Определение абсолютной конфигурации

Со времен Био и Пастера любое соединение, вращающее плоскость поляризации света влево, обозначили знаком (—), а его энантиомер соответственно ( + ). Эту классификацию, от­ражающую только свойства, но не строение соединения, при­меняют и сейчас в тех случаях, когда неизвестна абсолют­ная конфигурация (строчные буквы lad вышли из употреб­

ления).

В 1906 г. М. Rosanoff предложил в качестве стандарта «аб­солютной конфигурации» ( + )-глицериновый альдегид, конфи­гурация асимметрического центра которого обозначалась ма­ленькой буквой D [Hudson, 1948]. Глицериновый альдегид был выбран как простейшее вещество со свойствами сахара. В то время он еще не был получен, его синтез и разделение на опти­ческие изомеры были осуществлены позднее Wohl и Momber (1917). Поскольку это вещество [НОСНгСН (ОН) СНО] образу­ется в организме при действии ферментов на глюкозу и фрукто­зу, оно стало «ключевым соединением» в химии углеводов. Все соединения, для которых путем химических переходов, не затра­гивающих хиральный атом, может быть установлена генетиче­ская связь с этим «ключом», относятся к D-ряду.

Именно так были установлены абсолютные конфигурации D-( + )-глюкозы в крови, D-(—)-фруктозы во фруктах и D-(—)-дезоксирибозы в ДНК.

Пространственная конфигурация, обозначенная буквой D, была приписана глицеральдегиду случайно, истинное же его строение оставалось неизвестным. Поэтому предпринимались неоднократные попытки его установления с помощью различ­ных физических методов. Не удалось решить этот вопрос и ме­тодом рентгенографии. С помощью последнего можно точно из­мерить длины всех связей и углы между ними, но оказалось, что для хиральных пар все эти величины одинаковы. И только в 1951 г. Bijvoet разработал новый метод для определения про­странственной конфигурации, впервые рентгенографически об­наружив разницу между двумя стереоизомерами.

Bijvoet применил метод задержки по фазе, возбуждая флуо­ресценцию одного атома около хирального центра пучком све­та с определенной длиной волны. Используя натриево-рубидие­вую соль винной кислоты, он показал, что приписываемая пра­вовращающей винной кислоте проекционная формула правиль­но отражает реальную конфигурацию. Так как химическими ме- годами уже была доказана ее принадлежность к D-ряду, то «абсолютная конфигурация», обозначаемая буквой D, действи­тельно оказалась абсолютной [Bijvoet, Peerdemar, Van Bommel, 1951].

Предложенный Bijvoet метод слишком трудоемок для рутин­ных исследований [Klyne, Buckingham, 1978; периодическое из­дание «Molecular Structure and Dimensions»]. Обычный рентге­ноструктурный анализ помогает установить конфигурацию со­единений с несколькими хиральными центрами при условии, что конфигурация первого центра уже известна.

Особенно важно было установить абсолютную конфигура­цию аминокислот белка. В 1950 г. D-( + )-глицериновый альде­гид в пять стадий был превращен в D-( + )-серин. Так было по­казано, что (—)-серин, выделенный из белков, является L-(—)-серином. После этого было уже нетрудно установить, что все аминокислоты, содержащиеся в белках, относятся к L-ряду, хотя некоторые из них (как аланин) вращают плоскость поля­ризации вправо [Brewster et al., 1950].

В действительности в природе обычно встречаются обе энан­тиоморфные формы одного вещества. Так, например, одинаково распространены ( + )- и (-—)-вращающие кварцы, ( + )- и (—)- молочные кислоты. Лишение бактерий как L, так и D-аланина приводит к их гибели (разд. 5.3), и хотя белок не может со­стоять из смеси L- и D-аминокислот, они часто присутствуют в полипептидах (разд. 14.3), облегчая их способность к цикли­зации. В коре хинного дерева образуются два энантиомера, из­вестные под названиями ( + )-хинидин и (—)-хинин (10.33), в которых вторичная гидроксильная группа присоединена к асимметрическому атому углерода. Оба изомера применяют в медицине: хинидин —при сердечных аритмиях, хинин — при малярии.

Для установления абсолютной конфигурации значительно менее надежен (чем химический или рентгеноструктурный) ме­тод дисперсии оптического вращения, в котором измеряется оп­тическое вращение вещества при разных длинах волн [Djerassi, 1960]. Он дает надежные результаты лишь для простых мо­лекул.

Для упрощения номенклатуры оптически активных молекул Cahn, Ongold, Prelog (1956) ввели «правило последова­тельности». Использование символов (R) и (S) позволяет избежать неоднозначностей, возникающих при использовании системы D, L, для соединений, не родственных углеводам и аминокислотам, и помогает систематизации стереохимической информации и построению молекулярных моделей. Эта система наиболее удобна, если в одной молекуле есть два или три хи­ральных атома. Упрощенный вариант этих правил см. в работе Cahn (1964).

Применяя правило последовательности к описанию конфигу­рации молекулы, следует начинать с хирального центра с наи­меньшим номером, определенным согласно правилам ИЮПАК. Его хиральность может быть взята из «Стереохимического ат­ласа» или определена одним из вышеописанных методов. Затем четыре атома, соединенные с асимметрическим атомом углеро­да, обозначаются символами а, Ь, с и d в порядке уменьшения их относительной атомной массы. Если два из них — атомы уг­лерода, то очередность устанавливается в зависимости от ато­мов, с которыми они связаны.

Правило последовательности в настоящее время общеприня­то и широко используется. Однако в некоторых случаях оно не удобно, например, когда в серии родственных соединений близкие по строению вещества получают различные индексы [Cahn, Dermer, 1979]. Например, большинство аминокислот, входящих в состав белков, в том числе и серин, имеют S-кон­фигурацию, однако цистеин, отличающийся от серина лишь за­меной атома О на атом S, имеет R-конфигурацию. Это отклоне­ние возникает из-за того, что предпочтение отдается атому серы, имеющему большую массу. Поэтому Kahn и Dermer ре­комендуют не пользоваться правилом последовательностей для углеводов аминокислот, стероидов, циклитолов и липидов, для которых уже существуют вполне приемлемые системы обозна­чения.

Вернемся к структурным формулам. Для изображения угле­водов используют три различных вида формул, из них самый старый — проекционные формулы Фишера для глюкозы (12.16). При таком изображении углеродная цепь располагается верти­кально, а альдегидная (полуацетальная) группа наверху. Предполагается, Что заместители в углеродной цепи лежат в плоскости бумаги. D-Конфигурацию приписывают энантиоме­ру, имеющему у асимметрических атомов углерода большее чис­ло старших заместителей справа.

Позднее Haworth предложил более соответствующий дей­ствительности способ изображения, например формула (12.17). В этом случае ацетальная группа расположена справа, а часть кольца, расположенная ближе к наблюдателю, изображена утолщенными линиями. Отчетливо видно, какие заместители располагаются над плоскостью кольца, а какие — под плоско­стью. Например, группа —СНгОН расположена над плос­костью, а атом водорода, присоединенный к тому же атому уг­лерода,— под плоскостью (атомы углерода кольца не обо­значаются). Однако из данных рентгеноструктурного анализа известно, что кольцо у гексоз не плоское, что изображается так, как это указано в формуле (12.18). Каждый способ изо­бражения используют в зависимости от обстоятельств.

В «Стереохимическом атласе» приведены абсолютные кон­фигурации (со ссылками на источники) примерно для 3000 ор­ганических соединений. Кроме оптических изомеров, туда включены вещества, хиральность которых связана с изотопным замещением, хиральными осями или плоскостями, а также со­единения, у которых хиральным атомом является не углерод [Klyne, Buckingham, 1978].

12.1.2.