Оптическая изомерия

Атом углерода более всех других атомов способен к образо­ванию различных стереоизомеров, о которых пойдет речь в этом и двух последующих разделах. Большинство оптических изомеров возникает из-за того, что в молекуле вещества есть атом углерода, связанный простыми связями с четырьмя разны­ми атомами или группами атомов.

Четыре связи атома углерода, имеющего сферическую фор­му, направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого рас­положен сам атом углерода. Углы между связями равны 109°. У простой молекулы, образованной атомом углерода, соеди­ненным с четырьмя заместителями А, В, С и D, при сохранении порядка расположения заместителей все проекции равноценны. Так, формулой (12.5) представлен вариант, когда заместители В, С и D лежат в одной плоскости, а заместитель А находится над ней. Этот же тетраэдр можно повернуть так, что любой из заместителей (В, С или D) окажется нал плоскостью, в которой расположены три остальные. В формулах (12.5—12.7) представ­лены различные расположения тетраэдрической молекулы отно­сительно одной плоскости. Однако если поменять местами два заместителя [ср. формулы (12.5) и (12.8)], то получается дру­гое соединение, т. е. другой представитель хиральной пары. Рассмотрим этот вопрос подробнее на примере молочной кис­лоты (12.9).

Если к центральному атому углерода присоединены четыре разных атома или группы, как в молекуле молочной кислоты (12.9), то возможны два различных расположения этих заме­стителей в пространстве, а именно (12.10) и (12.11). Эти две структуры являются зеркальным отображением друг друга, как правая и левая рука. От греческого слова «кпеіг» произошло слово «хиральный», поэтому такая пара соединений называется хиральной или энантиомер (раньше применяли и такие назва­ния, как энантиоморфы или оптические антиподы).

Оба энантиомера обладают идентичными химическими свой­ствами. У них одинаковы и физические свойства, за исключени­ем одного: каждый вращает плоскость поляризации света на один и тот же угол в противоположные стороны. У всех хи­ральных молекул есть оптические изомеры. Оптически активные вещества избирательно абсорбируются на таких оптически ак­тивных поверхностях, как поверхность белковых молекул, и по­этому один и тот же биологический эффект двух оптических изомеров может быть выражен в разной степени.

При написании структурной формулы значительно проще изображать молекулу в плоскости, располагая в центре атом углерода и отходящие от него четыре связи к заместителям — в четырех углах тетраэдра. При такой записи изображением одного энантиомера молочной кислоты служит формула (12.10), а другого — формула (12.11). Клинообразное изобра­жение связи обозначает, что атом на утолщенном конце клина находится над плоскостью бумаги, а атомы на конце пунктир­ных линий — под плоскостью бумаги, на которой расположен центральный атом углерода. Плоское изображение (12.10) со­ответствует объемному изображению (12.6). В сложных молеку­лах или для ускорения записи клинышки в изображении связей можно заменить утолщенными линиями, как, например в (7.11), но пунктирные линии нельзя заменять тремя точками, так как последними обозначают водородные связи.

Часто при нагревании, а также под действием кислоты или щелочи один чистый энантиомер может превращаться в смесь, содержащую равное количество обоих энантиомеров; при этом оптическая активность пропадает. Такое явление называют ра­цемизацией. Разделение рацемической смеси оптических изоме­ров возможно с помощью оптически активных ионов с противо­положным (относительно энантиомеров) зарядом или фермен­тов, разрушающих лишь один энантиомер [Wilen, 1971; Wilen, Collet, Jacques, 1977]. Иногда удается разделить энантиомеры хроматографией на асимметрических носителях [Albert, Serje­ant, 1964].

По данным 1980 г. из 2000 наиболее широко применяемых лекарственных веществ около половины составляют хиральные соединения. Из синтетических препаратов в виде оптически ак­тивных энантиомеров применяют только 88. Из 550 пестицидов лишь 103 имеют хиральный центр.

Молекула с двумя различными асимметрическими атомами углерода существует в виде четырех энантиомеров, образую­щих две различные рацемические смеси. Энантиомеры из двух рацемических смесей не являются зеркальными отображениями друг друга и называются диастереомерами, например, четыре стереоизомера эфедрина (12.12) — (12.15) [Witcop, Foltz, 1957]. Хорошо видно, что, для того чтобы молекулы (12.12) и (12.13) стали зеркальным отражением друг друга, необходима более чем одна перестановка заместителей. В конце -раздела 12.3 приведен другой способ изображения диастереомеров (12.42).

12.1.1.