Рацемати - хімічна енциклопедія

Рацемати. складаються з еквімол. кол-в енантіомерів і не володіють оптич. активністю "Існують у вигляді мовляв. з'єднань (справжні рацемати) і рацеміч. сумішей кристалічних. енантіомерів (конгломерату, т. е. простий суміші кристалів право- і левовращающего антиподів) або змішаних кристалів. утворених обома енантіомерами. Фіз. св-ва (т ра плавлення. щільність, р-рімость і ін.) справжніх рацематів відмінні від св-в індивідуальних енантіомерів. а їх ІК спектри і рентгенограми відрізняються від тих, к-які дають прості суміші цих же в-в. Освіта справжніх рацематів обумовлено водневими зв'язками. індукційним або ДІСП Сіон взаємодією. Характер зв'язку між енантему заходами в рацемати може бути визначений за допомогою діаграми залежності т-ри плавлення від складу: для справжніх рацематів (рис. I) вона має евтектіч. точки і максимум, відповідний співвідношенню енантіомерів 1: 1, т-ра плавлення м. б. як вище (лінія б), так і нижче (А) т-р плавлення енантіомерів; для конгломерату - різкий мінімум в точці еквівалентності (рис. 2); для змішаних кристалів діаграма м. б. опуклою (А), увігнутою (Б) або прямою лінією (рис. 3).

Освіта молекулярних соед. можливо також при змішуванні енантіомерний форм родинних соед. напр. (+) - хлорянтарной і (-) - бромянтарной к-т. Подібні раце-мич. соед. наз. квазірацематамі. Їх діаграми плавлення схожі з діаграмами справжніх рацематів, але обидві половини кривої стану вже не симетричні і максимум може і не відповідати енантіомерний складу 1: 1. Освіта квазірацематов використовують для визначення конфігурації молекул (метод квазірацематов). Метод полягає в тому, що за характером діаграми плавлення суміші двох в-в визначають, чи є вони енантіомерами чи ні, і, якщо конфігурація молекул одного з в-в відома, встановлюють конфігурацію молекул другого. Про освіту квазірацематов можна судити також по ІК спектрах і рентгенограммам, к-які, як і у справжніх рацематів, відмінні від спектрів і рентгенограм простих сумішей двох в-в.

Р ацемати утворюються при будь-якому хім. синтезі, що приводить до хіральних молекул. якщо вихідні компоненти р-ції були оптично неактивні і синтез проводився за відсутності асімметрізующіх впливів (хіральний каталізатор. опромінення циркулярно-поляризованим світлом і ін .; см. Асиметричний синтез). Це обумовлено тим, що перехідні стани при утворенні енантіомерів енергетично еквівалентні. При наявності асімметрізующіх факторів перехідні стани діастереомерних, їх енергія різна, тому можливе утворення переважно одного з двох енантіомерів кінцевого продукту.

Рацемізації. Рацемати утворюються також в результаті рацемизации оптично активних соед. представляє собою оборотне взаємне перетворення енантіомерів. За відсутності асімметрізующіх факторів цей процес закінчується встановленням динамічний. рівноваги між ними при строго еквімолярних змісті енантіомерів в суміші.

При рацемизации відбувається обмін місцями до.-л. двох атомів або радикалів, пов'язаних з елементом хиральности. Рацемізації - часто вже не мимовільний процес; вона викликається, напр. дією к-т, лугів. підвищенням т-ри.

Швидкість і механізм рацемизации залежать від будови оптично активних соед. і від умов її проведення (т-ри, р-розчинника, каталізатора і т.д.). Кінетично рацемізації зазвичай описується рівнянням для незворотною р-ції першого порядку:

де k-константа швидкості рацемизации. a 0 і a t-величина соотв. первонач. оптич. обертання і на час t. Залежно від природи елементів хіральності молекули Енан-тіомера рацемізації м. Б. або хімічної, або фізичної.

Хім. рацемізації наиб. характерна для сполуки. в молекулах яких брало хіральних центром є Асім. атом вуглецю. Відрив від нього одного із заступників призводить до утворення плоского карбкатиона і втрати хиральности. Послід. приєднання цього ж заступника відбувається равновероятно по обидва боки площини карбкатиона. що призводить до утворення рацематів. За ін. Механізму рацемізації протікає з промежут. освітою карбаніони. напр. в результаті відриву протона від асим. атома С. При тримаючи. рацемизации в результаті гомолітіч. розриву зв'язку асим. атома з одним із заступників утворюються радикали, к-які при рекомбінації дають рацемати.

Легкість протікання рацемизации залежить від типу функц. груп, пов'язаних з Асім. атомом С. Легко рацемізуются соед. містять в якості заступників при асим. центрі атом водню і сильний акцептор електронів. напр, молочна к-та СН3 -СНОН-СООН, дикетони R-СО -CHR'-COR. і т.д. У дикетонов хірал'ность зникає в результаті енолізаціі. У той же час соед. не схильні до утворення промежут. іонів або таутомерним перетворенням, напр. алкани. стійкі до рацемизации. Існують сполуки. к-які хоча і утворюють промежут. іони. що не була піддана рацемизации. внаслідок стеріч. особливостей структури їх молекул. Напр. у похідних камфори або тріптіцена, в молекулах яких брало асим. атом С знаходиться в вершині циклич. системи, приєднання протона до промежут. карбаніони можливо тільки з боку, протилежного циклич. системі:

Фіз. рацемізації наиб. легко простежити на прикладах таких родинних соед. як аміни. фосфіни. арсини. стибин 3R 1 R 2 R 3. Молекули цих соед. мають неподеленную пару електронів. і при наявності разл. заступників у гетероатома для них можлива оптич. ізомерія. Рацемізації знантіомерних форм цих соед. обумовлена ​​пірамідальної інверсією. У разі амінів внаслідок швидкої інверсії виділити оптич. ізомери зазвичай не вдається; аміни існують тільки у вигляді рацематів. Винятки - циклич. соед. (Підстави Трегера. Азиридин. Діазірідіни) і третинні аміни NR 1 R 2 R 3. містять в радикалах R елект-роотріцат. заступники. З ростом розміру гетероатома в ряду N <Р

Без до.-л. хім. р-ций відбувається рацемізації соед. з мовляв. асиметрією. Такі сполуки. рацемізуются в результаті взаємного переміщення (геліцени) або обертання (похідні дифеніл) окремих фрагментів їх молекул. Якщо енергетичних. бар'єр цих переміщень досить високий, соед. стійкі до рацемизации (похідні дифеніл з чотирма об'ємними заступниками в орто-положеннях або геліцени, що містять в молекулі більше шести конденсується. кілець), в разі ж малих енергетичних. бар'єрів рацемізації здійснюється досить легко.

Розщеплення рацематів. Зворотний рацемизации процес - виділення енантіомерів з їх рацеміч. суміші-зв. розщепленням рацематів. Вперше розщеплення рацематів було здійснено (Л. Пастер, 1848) при кристалізації натрій-аммониевой солі виноградної к-ти; виділений осад був Енан-тіоморфную суміш кристалів. а індивідуальні кристали-небудь ліво-, або правообертальні форми винної к-ти. Відомо лише дек. десятків прикладів розщеплення рацематів при спонтанної кристалізації енантіомерів. Більш загальний метод полягає в тому, що в пересичені. р-р рацематів вводять затравки кристалів одного з енантіомерів. що призводить до кристалізації саме цього оптич. ізомери. Потім в залишився р-р додають приманку кристалів другого енантіомера і тим самим викликають його кристалізацію. оскільки саме цим оптич. изомером пересичений залишився р-р, і т.д. Розщеплення рацематів шляхом затравочной кристалізації реалізовано в пром-сті (напр. Для D, L-глутамінової к-ти), проте цей спосіб також не універсальний.

Др. спосіб розщеплення рацематів-біохімічний-заснований на тому, що мікроорганізми при своєму розвитку використовують тільки один з двох оптич. ізомерів. присутніх в рацемати. Що залишається енантіомер м. Б. виділено. Цей шлях дозволяє отримувати тільки один з енантіомерів. другий необоротно втрачається. Вибірковість дії мікроорганізмів по відношенню до Енантіомери пов'язана з високою енантіоселектівностью містяться в мікроорганізмах ферментів. Тому для поділу енантіомерів немає необхідності застосовувати самі мікроорганізми. досить використовувати в цих цілях виділені з біол. об'єктів ферментні препарати. Наїб. широко для розщеплення рацематів застосовують гідролази - ферменти. каталізують гідроліз складноефірних або амідних зв'язків. При цьому гідролізу піддається лише один з двох енантіомерів субстрату. а поділ кінцевої суміші, напр. своб. к-ти і її складного ефіру м. б. легко здійснено звичайними методами. Так, при дії ферменту ацілази на рацеміч. N-аціламінокіслоту гідролізу (а отже, і відділенню) піддається лише L-форма.

У той же час висока специфічність дії ферментів обмежує їх використання, оскільки мн. синтетичні рацемати, що не зустрічаються в живій природі, що не піддаються впливу ферментів. Др. недолік цього методу-відносно висока вартість ферментів. Проте розщеплення рацематів з використанням іммобілізованих на нерозчинному носії ферментів реалізовано в пром. произове оптично активних амінокислот.

Наїб. загальний метод розщеплення рацематів-хімічний, при к-ром на рацемати діють оптично активним реагентом. в результаті чого утворюється нова пара в-в - діастереоме-рів. Останні м. Б. розділені внаслідок відмінності в їх фіз. св-вах. Хіральний реагент після поділу диаст-реомеров отщепляют. Напр. рацеміч. (R, S) -1-фенілетіл-амін утворює з природного (2R, 3R) -він к-тій дві диаст-реомерние солі. [(R) -1-фенілетиламін] · [(2R, 3R) -він к-та] і [(S) -1-фенілетиламін] · [(2R, 3R) -він к-та], к-які володіють разл. р-рімость в етанолі і м. б. розділені кристалізацією. Розв. амін виділяють потім екстракцією діетиловим ефіром з водного лужного розчину солі.

Для розщеплення рацеміч. к-т використовують їх здатність утворювати солі з хіральними прир. і синтетичні. підставами-хініном, бруцином. стрихніном. 1-фенілетілен-ном та ін. Рацеміч. спирти розщеплюють шляхом перетворення їх в кислі ефіри дикарбонових к-т (напр. фталевої) з послід. кристалізацією у вигляді діастереомерних солі з хіральних аміном.

Метод розщеплення рацематів шляхом перетворення їх в діастереомери не придатний для орг. соед. не мають функц. груп, напр. для алканів. Для розщеплення таких рацематів використовують, напр. здатність сечовини до утворення клатратов. Сечовина кристалізується в хіральної гексагон. решітці, в цилиндрич. каналах к-рій можуть розміщуватися молекули "гостя". Кристали сечовини м. Б. як право-, так і ліво обертаючими, тому клатрати сечовини з енантіомера-ми набувають характеру діастереомерів. Поділ рацематів за цим способом здійснюють внесенням затравки одного з енантіомерів в насичений. р-р сечовини і рацематів, що випадають при цьому кристали клатрата збагачені саме внесеним енантіомером.

Др. хім. метод розщеплення рацематів-кінетичної. розщеплення, засноване на тому, що в р-ціях з оптично активними реагентами (або в присутності. хіральних каталізаторів або хіральних р-телеглядачам) швидкість перетворення одного енантіомера не дорівнює швидкості перетворення іншого. Якщо в подібну р-цію ввести рацемат і перервати р-цію до її повного завершення, то один з енантіомерів. реагуючи швидше, буде переважати в продукті р-ції, інший-в, що не прореагував залишку. Приклад - розщеплення рацеміч. (N-толіл) мезітілсульфоксіда відновленням під дією реагенту. отриманого з оптично активного 1-фенілетіламіна і А1Н3.

Асім. перетвореннями зв. процеси, в ході яких брало відбувається перетворення рацематів в суміш енантіомерів з переважанням одного з них. До асим. перетворенням відноситься, зокрема, мутаротації моносахаридів. Цей метод зв. також ретрорацемізаціей.

Для розщеплення рацематів використовують також хроматографію на хіральних нерухомих фазах. Раніше в якості таких фаз використовували прир. хіральні полімери - білки. крохмаль. целюлозу. шерсть і ін. з яких брало тепер застосовують тільки мікрокрісталліч. целюлозу і її похідні. В осн. для розщеплення рацематів використовують більш селективні синтетичні. хіральні сорбенти. отримані спеціально для поділу тієї чи іншої групи рацеміч. з'єднань. Так, рацемати, молекули яких брало містять фрагменти, здатні до утворення комплексів з переносом заряду, м. Б. розщеплені на хіральних фазах, що мають структуру нафтілгліціна (для електроноакцепторних молекул) або дінітробензоіл-амінокислот і ПІКРИТ (1-фенілетіл) аміну (для електронно-донорних молекул). Соед. здатні до утворення комплексів з перехідними металами. м. б. розділені на енантіомери методом лігандообменной хроматографії з використанням хіральних комплексообразующих сорбентів. Цим методом розщеплюють, напр. мічені тритієм a-амінокислоти. Застосовують сорбенти. містять фрагменти циклодекстринов, розщеплення рацематів на них здійснюється в результаті утворення сполуки. включення. Отримано хіральні стаціонарні фази, поділ енантіомерів на яких брало відбувається завдяки виникненню водневих зв'язків і іон-дипольних взаємодій. між енантіомерами і сорбентом. Розщеплення рацематів хроматографіч. методом дозволяє одночасно отримати і інформацію про оптич. чистоті виділених енантіомерів.

Літ. Потапов В.М. Стереохімія. 2 изд. М. 1988; Jacques J. Collet A. Wilen S.H. Enantiomers, racemates and resolutions, N. Y. тисяча дев'ятсот вісімдесят одна.