрический атом углерода.

Рис. 8. Отражение в зеркале хирального объекта (а) и плоскость симметрии, разрезающая ахиральный объект (б)

Асимметрическим является атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами.

При изображении стереохимической формулы молекулы символ «С» асимметрического атома углерода обычно опускается.

Чтобы определить, является молекула хиральной или ахиральной, нет необходимости изображать ее стереохимической формулой, достаточно внимательно рассмотреть все атомы углерода в ней. Если находится хотя бы один атом углерода с четырьмя разными заместителями, то этот атом углерода асимметричен и молекула за редкими исключениями хиральна. Так, из двух спиртов - пропанола-2 и бутанола-2 - первый ахирален (две группы СН 3 у атома С-2), а второй - хирален, так как в его молекуле у атома С-2 все четыре заместителя разные (Н, ОН, СН 3 и С 2 Н 5). Асимметрический атом углерода иногда помечают звездочкой (С*).

Следовательно, молекула бутанола-2 способна существовать в виде пары энантиомеров, которые не совмещаются в пространстве (рис. 9).

Рис. 9. Энантиомеры хиральных молекул бутанола-2 не совмещаются

Свойства энантиомеров. Энантиомеры обладают одинаковыми химическими и физическими свойствами (температуры плавления и кипения, плотность, растворимость и т. д.), но проявляют различную оптическую активность,т. е. способность отклонять плоскость поляризованного света.

При прохождении такого света через раствор одного из энантиомеров происходит отклонение плоскости поляризации влево, другого - вправо на один тот же по величине угол α. Значение угла α, приведенное к стандартным условиям, является константой оптически активного вещества и называется удельным вращением [α]. Левое вращение обозначается знаком «минус» (-), правое - знаком «плюс» (+), а энантиомеры называют соответственно лево- и правовращающими.

С проявлением оптической активности связаны другие названия энантиомеров - оптические изомеры или оптические антиподы.

Каждое хиральное соединение может иметь и третью, оптически неактивную форму - рацемат . Для кристаллических веществ это обычно не просто механическая смесь кристаллов двух энантиомеров, а новая молекулярная структура, образованная энантиомерами. Рацематы оптически неактивны, так как левое вращение одного энантиомера компенсируется правым вращением равного количества другого. В этом случае перед названием соединения иногда ставят знак «плюс-минус» (?).

Хиральность - несовместимость объекта со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трехмерном пространстве. Речь идет только об идеальном плоском зеркале. В нем правша превращается в левшу и наоборот.

Хиральность типична для растений и животных, и сам термин происходит от греч. χείρ - рука.

Есть правые и левые ракушки и даже правые и левые клювы у клестов (рис. 1).

1. ru.wikipedia.org/wiki/Клёст-еловик#

«Зеркальность» распространена и в неживой природе (рис. 2).

2. http://scienceblogs.com

В последнее время стали модны «хиральные», т. е. зеркальные часы (обратите внимание на надпись на циферблате) (рис. 3).

3. www.bookofjoe.com

И даже в лингвистике есть место хиральности! Это палиндромы: слова и предложения-перевертыши, например: Я УДАРЮ ДЯДЮ, ТЁТЮ РАДУЯ, Я УДАРЮ ТЁТЮ, ДЯДЮ РАДУЯ или ЛЕЕНСОН - УДАВ, НО ОН В АДУ НОС НЕ ЕЛ!

Очень важна хиральность для химиков и фармацевтов. Химия занимается объектами в наномасштабе (модное слово «нано» происходит от греч. νάννος - карлик). Хиральности в химии посвящена монография, на обложке которой () - хиральные колонны и две хиральные молекулы гексагелицена (от helix - спираль).

А важность хиральности для медицины символизирует обложка июньского номера американского журнала Journal of Chemical Education за 1996 год (рис. 4).

4. http://pubs.acs.org

На боку добродушно виляющего хвостом пса изображена структурная формула пеницилламина. Пес смотрит в зеркало, а оттуда на него глядит страшный зверь с оскаленной клыкастой пастью, горящими огнем глазами и вставшей дыбом шерстью. На боку зверя изображена та же самая структурная формула в виде зеркального отображения первой. Название опубликованной в этом номере статьи о лекарственных хиральных средствах было не менее красноречивым: «Когда молекулы лекарств смотрятся в зеркало». Почему же «зеркальное отражение» так драматически изменяет облик молекулы? И как узнали, что две молекулы являются «зеркальными антиподами»?

Поляризация света и оптическая активность

Со времен Ньютона в науке шли споры о том, представляет ли свет собой волны или частицы. Ньютон полагал, что свет состоит из частиц с двумя полюсами - «северным» и «южным». Французский физик Этьен Луи Малюс, ввел понятие о поляризованном свете, с одним направлением «полюсов». Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось.

В 1816 году французский физик Огюстен Жан Френель высказал необычную для того времени идею о том, что световые волны - поперечные, как волны на поверхности воды.

Френель объяснил и явление поляризации света: в обычном свете колебания происходят хаотично, во всех направлениях, перпендикулярных направлению луча. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например исландского шпата или турмалина, свет приобретает особые свойства: волны в нем колеблются только в одной плоскости. Образно говоря, луч такого света подобен шерстяной нитке, которую продернули через узкую щель между двумя острыми лезвиями бритвы. Если второй такой же кристалл поставить перпендикулярно первому, поляризованный свет через него не пройдет.

Отличить обычный свет от поляризованного можно с помощью оптических приборов - поляриметров; ими пользуются, например, фотографы: поляризационные фильтры помогают избавиться от бликов на фотографии, которые возникают при отражении света от поверхности воды.

Оказалось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации поворачивается. Впервые это явление обнаружил в 1811 году французский физик Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Это связано со строением кристалла. Природные кристаллы кварца асимметричны, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения. Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право- и левовращающими.

В 1815 году французский физик Жан Батист Био и немецкий физик Томас Иоганн Зеебек выяснили, что некоторые органические вещества, например сахар и скипидар, также обладают способностью вращать плоскость поляризации, причем не только в кристаллическом, но и в жидком, растворенном и даже газообразном состояниях. Оказалось, что каждый «цветовой луч» белого света поворачивается на разный угол. Сильнее всего поворачивается плоскость поляризации для фиолетовых лучей, меньше всего - для красных. Поэтому бесцветное вещество в поляризованном свете может стать окрашенным.

Как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могли существовать в виде как право-, так и левовращающих разновидностей. Однако оставалось неясным, с каким свойством молекул связано это явление: самый тщательный химический анализ не мог обнаружить между ними никаких различий! Такие разновидности веществ назвали оптическими изомерами, а сами соединения - оптически активными. Оказалось, что у оптически активных веществ есть и третий тип изомеров - оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 году знаменитый шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус: виноградная кислота С 4 Н 6 О 6 оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Но никто не знал, существует ли не встречающаяся в природе «левая» винная кислота - антипод правовращающей.

Открытие Пастера

Луи Пастер (https://ru.wikipedia.org)

Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например кубические кристаллы поваренной соли, оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась совершенно загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 году никому тогда не известный французский ученый Луи Пастер. Еще в студенческие годы он заинтересовался химией и кристаллографией, работая под руководством вышеупомянутого Жана Батиста Био и видного французского химика-органика Жана Батиста Дюма. После окончания Высшей нормальной школы в Париже молодой (ему было всего 26 лет) Пастер работал лаборантом у Антуана Балара. Балар был уже известным химиком, который за 22 года до этого прославился открытием нового элемента - брома. Своему ассистенту он дал тему по кристаллографии, не предполагая, что это приведет к выдающемуся открытию.

В ходе исследования Пастер приготовил раствор натриево-аммониевой соли оптически неактивной виноградной кислоты и медленным выпариванием воды получил красивые призматические кристаллы этой соли. Кристаллы эти, в отличие от кристаллов виноградной кислоты, оказались асимметричными. У части кристалликов одна характерная грань находилась справа, а у других - слева, причем по форме два типа кристаллов были как бы зеркальным отражением друг друга.

Тех и других кристаллов получилось поровну. Зная, что в подобных случаях кристаллы кварца вращают в разные стороны, Пастер решил проверить, не будет ли наблюдаться это явление и на полученной им соли. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер аккуратно разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением, а смесь растворов была оптически неактивной (правая и левая поляризации взаимно компенсировались). Пастер на этом не остановился. Из каждого из двух растворов с помощью сильной серной кислоты он вытеснил более слабую органическую кислоту. Можно было предположить, что в обоих случаях получится исходная виноградная кислота, которая оптически неактивна. Однако оказалось, что из одного раствора образовалась вовсе не виноградная, а известная правовращающая винная кислота, а из другого раствора получилась тоже винная кислота, но вращающая влево! Эти кислоты получили название d -винной (от лат. dexter - правый) и l -винной (от лат. laevus - левый). В дальнейшем направление оптического вращения стали обозначать знаками (+) и (-), а абсолютную конфигурацию молекулы в пространстве - буквами R и S. Итак, неактивная виноградная кислота оказалась смесью равных количеств известной «правой» винной кислоты и ранее неизвестной «левой». Именно поэтому равная смесь их молекул в кристалле или в растворе не обладает оптической активностью. Для такой смеси стали применять название «рацемат», от лат. racemus - виноград. Два антипода, дающие при смешении в равных количествах оптически неактивную смесь, получили название энантиомеров (от греч. έναντίος - противоположный).

Поняв значение своего эксперимента, Пастер выбежал из лаборатории и, встретив лаборанта физического кабинета, бросился к нему и воскликнул: «Я только что сделал великое открытие!» Кстати, Пастеру очень повезло с веществом: в дальнейшем химики обнаружили всего несколько подобных случаев кристаллизации при определенной температуре смеси оптически различных кристалликов, достаточно крупных, чтобы их можно было под лупой разделить пинцетом.

Пастер открыл еще два метода разделения рацемата на два антипода. Биохимический метод основан на избирательной способности некоторых микроорганизмов усваивать только один из изомеров. Во время посещения Германии один из аптекарей дал ему давно стоявшую склянку с виноградной кислотой, в которой завелась зеленая плесень. В своей лаборатории Пастер обнаружил, что бывшая когда-то неактивной кислота стала левовращающей. Оказалась, что зеленый плесневой грибок Penicillum glaucum «поедает» только правый изомер, оставляя левый без изменения. Такое же действие оказывает эта плесень на рацемат миндальной кислоты, только в данном случае она «поедает» левовращающий изомер, не трогая правовращающий.

Третий способ разделения рацематов был чисто химическим. Для него нужно было иметь оптически активное вещество, которое при взаимодействии с рацемической смесью по-разному связывалось бы к каждым из энантиомеров. В результате два вещества в смеси не будут антиподами (энантиомерами) и их можно будет разделить как два разных вещества. Это можно пояснить такой моделью на плоскости. Возьмем смесь двух антиподов - Я и R. Их химические свойства одинаковые. Внесем в смесь несимметричный (хиральный) компонент, например Z, который может реагировать с каким-либо участком в этих энантиомерах. Получим два вещества: ЯZ и ZR (или ЯZ и RZ). Эти структуры не являются зеркально симметричными, поэтому такие вещества будут чисто физически различаться (температурой плавления, растворимостью, еще чем-нибудь) и их можно разделить.

Пастер сделал еще много открытий, в числе которых прививки против сибирской язвы и бешенства, ввел методы асептики и антисептики.

Исследование Пастера, доказывающее возможность «расщепления» оптически неактивного соединения на антиподы - энантиомеры, первоначально вызвало у многих химиков недоверие, однако, как и последующие его работы, привлекло самое пристальное внимание ученых. Вскоре французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Немецкий химик Иоганн Вислиценус установил, что существуют две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (молочная кислота брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (мясомолочная кислота). Подобных примеров становилось всё больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов.

Теория Вант-Гоффа

Якоб Хендрик Вант-Гофф (https://ru.wikipedia.org)

Такую теорию создал молодой голландский ученый Якоб Хендрик Вант-Гофф, который в 1901 году получил первую в истории Нобелевскую премию по химии. Согласно его теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть хиральными - «правыми» и «левыми», являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример - молекулы, в которых имеется так называемый асимметрический атом углерода, окруженный четырьмя разными группами. Это можно продемонстрировать на примере простейшей аминокислоты аланина. Две изображенные молекулы невозможно совместить в пространстве никакими поворотами.

Многие ученые отнеслись к теории Вант-Гоффа недоверчиво. А известный немецкий химик-органик, выдающийся экспериментатор, профессор Лейпцигского университета Адольф Кольбе разразился резкой до неприличия статьей в Journal für praktische Chemie с ехидным названием «Zeiche der Zeit» («Приметы времени»). Он сравнивал теорию Вант-Гоффа с «отбросами человеческого ума», с «кокоткой, наряженной в модные одежды и покрывшей лицо белилами и румянами, чтобы попасть в порядочное общество, в котором для нее нет места». Кольбе писал, что «некоему доктору Вант-Гоффу, занимающему должность в Утрехтском ветеринарном училище, очевидно, не по вкусу точные химические исследования. Он счел более приятным сесть на Пегаса (вероятно, взятого напрокат из ветеринарного училища) и поведать миру то, что узрел с химического Парнаса… Настоящих исследователей поражает, как почти неизвестные химики берутся так уверенно судить о высочайшей проблеме химии - вопросе о пространственном положении атомов, который, пожалуй, никогда не будет решен… Такой подход к научным вопросам недалек от веры в ведьм и духов. А таких химиков следовало бы исключить из рядов настоящих ученых и причислить к лагерю натурфилософов, совсем немногим отличающихся от спиритов ».

Со временем теория Вант-Гоффа получила полное признание. Каждый химик знает, что, если в смеси поровну «правых» и «левых» молекул, вещество в целом будет оптически неактивным. Именно такие вещества и получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах, при участии асимметричных агентов, например ферментов, образуются асимметричные соединения. Так, в природе преобладают аминокислоты и сахара́ только одной конфигурации, а образование их антиподов подавлено. В некоторых случаях разные энантиомеры можно различить и без всяких приборов - когда они по-разному взаимодействуют с асимметрическими рецепторами в нашем организме. Яркий пример - аминокислота лейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий - горький.

Конечно, тут же возникает вопрос о том, как же появились на Земле первые оптически активные химические соединения, например та же природная правовращающая винная кислота, или как возникли «асимметричные» микроорганизмы, питающиеся только одним из энантиомеров. Ведь в отсутствие человека некому было осуществлять направленный синтез оптически активных веществ, некому было разделять кристаллы на правые и левые! Однако подобные вопросы оказались настолько сложными, что однозначного ответа на них нет и поныне. Ученые сходятся лишь в том, что существуют асимметричные неорганические или физические агенты (асимметричные катализаторы, поляризованный солнечный свет, поляризованное магнитное поле), которые могли дать начальный толчок асимметрическому синтезу органических веществ. Похожее явление мы наблюдаем и в случае асимметрии «вещество - антивещество», поскольку все космические тела состоят только из вещества, а отбор произошел на самых ранних стадиях образования Вселенной.

Хиральные лекарства

Химики часто относятся к энантиомерам как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Человек - существо хиральное. И это относится не только к его внешнему виду. «Правые» и «левые» лекарства, взаимодействуя с хиральными молекулами в организме, например с ферментами, могут действовать по-разному. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору как ключ к замку и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке пожать правой рукой левую руку своего гостя. Необходимость в оптически чистых энантиомерах объясняется также тем, что часто только один из них обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда каквторой антипод может в лучшем случае быть бесполезным, а в худшем - вызвать нежелательные побочные
эффекты или даже быть токсичным. Это стало очевидным после нашумевшей трагической истории с талидомидом - лекарственным средством, которое назначали в 1960-е годы беременным женщинам как эффективное снотворное и успокаивающее. Однако со временем проявилось его побочное тератогенное (от греч. τέρας - чудовище) действие, и
на свет появилась масса младенцев с врожденными уродствами. Лишь в конце 1980-х годов выяснилось, что причиной несчастий был только один из энантиомеров талидомида - правовращающий - и только левовращающий изомер является мощным транквилизатором. К сожалению, такое различие в действии лекарственных форм раньше не было известно, поэтому продаваемый талидомид был рацемической смесью обоих антиподов. Они отличаются взаимным расположением в пространстве двух фрагментов молекулы.

Еще один пример. Пеницилламин, структура которого была нарисована на собаке и волке на об-ложке журнала, - довольно простое производное аминокислоты цистеина. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно обладает способностью давать прочные комплексы с ионами этих металлов; образующиеся комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, в ряде других случаев. При этом применяют только «левую» форму препарата, так как «правая» токсична и может привести к слепоте.

Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, левовращающий S-тироксин (лекарственный препарат левотроид) - это природный гормон щитовидной железы. А право-вращающий R-тироксин (декстроид) понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например, darvon и novrad для синтетического наркотического анальгетика и препарата от кашля соответственно.

В настоящее время многие лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Их получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений и прямым синтезом. Последний также требует хиральных источников, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают рацемат. Это, кстати, одна из причин очень высокой стоимости некоторых лекарств, поскольку направленный синтез только одного из них - сложная задача. Поэтому не удивительно, что из множества синтетических хиральных препаратов, выпускаемых во всем мире, лишь небольшая часть является оптически чистой, остальные - рацематы.

Илья Леенсон,
канд. хим. наук, ст. науч. сотр. химического факультета МГУ

Наряду со структурными изомерами в ряду алканов существуют пространственные изомеры. Это можно представить на примере 3-метилгексана.

Атом углерода, обозначенный С*, соединён с четырьмя разными группами. В этом углеводороде при одном и том же порядке связывания атомов алкильные группы могут быть по-разному расположены в пространстве около атома углерода С*. Существует несколько способов изображения пространственных изомеров на плоскости (рис. 6.1, 6.2).

Рис. 6.1. Объемное изображение с помощью «клиньев»

Рис. 6.2. Проекционные формулы Фишера

На рисунке 6.2 в центре находится атом углерода С*, горизонтальной линией обозначена связь между углеродом С* и группами, выступающими перед плоскостью рисунка, а вертикальной - между атомом С* и группами, расположенными за плоскостью рисунка. Проекции Фишера можно поворачивать только в плоскости рисунка и только на 180 о, но не на 90 о или 270 о. Этими формулами изображены два различных соединения. Они отличаются друг от друга так же, как предмет и его зеркальное изображение или как левая и правая рука. Левая и правая руки - два очень похожих друг на друга предмета, но совместить их невозможно (не надеть левую перчатку на правую руку), значит - это два разных объекта.

Два соединения: предмет и его зеркальное изображение (I и II), несовместимые друг с другом, называются энантиомерами (от греческого “энантио” – противоположный).

Свойство соединения существовать в виде энантиомеров называется хиральностью (от греческого “хирос” - рука), а само соединение - хиральным.

Молекула 3-метилгексана не имеет плоскости симметрии и поэтому может существовать в виде энантиомеров (см. рис. 6.1).

Молекула обладает хиральностью, если она не имеет плоскости симметрии. Существует ряд элементов структуры, которые могут сделать молекулу не идентичной своему зеркальному изображению. Наиболее важным из них является хиральный атом углерода.

Хиральный атом или хиральный центр - это атом углерода, связанный с четырьмя различными группами и обозначаемый С*.

Молекула, в которой при атоме углерода находятся две или более одинаковых групп, имеет плоскость симметрии и, следовательно, не обладает хиральностью, поскольку молекула и ее зеркальное изображение идентичны. Такие молекулы называются ахиральными .

Например, изопентан не может существовать в виде энантиомеров и не обладает хиральностью.

Энантиомеры проявляют одинаковые физические свойства, кроме одного. Например, молекула 2-бромбутана существует в виде двух энантиомеров. Они имеют одинаковые температуры кипения, плавления, плотность, растворимость, показатели преломления. Отличить один энантиомер от другого можно по знаку вращения плоскополяризованного света. Энантиомеры вращают плоскость поляризованного света на один и тот же угол, но в разные стороны: один – по часовой стрелке, другой – на такой же угол, но против часовой стрелки.

Энантиомеры обладают одинаковыми химическими свойствами, скорость их взаимодействия с реагентами, не обладающими хиральностью, одинакова. В случае реакции с оптически активным реагентом скорости реакций энантиомеров различны. Иногда они отличаются настолько, что реакция данного реагента с одним из энантиомеров не протекает совсем.

Множество важных и необходимых для жизни молекул существуют в двух формах. Эти две формы хиральны, так как их отображения в идеальном плоском зеркале не могут быть совмещены. Они соотносятся между собой как левая и правая рука. Поэтому это свойстсво называется хиральность (от греческого cheir - рука).

Две формы молекул называются энантиомерами или оптическими изомерами . Энантиомеры имеют противоположный смысл хиральности, т.е. противоположную конфигурацию. Один из энантиомеров вращает плоскость поляризации плоскополяризованного света вправо, а другой энантиомер - на точно такой же угол влево.

Хиральность кристалла или молекулы определяется их симметрией . Молекула ахиральна (нехиральна) , если и только если она имеет ось несобственного вращения , то есть n-кратное вращение (вращение на 360°/n) с последующим отражением в плоскости перпендикулярной к этой оси отражает молекулу на себя. Таким образом, молекула хиральна , если у нее нет такой оси, т.е. если не существует операций симметрии, кроме тождественного преобразования, которые отразили бы молекулу на саму себя. Так как у хиральных молекул нет такого рода симметрии, они называются дисимметричными . Они не обязательно асимметричны (то есть без симметрии), так как они могут иметь другие виды симметрии . Однако все аминокислоты (кроме глицина) и множество сахаров и в самом деле являются как асимметричными, так и дисимметричными.

Хиральность и жизнь

Практически все биологические полимеры должны быть гомохиральными, чтобы функционировать (все их составляющие мономеры имеют одинаковую направленность. Еще один используемый термин – оптически чистые или 100 % оптически активные). Все аминокислоты в протеинах - "левосторонние" в то время как все сахара в ДНК, РНК и в метаболических путях - "правосторонние".

Смесь, состоящая из 50% правых и 50% левых форм, называется рацематом или рацемической смесью . Рацемические полипептиды не могут образовывать специальные формы, необходимые энзимам, так как в этом случае у них боковые цепи торчат беспорядочно. Также аминокислота с неправильной хиральностью разрушает стабилизирующую α-спираль в протеинах. ДНК не могла бы быть стабильной в форме спирали, если бы присутствовал хоть один мономер с неверной хиральностью – невозможно было бы для нее образовывать длинные цепи. Это означает, что ДНК не смогла бы хранить много информации и поддерживать жизнь.

Обычная химия производит рацематы

Уважаемый учебник по органической химии смело приводит универсальное химическое правило:

«Синтез хиральных соединений из ахиральных реактивов всегда приводит к рацемической модификации». «Оптически неактивные реактивы производят оптически неактивные продукты»

Это следствие Законов Термодинамики. Правые и левые формы имеют одинаковую свободную энергию (G), так что разница свободной энергии (ΔG) равна нулю. Константа химического равновесия (K) - величина, выражающая взаимную зависимость между концентрациями веществ в системе при достижении химического равновесия. Постоянная равновесия для любой реакции (К) является равновесным соотношением концентрации продуктов к действующему веществу. Реакция между этими двумя элементами при любой температуре Кельвина (Т) представляется с помощью стандартной формулы:

K = exp (–ΔG/RT)

Где R является абсолютной газовой константой (=число Авогадро* постоянную Больцмана к) = 8.314 дж./K.моль

Для реакции изменения "левых" аминокислот на "правые" (L →R), или обратно (R →L), ΔG = 0, так что K = 1. Таким образом, реакция достигает равновесия, когда концентрация "левых" форм и "правых" форм молекул одинаковая, т.е. производится рацемат. Это объясняет вышеприведенное правило учебника.

Отделяя левые формы от правых

Чтобы разрешить рацемат (то есть отделить два энантиомера), должно быть введено другое гомохиральное вещество. Процедура объясняется в учебнике по органической химии. Идея заключается в том, что "левые" и "правые" формы вещества имеют одинаковые свойства, кроме того случая, когда имеют дело с хиральным феноменом. Аналогия: наша левая и правая рука хватают одинаково ахиральный объект типа бейсбольной биты, но подходят по разному для хиральных объектов, как, например, для перчатки левой руки. Таким образом, для решения рацемата, химик обычно использует готовое гомохиральное вещество из живых организмов. Продукты реакции R и L энантиомеров с исключительно правосторонним веществом R´, то есть R-R´ и L-R´ (называемые диастереоизомерами), не являются зеркальным отражением друг друга. Таким образом, они имеют разные физические свойства, например, растворимость в воде, и это значит, что они могут быть отделены.

Однако это не решает загадку изначального происхождения оптической активности в живых организмах. Недавняя международная конференция "Происхождение Гомохиральности и Жизнь" четко показала, что происхождение этой хиральности – полная загадка для эволюционистов. Вероятность случайного образования одного гомохиралньго полимера из N мономеров равна 2 –N . Для маленького протеина из 100 аминокислот эта вероятность равна = 2 –100 = 10 –30 . Заметьте, что это - вероятность образования любого гомохирального полипептида. Вероятность же образования функционального гомохирального полимера чрезвычайно низка, так как необходима точная последовательность аминокислот во многих местах. Конечно, много гомохиральных полимеров необходимы для жизни, так что вероятности должны быть умножены. Случай, таким образом, не является альтернативой.

Еще одна проблема заключается в том, что гомохиральные биологические вещества рацемизируются со временем. Это лежит в основе метода датирования по рацемизации аминокислот. Как метод датирования, он не очень надежен, так как степень рацемизации сильно зависит от температуры и pH, и зависит от вида аминокислоты. Рацемизация – это также огромная проблема при синтезе и гидролизе пептидов. Это показывает, что тенденция неживой химии – к смерти, а не к жизни.

Трагическим напоминанием о важности хиральности есть талидомид. В начале 1960-х это лекарство было прописано беременным женщинам, страдающим от утренней тошноты и рвоты. Однако в то время как левые формы являются сильным транквилизатором, правые формы могут сорвать развитие зародыша, что приводит к серьезным врожденным дефектам. К сожалению, синтез лекарства произвел рацемат, как и можно было ожидать, и неправильный энантимомер не был удален до продажи лекарства.

Во время моего собственного образования по химии один из требуемых экспериментов продемонстрировал эти концепции. Мы синтезировали диссиметричный сложный ион 3+ 9 из ахиральных реактивов, так что был произведен рацемат. Мы разрешили его посредством реакции с гомохиральной кислотой из растительного источника, образуя диастереоизомеры, которые могли быть разрешены фракционированной кристаллизацией. Когда получившиеся гомохиральные кристаллы были растворены и был добавлен растворенный активированный уголь (катализатор), вещество быстро рацемизировалось, так как катализатор ускорил наступление равновесия.

Исследователи в области происхождения жизни пытались придумать другие средства получения необходимой гомохиральсноти. Были неудачные попытки решить рацематы другими способами.

Ультрафиолетовый свет с круговой поляризацией

При свете с круговой поляризацией направление электрического поля вращается вдоль луча, так что это представляет собой хиральный феномен. Гомохиральные вещества обладают разными интенсивностями поглощения левого и правого КП света - это называется круговым дихроизмом (КД) . Похожим образом, КП свет поглощается по разному левыми и правыми энантиомерами. Так как фотолиз (разрушение светом) происходит только тогда, когда фотоны света поглощаются, КП свет разрушает один энантиомер более быстро и охотней, чем другой. Однако из-за того, что свет также разрушает "правильную" форму в определенной степени, это не произвело бы 100% гомохиральность, необходимую для жизни. Одним из лучших результатов было получение 20% оптически чистой камфары, но это произошло после того, как 99% начального материала было разрушено. 35.5% оптической чистоты вышло бы после 99.99% разрушения. "Почти оптически чистая смесь (99.99%) … достигается в асимптотическом месте, когда не остается абсолютно никакого материала. "

Еще одна проблема заключается в том, что величина и знак (то есть, поощряющие левые или правые формы) КД зависит от частоты КП света.Это означает, что разрешение может происходить только с КП светом на узкой полоске частоты. На широкой же полосе энантиоселективные эффекты уничтожают его.

Недавно идея света с круговой поляризацией, как решение проблемы хиральности, была возвращена к жизни в статье Австралийского астронома Джереми Бэйли, напечатанной в Science , и получила огласку в средствах массовой информации. Его команда обнаружила инфракрасное излучение с круговой поляризацией в туманности. Они соглашаются в статье с тем, что не обнаружили ни необходимого ультрафиолетового света с круговой поляризацией, ни свидетельств того, что аминокислоты образуются в туманности. Они также в курсе о чрезвычайно ограниченной энантиоселективности КП света и о том факте, что эффект равен нулю на всем спектре. Однако, их вера в химическую эволюцию влияет на то, как они интерпретируют данные.

Не все эволюционисты убеждены предложением команды Бэйли. Например, Джефри Бада сказал: «Это просто последовательность шагов под названием "может быть". Для меня, это делает всю большую картинку большим "может быть"»

Еще один предложенный источник света с круговой поляризацией - синхротрон из нейтроновой звезды, но это спекуляции и они не решает химических проблем.

Бета-распад и сила слабого ядерного взаимодействия

Бета-распад – одна из форм радиоактивного распада, и управляется одной из четырех фундаментальных сил в природе - силой слабого ядерного взаимодействия. Эта сила обладает небольшой хиральностью, называемой несохранение четности, так что некоторые теоретики подумали, что β-распад мог быть ответственным за хиральность в живых организмах. Однако сила слабого ядерного взаимодействия названа подходяще – еффект очень маленький – очень далеко до производства необходимой 100% гомохиральности. Один специалист по проблеме хиральности, химик-органик Вильям Бонне, заслуженный профессор Стэндфоского Университета, сказал: «ни одна из этих работ на предоставила убедительных выводов» . Еще один исследователь сделал вывод:

«необходимые исключительные добиологические условия не поддерживают идею β-радиолиза как отборочного фактора свойства оптической активности в живой природе»

Еще одним аспектом несохранения четности есть то, что L-аминокислоты и D-сахара имеют теоретически энергию немного ниже, чем их энантиомеры. Но разница энергий неизмерима -всего около 10 –17 kT. Это означает, что будет всего лишь один избыточный L-энантиомер на каждые 6x10 17 молекул рацемической смеси аминокислот!

Оптически активные кварцевые порошки

Кварц – широко распространенный минерал, самая распространенная форма кремнезема (SiO 2) на Земле. Его кристаллы шестиугольные и диссиметричные. Некоторые исследователи пытались использовать оптически активные кварцевые порошки для того, чтобы поглотить одного энантиомера больше, чем другого. Но их попытки не увенчались успехом. Кроме того, существует равное количество правых и левых кварцевых кристаллов на Земле.

Самоотбор

Некоторые хиральные вещества кристаллизируются в гомохиральные кристаллы. Луи Пастер был не только основателем микробной теории болезней, но также разрушителем идей о "спонтанном зарождении" жизни и креационистом. Он также был первым человеком в истории, который решил рацемат. Он использовал пинцет, чтобы отделить левые и правые кристаллы такого вещества, тартрата алюмината натрия.

Это разделение случилось благодаря внешнему вмешательству разумного исследователя, который мог распознавать разные модели. На предполагаемой примитивной Земле не было такого исследователя. Поэтому две формы, даже если бы они могли быть разделенными случаем, снова растворились бы вместе и снова образовали бы рацемат.

Также Пастеру посчастливилось выбрать одно из немногих веществ, которое самораспадается в кристаллическую форму. И даже это вещество обладает этим свойством только при температуре ниже 23°C, так что повезло, что лаборатории в 19 веке не очень хорошо обогревались!

Удачное затравливание

Некоторые теоретики предположили, что удачное затравливание раствора, перенасыщенного гомохиральным кристаллом, кристализировало бы такой же энантиомер. Однако, «первичный суп», если он существовал, был бы чрезвычайно разжиженным и сильно загрязненным, как было отмечено многими исследователями. Также, ничего нельзя было бы сделать с растущим гомохиральным кристаллом, так как он был бы погружен в раствор из оставшегося неверного энантиомера. Концентрирование раствора кристализировало бы неверный энантиомер. Разбавление раствора растворило бы кристалл, так что предполагаемый процесс должен был бы начаться сначала.

Гомохиральный шаблон

Некоторые исследователи предложили, что гомохиральный полимер возник случайно и послужил шаблоном. Однако это предположение сталкивается с серьезными проблемами. Шаблон из 100% правой полицитидиловой кислоты (РНК, содержащая только мономеры цитозина) был синтезирован (разумными химиками!). Это могло направлять олигомеризацию (формирование маленьких цепей) из (активированного) G (гуанина) нуклеотидов. Действительно, чистые правые G были олигомеризированы намного эффективнее, чем чистые левосторонние G. Но рацемические G не олегомеризиловались, потому что:

«мономеры противоположной хиральности инкорпорируются в шаблон как ограничители цепочки… Это подавление представляет собой серьезную проблему для многих теорий происхождения жизни»

т-РНК выбирали правильные энантиомеры

Одна из попыток решения проблемы хиральности была предпринята Расселом Дуллитлом, профессором биохимии в Университете Калифорнии в Сан Диего. Он утверждал: «С самого начала их [т-РНК синтазы] существования, они, вероятно, связывали только L-аминокислоты» Он никогда не объясняет, как такие сложные энзимы могли функционировать, если сами не были гомохиральными, или как они оперировали до того, как РНК было составлено из гомохиральной рибозы. "Решение" Дуллитла - не более чем отмашка от проблемы. Оно едва ли достойно опровержения, если бы не тот факт, что оно появилось в известной антикреационной книге, что говорит кое-что о качестве их редактирования или о качестве антикреационных аргументов.

Кажется, Дуллитл пытался объяснить его предыдущие телевизионные дебаты на тему сотворение/эволюция с биохимиком Дуэйном Гишом, которые состоялись в присутствии 5000 человек в Университете Либерти 13 Октября 1981. Проэволюционный журнал Science описал дебаты как "разгром" в пользу Гиша. На следующий день проэволюционная Washington Post сообщала о дебатах под заголовком "Наука проиграла один ноль Креационизму". Статья цитировала высказывание Дуллитла "Как я встречу мою жену?", что говорит о том, что Дуллитл сам знал, что проиграл.

Магнитные поля

Несколько немецких химиков под руководством Эдхарда Брэмайера из Института Органической Химии и Биохимии в Бонне заявили о том, что очень сильное магнитное поле (1.2–2.1 T) произвело 98% гомохиральные продукты из ахиральных реактивов. Это дало возможность химикам, как, например, Филипп Косиенски, из Университета Саутгемптона, спекулировать о том, что магнитное поле Земли могло вызвать гомохиральность жизни. Хотя магнитное поле Земли почти в 10 000 раз слабее того, которое было использовано в эксперименте, Косиенски предположил, что огромные промежутки времени привели бы к гомохиральности, которую мы видим сегодня. Он, вероятно, забыл о реверсиях палеомагнетного поля!

Другие химики, как Тони Баррет из Лондонского Империал Колледжа, посчитали, что немецкий эксперимент "кажется слишком хорошим, чтобы быть правдой". Эта осторожность оправдалась около шести недель назад. Никто более не смог воспроизвести результаты немецкой команды. Оказывается, что один исследователь из команды, Гуйдо Задель, на чьей диссертации основывалась работа, смешал реагенты с гомохиральной добавкой.

[Магнетохиральный дихроизм - post script]

Вывод

Учебник, цитируемый ранее, говорит:

«Мы едим оптически активные хлеб и мясо, живем в домах, носим одежду и читаем книги, сделанные из оптически активной целлюлозы. Протеины, составляющие наши мускулы, гликоген в нашей печени и крови, энзимы и гормоны … все оптически активные. Естественные вещества – оптически активные, так как энзимы, их образующие, … оптически активные. Что касается происхождения оптически активных энзимов, то мы можем всего лишь спекулировать»

Если мы можем только "спекулировать" о происхождении жизни, почему столько людей говорят, что эволюция это "факт"? Повторяйте сплетню достаточно часто и люди проглотят ее.

Ссылки и примечания