Молекулите, които имат еднаква химична структура, могат да се различават по пространствена структура, т.е. съществуват под формата на пространствени изомери - стереоизомери.
Пространствената структура на молекулите е относителното разположение на атомите и атомните групи в триизмерното пространство.
Стереоизомери- съединения, в чиито молекули има една и съща последователност от химични връзки на атоми, но различно разположение на тези атоми един спрямо друг в пространството.
На свой ред стереоизомерите могат да бъдат конфигурацияИ конформационни изомери, т.е., се различават съответно по конфигурация и конформация .
Конфигурация- това е редът на подреждане на атомите в пространството, без да се вземат предвид разликите, произтичащи от въртенето около единичните връзки.
Конфигурационните изомери могат да се трансформират един в друг чрез разкъсване на някои и образуване на други химични връзки и могат да съществуват отделно под формата на отделни съединения. Те се делят на два основни вида - енантиомери и диастереомери .
Енантиомери- стереоизомери, свързани един с друг, като обект и несъвместим огледален образ.
Те могат да съществуват само като енантиомери хираленмолекули.
Хиралност- това е свойството на един обект да бъде несъвместим с огледалния си образ. Хирал (от гръцки. чеир- ръка), или асиметрични, обекти са лявата и дясната ръка, както и ръкавици, ботуши и др. Тези сдвоени обекти представляват обект и неговия огледален образ (фиг. 8, а). Такива елементи не могат да бъдат напълно комбинирани един с друг.
В същото време около нас има много обекти, които са съвместими с огледалния си образ, т.е. те са ахирални (симетрични), например чинии, лъжици, чаши и т.н. Ахиралните обекти имат поне една равнина на симетрия , който разделя обекта на две огледално идентични части (виж фиг. 8, b).
Подобни връзки се наблюдават и в света на молекулите, т.е. молекулите се делят на хирални и ахирални. Ахиралните молекули имат равнини на симетрия; хиралните молекули нямат.
Хиралните молекули имат един или повече хирални центрове. В органичните съединения асиметричният въглероден атом най-често действа като център на хиралност .
Ориз. 8.Отражение в огледало на хирален обект (а) и равнина на симетрия, пресичаща ахирален обект (б)
Асиметричен въглероден атом е този, който е свързан с четири различни атома или групи.
Когато се изобразява стереохимичната формула на молекула, символът "C" за асиметричния въглероден атом обикновено се пропуска.
За да се определи дали една молекула е хирална или ахирална, не е необходимо да се изобразява със стереохимична формула, достатъчно е внимателно да се разгледат всички въглеродни атоми в нея. Ако има поне един въглероден атом с четири различни заместителя, тогава този въглероден атом е асиметричен и молекулата, с редки изключения, е хирална. Така от двата алкохола - пропанол-2 и бутанол-2 - първият е ахирален (две СН 3 групи при С-2 атома), а вторият е хирален, тъй като в неговата молекула при С-2 атома и четирите заместителите са различни (Н, ОН, СН3 и С2Н5). Асиметричният въглероден атом понякога се отбелязва със звездичка (C*).
Следователно, молекулата на 2-бутанола е способна да съществува като двойка енантиомери, които не са съвместими в пространството (фиг. 9).
Ориз. 9.Енантиомерите на хиралните молекули на бутанол-2 не са съвместими
Свойства на енантиомерите.Енантиомерите имат еднакви химични и физични свойства (точки на топене и кипене, плътност, разтворимост и др.), но проявяват различна оптична активност, т.е. д. способността да се отклонява равнината на поляризирана светлина.
Когато такава светлина преминава през разтвор на един от енантиомерите, поляризационната равнина се отклонява наляво, а другата надясно със същия ъгъл α. Стойността на ъгъла α, приведена към стандартни условия, е константа на оптически активното вещество и се нарича специфично въртене[α]. Лявото въртене се обозначава със знак минус (-), дясното въртене със знак плюс (+), а енантиомерите се наричат съответно ляво и дясно.
Други имена на енантиомери са свързани с проявата на оптична активност - оптични изомери или оптични антиподи.
Всяко хирално съединение може да има и трета, оптически неактивна форма - рацемат. За кристалните вещества обикновено не е просто механична смес от кристали на два енантиомера, а нова молекулна структура, образувана от енантиомерите. Рацематите са оптически неактивни, тъй като лявото въртене на един енантиомер се компенсира от дясното въртене на равно количество от другия. В този случай знак плюс или минус (?) понякога се поставя преди името на съединението.
Хирална чистота на живите същества.Във въпроса за произхода на живота един от мистериозните остава фактът на наличието на абсолютна хирална чистота (от гръцки cheir - ръка): в живите същества съдържанието само на "леви" аминокиселини в протеиновите молекули , и "десни" захари в нуклеиновите киселини. Такова явление може да възникне само в резултат на загуба на първична огледална симетрия в предбиологичната среда (еднакво съдържание на десни и леви изомери на аминокиселини и захари). Неживата природа има склонност към установяване на огледална симетрия (рацемация).
Експерименти през последните години показаха, че само в хирално чисти разтвори може да възникне биологично значимо удължаване на полинуклеотидната верига и процес на самовъзпроизвеждане. Рацемичният полинуклеотид не може да се репликира, тъй като неговите бази са насочени в различни посоки и няма спирална организация. Живите системи са организирани по такъв начин, че тРНК от десни захари прикрепват само леви аминокиселини. Следователно възникването на живот очевидно е било изключено до разрушаването на огледалната симетрия на предбиологичната среда (В. Голдански, Л. Морозов) и появата на самовъзпроизвеждащи се системи. Всички живи организми поддържат своята хирална чистота и еволюцията не им е предоставила средствата да живеят в рацемична среда.
Появата на генетичния код.Аминокиселините и нуклеотидите в разтвора са произволно свързани помежду си с помощта на пептидни (за аминокиселини) или фосфодиестерни (за нуклеотиди) връзки в линейни структури - големи полимери. Така се образуват полипептиди (протеини) и полинуклеотиди (рибонуклеинови и дезоксирибонуклеинови киселини). След като се образува полимер, той ще стимулира образуването на други полимери. След това полинуклеотидите стават матрица за реакцията на полимеризация и по този начин определят последователността на нуклеотидите в новите полинуклеотиди. Например, полимер, състоящ се от нуклеотиди на полиуредилова киселина (поли U), се оказва матрица за синтеза на полимер, състоящ се от нуклеотиди на полиаденилова киселина (поли А) в резултат на комплементарно свързване на съответните субединици. Новата молекула се оказва копие на оригиналната матрица. Според Д. Уотсън механизмът на комплементарно матрично копиране е „елегантен и прост“.
Не е съвсем ясно защо точно урацил, аденин, цитозин и гуанин се оказаха онези букви от генетичната азбука, които могат да кодират информация за всички живи същества. Може би това е чиста случайност и може да има други на мястото на тези четири нуклеотида. Молекулата на РНК също има химическа индивидуалност - последователността от нуклеотиди определя естеството на нагъване (конформация) на молекулата в разтвор, а триизмерните завои на макромолекулата са различни за всяка нуклеотидна последователност.
Молекулата на РНК е едноверижна, докато молекулата на ДНК има две вериги. Двуверижната структура е в състояние да поправи (коригира) увреждане на една от нишките и следователно ДНК е по-надежден инструмент за съхраняване и предаване на генетична информация.По време на милиони години предбиологична еволюция тази способност на ДНК е забелязана от селекция. Когато се появи достатъчно сложна система, ДНК придоби свойството да съхранява информация, протеините станаха катализатори на реакциите, а РНК запази функцията на посредник между ДНК и протеините.
Възможността за запазване и предаване на информация чрез матричния принцип на редупликация доведе до възможността за създаване на генотип и генетичен код; уникалната пространствена структура на молекулата (аналог на фенотипа) определи възможността за естествен подбор на най-подходящите макромолекули за конкретна ситуация.
Природата „намери“ механизма на генетичния код, опитвайки невероятен брой различни комбинации в продължение на поне един милиард години. Без такъв механизъм, който позволява съхраняване на информация и в същото време (в резултат на неизбежни грешки при копиране - мутации) получаване на материал за нейната промяна, животът никога не би възникнал във формата, в която е представен на Земята.
Всичко по-горе не е нищо повече от правдоподобни хипотези за възможни начини за възникване на живота и тук можем да очакваме нови интересни открития. Така през последните години беше показано, че отдавна известни бактерии, които живеят в горещи извори, на дъното на океаните, в стомасите на някои преживни животни, абсорбирайки въглероден диоксид, водород и отделяйки метан (метанобразуващи бактерии), са запази много от характеристиките на протобионтите.
Все още има много неясни неща относно произхода на живота на Земята. Дали животът е донесен на Земята или се е зародил тук? Откритие в края на 20 век. следи от изкопаеми прокариоти (очевидно цианобактерии) в метеорити съживиха интереса към хипотезата за панспермията, изложена в края на 19 век. S. Arrhenius и подкрепен от V.I. Вернадски (той смята живота за „вечно явление“), а в наше време от известния микробиолог Г.А. Заварзин. Въпреки това, като се има предвид, че все повече факти и изчисления показват, че цялата ни Вселена се е образувала в резултат на „Големия взрив“ преди 12–20 милиарда години, хипотезата за панспермията не решава проблема за произхода на живота, а само прехвърля мястото на произхода му от Земята до друго космическо тяло и леко забавя появата на живот.
Друга неразгадана мистерия в областта на произхода на живота на Земята е образно формулирана от Н.Н. Воронцов: „Изглежда, че буквално веднага след охлаждането на земната кора на нашата планета е възникнал живот. Сякаш трябва само да поднесете кибрит на планетата, за да пламне пламъкът на живота върху нея!“. Важен беше не само чисто химическият, но и екологичният аспект на появата на живите същества. Животът веднага трябваше да съществува под формата на екосистеми. Неизбежното увеличаване на биоразнообразието (в продължение на стотици милиони години - „микробно“) трябваше да доведе до увеличаване на стабилността на такива примитивни екосистеми, бързо увеличаване на тяхната биопродуктивност и биомаса на планетата. Веднъж възникнал (независимо как), животът би трябвало (в геоложки времеви мащаб - моментално) да е покрил цялата планета.
Разбира се, има (и винаги ще има) много въпроси относно произхода на живота. Дали биологичният метаболизъм протича през коацерватно състояние или първоначално възниква генетичният код? Защо някои редки елементи в земната кора (молибден, магнезий) започнаха да играят по-голяма роля в биологичния метаболизъм от обикновените елементи (силиций, калций)? Има много подобни въпроси, те чакат обяснение. Но възможността за възникване на живот от неорганични вещества чрез действието на физическите фактори на околната среда и действието на предбиологичния подбор остава научно надеждна. Възможността за все по-сложни взаимодействия между елементарни частици и молекули, водещи до появата на самообучаващи се макромолекули, е научно доказана.
Как се проявява асиметрията в живата природа? Какви специфични характеристики има хиралността в протеините и нуклеиновите киселини? Защо хиралността показва, че животът е започнал само веднъж? На тези и други въпроси отговаря докторът на физико-математическите науки Максим Франк-Каменецки.
Една от забележителните характеристики на живота, какъвто го познаваме, и живите молекули, които изолираме от живите организми, е тяхната асиметрия. Какво имаме предвид? „Асиметрия“ е много двусмислена дума, така че е необходимо пояснение. Говорим за асиметрия по отношение на дясно и ляво. Всяка наша длан е асиметрична. Ако ги сгънем, ще видим, че едната длан е огледален образ на другата. Едното наричаме дясно, другото - ляво. Ако поставим лявата си длан на огледалото, тогава в огледалото ще получим неговия огледален образ, който ще бъде идентичен с дясната ни длан. Те могат да бъдат напълно комбинирани - отражението на лявата длан в огледалото и дясната длан.
Това свойство на асиметрия се нарича хиралност от дланта, защото гръцката дума χείρ означава "длан". Оттук се заражда едно от присъщите на нашето общество шарлатанство – хиропрактиката, гадаенето на съдба или болест по дланите на ръцете. Но думата „хиралност“ влезе в науката. Когато кажем "хиралност", веднага става ясно за каква асиметрия говорим - асиметрия по отношение на огледалното отражение.
Човешкото тяло е асиметрично, въпреки че това не е очевидно веднага. Ако застанем в симетрична поза, ще изглежда, че имаме равнина на симетрия и ако се отразим в тази равнина, тогава нищо няма да се промени. Но това е външно впечатление. Знаем, че вътрешните ни органи не са такива, знаем, че сърцето ни е изместено наляво, така че такова отражение няма да доведе до същия резултат.
Тази асиметрия на нашето тяло се заражда на най-дълбокото молекулярно-атомно ниво – от асиметричния въглероден атом. Въглеродът е четиривалентен и в една от двете си най-често срещани форми е тетраедричен. Какво означава? Това означава, че въглеродният атом е разположен в средата на правилен тетраедър. Тетраедърът е фигура, която има четири върха. И въглеродът е разположен в центъра, така че разстоянието до четирите върха е еднакво, а връзките на въглерода с групите, разположени във върховете, са химични връзки, има четири от тях, така че въглеродът е четиривалентен.
Ако всички групи, които са във върховете, са различни, тогава въглеродът ще бъде хирален или асиметричен и неговото отражение в огледалото не може да се комбинира със самия себе си. Ако поне две от групите са еднакви, тогава въглеродът престава да бъде хирален; той се нарича ахирален или симетричен. Това свойство на въглерода е изключително важно за разбирането на биологичните молекули и биологичната асиметрия.
Двата основни химични компонента на клетката са протеини и нуклеинови киселини (ДНК и РНК). Протеините са изградени от аминокиселини, докато ДНК и РНК са изградени от нуклеотиди. Аминокиселините са много прости съединения, те се състоят от три групи: аминогрупата NH2, след това има въглерод, който се свързва с тази група и се свързва с третата група - карбоксилната група COOH. В средата на аминокиселината, този основен въглерод, освен две връзки - с аминогрупата и карбоксилната група - винаги има и водород. И четвъртата връзка отива към групата, която определя индивидуалността на аминокиселината.
Има точно двадесет такива групи в каноничните или биологични аминокиселини, които изграждат протеините.
Точно двадесет различни аминокиселини са част от протеините. В най-простия от тях, четвъртата група, за която говорихме, също е водород, така че тази аминокиселина се нарича глицин и е ахирална. Това обикновено е единствената ахирална аминокиселина. Всички останали деветнадесет са хирални, защото тяхната четвърта група е различна от другите три. Следователно всички аминокиселини с изключение на глицина са асиметрични.
Ако синтезираме която и да е хирална аминокиселина химически, винаги ще получаваме смес от същия брой молекули, които ще имат една хиралност и противоположната хиралност - ще имаме половината молекули от същия тип и половината молекули ще бъдат огледало изображение от първото полувреме. И винаги ще е така, ако синтезираме чисто химически.
Ако разделим протеините на отделни аминокиселини и видим какво ще получим, ще получим само един вид аминокиселина. Вторият тип изобщо няма да видим. Всички аминокиселини във всички живи организми имат една и съща хиралност, това е само един от двата възможни стереоизомера - двата различни вида, различни като нашите две длани, се наричат стереоизомери. Има само един стереоизомер. Нарича се ляво. Това е конвенция. Важно е да е сам. Това е общо свойство на всички живи организми – всички аминокиселини са само от един вид.
Това забележително свойство на живите същества, неговата асиметрия, е открито за първи път от великия френски учен от 19 век Луи Пастьор, един от гигантите в историята на науката. С него започва съвременната микробиология, с него започва съвременната имунология и той пръв убедително показва веднъж завинаги, че от неживата материя не могат да възникнат живи същества, опровергава вековния предразсъдък, че от неживата материя може да възникне живот. И той показа, че живите молекули, молекулите от живите организми, имат асиметрия.
Същата асиметрия по отношение на дясно и ляво е присъща не само на аминокиселините, но и на нуклеотидите, които образуват ДНК и РНК. Нуклеотидите също са изградени от три елемента, но тези елементи са фосфатна група, захар и азотна основа. Фосфатната група и азотната основа са ахирални, те са симетрични, но захарта е асиметрична. Захарта винаги има поне два въглерода, които са ахирални, и следователно захарта е ахирална. И точно както при аминокиселините, всички захари в естествената ДНК и РНК имат една и съща хиралност. В случая се наричат десни - това пак е условност.
Поради тази хиралност на ниво захар, хиралността възниква на ниво структура на ДНК. ДНК е права. Когато говорим за дясна спирала, имаме предвид, че това е спираловидна линия, която е усукана по същия начин като винтовете, които използваме. Когато завинтим един винт, той е с дясна резба, тоест когато отдалечим пръста си от нас, той отива по посока на часовниковата стрелка, надясно, затова се нарича дясна резба. Точно същата дясна спирала е двойната спирала на ДНК. И това е проява на факта, че само една от възможните захари, стереоизомерите на захарта, е присъща на биологията, присъща на природата.
Това е абсолютно невероятно нещо, то свидетелства - имаме и други доказателства - това. Защото, ако синтезираме химически тези съединения, винаги получаваме смес. Фактът, че виждаме само един стереоизомер във всички прояви на живота, където и да погледнем, означава, че всички тези прояви на живот са свързани, т.е. всички те са започнали от един прародител, който е дал началото на цялото многообразие на живота, което познаваме . Следователно нямаме живот с друга хиралност - само с една.
Хиралността е несъвместимостта на обект с неговия огледален образ чрез каквато и да е комбинация от ротации и транслации в триизмерното пространство. Говорим само за идеално плоско огледало. При него десничарят се превръща в левичар и обратно.
Хиралността е характерна за растенията и животните, а самият термин идва от гръцки. χείρ - ръка.
При кръстоносците има дясна и лява черупка и дори десен и ляв клюн (фиг. 1).
„Огледалността“ също е често срещана в неживата природа (Фиг. 2).
Ориз. 2. Снимка от scienceblogs.com (“Trinity option” № 24(218), 12/06/2016)" border="0">
Напоследък станаха модерни „хиралните“ часовници, т.е. огледалните часовници (обърнете внимание на надписа на циферблата) (фиг. 3).
И дори в лингвистиката има място за хиралност! Това са палиндроми: думи и изречения, които са инвертирани, например: ЩЕ УДАРЯ ЧИЧОТО, ЛЕЛЯ ЩАСТЛИВО, ЩЕ УДАРЯ ЛЕЛЯ, ЧИЧО ЩАСТЛИВО или ЛЕНСЪН Е КОНТЕЙНЕР ЗА БОА, НО ПО дяволите НЕ ТИ Е ЯЛ НОСА!
Хиралността е много важна за химиците и фармацевтите. Химията се занимава с обекти в наномащаб (модерната дума „нано“ идва от гръцки. νάννος - джудже). На хиралността в химията е посветена монография, на корицата на която (на снимката) на дясно) - хирални колони и две хирални хексагелиценови молекули (от спирала- спирала).
А значението на хиралността за медицината е символизирано от корицата на юнския брой на американско списание Вестник за химическо образованиеза 1996 г. (фиг. 4). Структурната формула на пенициламин е изобразена отстрани на добродушно куче, махащо с опашка. Кучето се поглежда в огледалото и оттам го гледа страшен звяр с оголена зъбеста уста, горящи от огън очи и настръхнала коса. От страната на звяра е изобразена същата структурна формула като огледален образ на първата. Заглавието на статията за хиралните лекарства, публикувана в този брой, беше не по-малко красноречиво: „Когато молекулите на лекарството се погледнат в огледалото“. Защо "огледалното отражение" променя външния вид на една молекула толкова драматично? И как разбрахте, че две молекули са „огледални антиподи“?
Поляризация на светлината и оптична активност
От времето на Нютон в науката се води дебат дали светлината е вълни или частици. Нютон вярва, че светлината се състои от частици с два полюса - "север" и "юг". Френският физик Етиен Луи Малус въвежда концепцията за поляризирана светлина с една посока на „полюсите“. Теорията на Малус не беше потвърдена, но името остана.
През 1816 г. френският физик Августин Жан Френел изрази необичайната за онова време идея, че светлинните вълни са напречни, като вълните на повърхността на водата.
Френел също обяснява феномена на поляризацията на светлината: при обикновената светлина вибрациите възникват хаотично във всички посоки, перпендикулярни на посоката на лъча. Но след като премине през някои кристали, като исландски шпат или турмалин, светлината придобива специални свойства: вълните в нея вибрират само в една равнина. Образно казано, лъч от такава светлина е като вълнен конец, който се издърпва през тесен процеп между две остри бръснарски ножчета. Ако втори кристал от същия тип се постави перпендикулярно на първия, поляризираната светлина няма да премине през него.
Можете да различите обикновената светлина от поляризираната с помощта на оптични инструменти - поляриметри; Те се използват например от фотографи: поляризационните филтри помагат да се отървете от отблясъците в снимката, които се появяват, когато светлината се отразява от повърхността на водата.
Оказа се, че когато поляризираната светлина преминава през някои вещества, равнината на поляризация се върти. Това явление е открито за първи път през 1811 г. от френския физик Франсоа Доминик Араго в кварцови кристали. Това се дължи на структурата на кристала. Естествените кварцови кристали са асиметрични и биват два вида, които се различават по формата си, подобно на обект от огледалния му образ (фиг. 5). Тези кристали въртят равнината на поляризация на светлината в противоположни посоки; те се наричаха дясна и лява ръка.
През 1815 г. френският физик Жан Батист Био и немският физик Томас Йохан Зеебек откриват, че някои органични вещества, като захар и терпентин, също имат способността да въртят равнината на поляризация не само в кристални, но и в течни, разтворени и дори газообразни състояния. Оказа се, че всеки „цветен лъч“ бяла светлина се върти под различен ъгъл. Равнината на поляризация се върти най-много за виолетовите лъчи, най-малко за червените лъчи. Следователно безцветно вещество може да се оцвети в поляризирана светлина.
Както при кристалите, някои химични съединения могат да съществуват както в декстро-, така и в лява разновидност. Остава обаче неясно с какво свойство на молекулите е свързано това явление: и най-задълбоченият химичен анализ не може да открие никакви разлики между тях! Тези видове вещества бяха наречени оптични изомери, а самите съединения бяха наречени оптично активни. Оказа се, че оптически активните вещества имат и трети вид изомери – оптически неактивни. Това е открито през 1830 г. от известния шведски химик Йонс Якоб Берцелиус: гроздовата киселина C 4 H 6 O 6 е оптически неактивна, а винената киселина с абсолютно същия състав има право въртене в разтвора. Но никой не знаеше дали неестествено срещащата се „лява“ винена киселина, антиподът на дясновъртящата киселина, съществува.
Откритието на Пастьор
Физиците свързват оптичната активност на кристалите с тяхната асиметрия; напълно симетричните кристали, като кубичните кристали на трапезната сол, са оптически неактивни. Причината за оптичната активност на молекулите остава напълно мистериозна дълго време. Първото откритие, което хвърля светлина върху този феномен, е направено през 1848 г. от неизвестния тогава френски учен Луи Пастьор. Още като студент се увлича по химия и кристалография, като работи под ръководството на гореспоменатия Жан Батист Био и видния френски органичен химик Жан Батист Дюма. След като завършва Ecole Normale Supérieure в Париж, младият (едва 26-годишен) Пастьор работи като лаборант при Антоан Балар. Балар вече беше известен химик, който 22 години по-рано стана известен с откриването на нов елемент - бром. Той даде на асистента си тема за кристалографията, без да очаква, че ще доведе до изключително откритие.
По време на изследването Пастьор приготвя разтвор на натриева амониева сол на оптически неактивна гроздова киселина и чрез бавно изпаряване на водата получава красиви призматични кристали от тази сол. Тези кристали, за разлика от кристалите на гроздовата киселина, се оказаха асиметрични. Някои от кристалите имаха едно характерно лице отдясно, а други отляво, като по форма двата вида кристали бяха като огледален образ един на друг.
Имаше равен брой от двата кристала. Знаейки, че в такива случаи кварцовите кристали се въртят в различни посоки, Пастьор решава да провери дали това явление ще се наблюдава и върху солта, която получава. Въоръжен с лупа и пинсети, Пастьор внимателно разделя кристалите на две купчини. Техните решения, както може да се очаква, имаха противоположно оптично въртене и сместа от разтвори беше оптически неактивна (дясната и лявата поляризация бяха взаимно компенсирани). Пастьор не спира дотук. От всеки от двата разтвора, използвайки силна сярна киселина, той измества по-слаба органична киселина. Може да се предположи, че и в двата случая ще се получи оригиналната гроздова киселина, която е оптически неактивна. Оказа се обаче, че от един разтвор не се е образувала гроздова киселина, а добре познатата дясновъртяща винена киселина, а от друг разтвор също се получава винена киселина, но въртяща се наляво! Тези киселини се наричат д- вино (от лат. декстър- надясно) и аз-вино (от лат. laevus- наляво). Впоследствие посоката на оптично въртене започва да се обозначава със знаци (+) и (–), а абсолютната конфигурация на молекулата в пространството - с букви РИ С. И така, неактивната гроздова киселина се оказа смес от равни количества от известната „дясна“ винена киселина и неизвестната досега „лява“. Ето защо еднаква смес от техните молекули в кристал или в разтвор не притежава оптична активност. За такава смес започва да се използва името "рацемат" от лат. racemus- гроздов. Два антипода, които при смесване в равни количества дават оптически неактивна смес, се наричат енантиомери (от гръцки. έναντίος - обратното).
Осъзнавайки значението на своя експеримент, Пастьор изтича от лабораторията и, срещайки лаборант в кабинета по физика, се втурна към него и възкликна: „Току-що направих голямо откритие!“ Между другото, Пастьор имаше голям късмет с веществото: по-късно химиците откриха само няколко подобни случая на кристализация при определена температура на смес от оптически различни кристали, достатъчно големи, за да могат да бъдат разделени под лупа с пинсети.
Пастьор открива още два метода за разделяне на рацемата на два антипода. Биохимичният метод се основава на селективната способност на някои микроорганизми да усвояват само един от изомерите. По време на посещение в Германия един от фармацевтите му подарява дългогодишна бутилка гроздова киселина, в която е поникнала зелена плесен. В лабораторията си Пастьор открива, че някога неактивната киселина става лявовъртяща. Оказа се зелена плесен Penicillum glaucum"изяжда" само десния изомер, оставяйки левия непроменен. Тази плесен има същия ефект върху рацемата на бадемовата киселина, само че в този случай тя "изяжда" лявовъртящия изомер, без да докосва дясновъртящия изомер.
Третият метод за разделяне на рацемати е чисто химичен. За него беше необходимо да има оптически активно вещество, което при взаимодействие с рацемична смес да се свързва по различен начин с всеки от енантиомерите. В резултат на това двете вещества в сместа няма да бъдат антиподи (енантиомери) и могат да бъдат разделени като две различни вещества. Това може да се обясни с такъв модел на самолет. Да вземем смес от два антипода – I и R. Химичните им свойства са еднакви. Нека добавим несиметричен (хирален) компонент към сместа, например Z, който може да реагира с всяко място в тези енантиомери. Получаваме две вещества: РЗ и ZR (или ЖZ и RZ). Тези структури не са огледално симетрични, следователно такива вещества ще се различават чисто физически (точка на топене, разтворимост и т.н.) и могат да бъдат разделени.
Пастьор прави много повече открития, включително ваксинации срещу антракс и бяс, и въвежда асептични и антисептични методи.
Изследванията на Пастьор, които доказаха възможността за "разцепване" на оптично неактивно съединение на антиподи - енантиомери, първоначално предизвикаха недоверие сред много химици, но, както и последващата му работа, привлече най-голямото внимание на учените. Скоро френският химик Джоузеф Ашил Льо Бел, използвайки третия метод на Пастьор, раздели няколко алкохола на оптически активни антиподи. Немският химик Йохан Вислиценус установява, че има две млечни киселини: оптически неактивна, образувана в кисело мляко (ферментационна млечна киселина) и дясновъртеща, която се появява в работещия мускул (млечна киселина). Имаше все повече и повече подобни примери и беше необходима теория, която да обясни как молекулите на антиподите се различават една от друга.
Теория на Вант Хоф
Тази теория е създадена от младия холандски учен Якоб Хендрик ван Хоф, който през 1901 г. получава първата в историята Нобелова награда за химия. Според неговата теория молекулите, подобно на кристалите, могат да бъдат хирални - „дясноориентирани“ и „левоориентирани“, като са огледален образ един на друг. Най-простият пример са молекули, които имат така наречения асиметричен въглероден атом, заобиколен от четири различни групи. Това може да се демонстрира чрез примера на най-простата аминокиселина аланин. Двете показани молекули не могат да бъдат комбинирани в пространството чрез никакво въртене (фиг. 6, отгоре).
Много учени не се довериха на теорията на Вант Хоф. А известният немски органичен химик, изключителен експериментатор, професор в университета в Лайпциг Адолф Колбе избухна с неприлично остра статия в Journal für praktische Chemieсъс злонамереното заглавие “Zeiche der Zeit” (“Знаци на времето”). Той сравнява теорията на Вант Хоф с "изметта на човешкия ум", с "кокота, облечена в модни дрехи и покриваща лицето си с бяло и руж, за да влезе в прилично общество, в което няма място за нея". Колбе написа, че " някой си д-р Вант Хоф, който заема длъжност във Ветеринарното училище в Утрехт, очевидно не харесва прецизните химически изследвания. Намираше за по-приятно да седне на Пегас (вероятно заимстван от ветеринарното училище) и да разкаже на света какво е видял от химическия Парнас... Истинските изследователи са изумени как почти неизвестни химици се заемат да преценяват толкова уверено най-висшия проблем на химията - въпросът за пространственото разположение на атомите, който може би никога няма да бъде решен... Този подход към научните въпроси не е далеч от вярата във вещици и духове. И такива химици трябва да бъдат изключени от редиците на истинските учени и включени в лагера на натурфилософите, много малко по-различни от спиритуалистите».
С течение на времето теорията на Вант Хоф получава пълно признание. Всеки химик знае, че ако една смес съдържа еднакъв брой "десни" и "леви" молекули, веществото като цяло ще бъде оптически неактивно. Именно тези вещества се получават в колбата в резултат на конвенционален химичен синтез. И само в живите организми, с участието на асиметрични агенти, като ензими, се образуват асиметрични съединения. Така в природата преобладават аминокиселини и захари само с една конфигурация и образуването на техните антиподи е потиснато. В някои случаи различни енантиомери могат да бъдат разграничени без никакво оборудване - когато взаимодействат по различен начин с асиметричните рецептори в нашето тяло. Ярък пример е аминокиселината левцин: нейният дясновъртящ изомер е сладък, а лявовъртящият изомер е горчив.
Разбира се, веднага възниква въпросът как на Земята са се появили първите оптически активни химични съединения, например същата естествена дясновъртяща винена киселина, или как са се появили „асиметрични“ микроорганизми, които се хранят само с един от енантиомерите. Наистина, в отсъствието на хора, нямаше кой да извърши насочения синтез на оптически активни вещества, нямаше кой да раздели кристалите на десни и леви! Подобни въпроси обаче се оказаха толкова сложни, че все още няма ясен отговор. Учените са съгласни само, че има асиметрични неорганични или физически агенти (асиметрични катализатори, поляризирана слънчева светлина, поляризирано магнитно поле), които биха могли да дадат първоначален тласък на асиметричния синтез на органични вещества. Подобно явление наблюдаваме в случай на асиметрия "материя - антиматерия", тъй като всички космически тела се състоят само от материя и селекцията е настъпила в най-ранните етапи от формирането на Вселената.
Хирални лекарства
Химиците често третират енантиомерите като едно съединение, тъй като техните химични свойства са идентични. Въпреки това, тяхната биологична активност може да бъде напълно различна. Човекът е хирално същество. И това се отнася не само за външния му вид. Лекарствата с „дясна“ и „лява ръка“, когато взаимодействат с хирални молекули в тялото, като ензими, могат да действат по различен начин. „Правилният“ наркотик пасва на своя рецептор като ключ към ключалка и предизвиква желаната биохимична реакция. Действието на „грешния“ антипод може да се оприличи на опит да стиснете лявата ръка на госта си с дясната си ръка. Необходимостта от оптически чисти енантиомери се обяснява и с факта, че често само един от тях има желания терапевтичен ефект, докато вторият антипод може в най-добрия случай да е безполезен, а в най-лошия да причини нежелани странични ефекти или дори да бъде токсичен. Това стана очевидно след сензационната трагична история с талидомид, лекарство, което се предписваше на бременни жени през 60-те години като ефективно сънотворно и успокоително средство. С течение на времето обаче неговите тератогенни странични ефекти (от гръцки. τέρας - чудовище) действие и много бебета са родени с вродени деформации. Едва в края на 80-те години става ясно, че само един от енантиомерите на талидомид, дясновъртящият енантиомер, е отговорен за нещастията и само лявовъртящият изомер е мощен транквилизатор (Фиг. 6, отдолу). За съжаление тази разлика в действието на дозираните форми не е била известна досега, така че продаваният талидомид е рацемична смес от двата антипода. Те се различават по взаимното разположение в пространството на два фрагмента от молекулата.
Още един пример. Пенициламинът, чиято структура е нарисувана върху кучето и вълка на корицата на списанието, е доста просто производно на аминокиселината цистеин. Това вещество се използва при остри и хронични отравяния с мед, живак, олово и други тежки метали, тъй като има способността да образува силни комплекси с йони на тези метали; получените комплекси се отстраняват от бъбреците. Пенициламин се използва и при различни форми на ревматоиден артрит, както и в редица други случаи. В този случай се използва само „лявата“ форма на лекарството, тъй като „дясната“ е токсична и може да доведе до слепота.
Също така се случва всеки енантиомер да има свой специфичен ефект. Да, левичар С-тироксинът (лекарството левотроид) е естествен хормон на щитовидната жлеза. Дясновъртяща се Р-тироксин (декстроид) понижава холестерола в кръвта. Някои производители измислят палиндромни търговски наименования за такива случаи, например darvon и novrad съответно за синтетичен наркотичен аналгетик и лекарство за кашлица.
В момента много лекарства се произвеждат под формата на оптически чисти съединения. Получават се по три метода: разделяне на рацемични смеси, модифициране на естествени оптически активни съединения и директен синтез. Последното също изисква хирални източници, тъй като всеки друг традиционен синтезен метод дава рацемат. Това, между другото, е една от причините за много високата цена на някои лекарства, тъй като целевият синтез само на едно от тях е трудна задача. Следователно не е изненадващо, че от многото синтетични хирални лекарства, произведени по целия свят, само малка част са оптически чисти, а останалите са рацемати.
За хиралността на молекулите вижте също:
Глава Произходът на хиралната чистота от книгата на Михаил Никитин
Наричат се молекули, които имат поне един въглероден атом, свързан с четири различни заместителя асиметриченили хирален. С други думи, това са молекули, които нямат нито център, нито равнина на симетрия.
Хиралност(старогръцки χειρ – ръка) – свойството на молекулата да не се съчетава в пространството със своя огледален образ. Терминът се основава на древногръцкото име за най-разпознаваемия хирален обект, ръката. Така лявата и дясната ръка са огледални образи, но не могат да се комбинират една с друга в пространството.
Сега трябва да се запознаем с концепцията за поляризирана светлина, тъй като това явление се използва за изучаване и описание на хирални молекули. Светлината става плоско поляризирана в резултат на обикновена светлина, преминаваща през поляризатор.
Ако равнинно поляризирана светлина премине през разтвор на хирална субстанция, равнината, в която възникват вибрациите, започва да се върти. Веществата, които причиняват такова въртене, се наричат оптически активен. Ъгълът на въртене се измерва с инструмент, наречен поляриметър (или анализатор).
Способността на веществото да върти равнината на поляризация на светлината се характеризира със специфично въртене. Специфична ротациясе определя като ъгъл на въртене на равнината на поляризация от разтвор, съдържащ 1 ml от 1 g оптично активно вещество с дължина на тръбата 0,1 m. Наблюдаваният ъгъл на въртене зависи от дължината на тръбата (колкото по-голяма е дължината , колкото по-голяма е ротацията) и върху концентрацията (обикновено колкото по-ниска е концентрацията, толкова по-малко е ротацията).
Ако поляризационната равнина се върти вдясно (по посока на часовниковата стрелка) от наблюдателя, връзката се нарича дясновъртеща, а конкретното въртене се записва със знак (+). При въртене наляво (обратно на часовниковата стрелка) ставата се нарича лявовъртяща, а конкретната ротация се изписва със знак (-).
Нека да видим как оптичната активност е свързана с молекулярната структура на веществото. По-долу е пространствено представяне на хирална молекула и нейното огледално изображение:
Оптични изомери (енантиомери)
На пръв поглед може да изглежда, че това са една и съща молекула, изобразена по различен начин. Но ако съберете модели на двете форми и се опитате да ги комбинирате така, че всички атоми да съвпадат един с друг, бързо ще видите, че това е невъзможно, т.е. ще се окаже, че молекулата е несъвместима с огледалния си образ.
По този начин две хирални молекули, свързани една с друга като обект и неговият огледален образ, не са идентични. Тези молекули (вещества) са изомери т.нар енантиомериили оптични изомери. Повечето химични и физични свойства на двойката енантиомери са идентични. Това се отнася до точки на кипене и топене, плътност, повърхностно напрежение, разтворимост, стабилност и реактивност с повечето реактиви.
Енантиомерите обаче се различават един от друг в две отношения.
1) Те действат по различен начин върху равнинно поляризирана светлина. Един енантиомер завърта равнината на поляризация на светлината в една посока с определена стойност. Другият енантиомер ще завърти равнината на поляризация с точно същата стойност, но в обратна посока.
2) Енантиомерите реагират по различен начин с други хирални молекули, по-специално с вещества от естествен произход, образувани в биологични обекти. Например, ако един от енантиомерите е токсичен, тогава другият може да няма това свойство. Ако един от енантиомерите е витамин, то вторият няма такива свойства. Тези различия в биохимичните свойства на енантиомерите се дължат на факта, че биохимичните процеси в живия организъм се катализират от ензими. Ензимите са хирални съединения с протеинова природа. За да бъде едно съединение биологично активно, неговата геометрия трябва да съответства на структурата на определен участък от ензима.
И така, нека обобщим:
Молекулите, които нямат елементи на симетрия, се наричат хирални. Тези молекули имат необичайно свойство - способността да въртят равнината на поляризация на плоскополяризираната светлина.
Изомерите, чиито молекули са хирални и са огледални изображения една на друга, се наричат енантиомери.
Енантиомерите имат еднакви физични и химични свойства и се различават само по посоката на въртене на равнината на поляризация на светлината и естеството на тяхното взаимодействие с други хирални вещества, като ензими.
