Izomeria optyczna

1. Znaczenie izomerii optycznej.

Izomeria optyczna to zjawisko bardzo rozpowszechnione w przyrodzie. Odgrywa niezwykle ważną rolę np. w biochemii. Można śmiało powiedzieć, że większość kluczowych substancji chemicznych, uczestniczących w procesach życiowych, to izomery optyczne.

Co więcej organizmy żywe tolerują zwykle tylko jeden rodzaj izomeru optycznego każdej substancji. Np. w ludzkim organizmie, w biosyntezie białka, aktywne są tylko tzw. „L-aminokwasy”. Przyswajalne są tylko „D-cukry”, co więcej tylko jeden izomer optyczny glukozy ogrywa unikalną rolę w metabolizmie żywych organizmów. Tylko jeden z izomerów optycznych cholesterolu, spośród ponad dwustu, jest włączony do procesów biochemicznych. Tylko jeden izomer optyczny „witaminy C” jest witaminą, tylko jeden izomer adrenaliny działa mocno pobudzająco. W zakwaszonych mięśniach (po nadmiernym, gwałtownym wysiłku) występuje jeden z izomerów optycznych kwasu mlekowego. Inny izomer tego kwasu tworzy się w procesie biochemicznego utleniania i rozpadu cukrów. (Natomiast w kwaśnym mleku, serze i kiszonej kapuście oraz kiszonych ogórkach występuje mieszanina obu izomerów optycznych kwasu mlekowego.)

Inny izomer optyczny tej samej substancji jest albo obojętny dla organizmu i nie bierze udziału w procesach biochemicznych, albo jest szkodliwy - powoduje inny przebieg reakcji. Skutki dla żywego organizmu mogą być wówczas katastrofalne.

Świadomość tego faktu jest niezbędna przy opracowywaniu nowych leków. Jeśli znana jest biochemiczna strona zaburzeń funkcji organizmu, można ustalić jaka substancja powinna przywrócić kontrolę nad przebiegiem procesu. Współcześnie tworzone leki powinny być podobne do naturalnych substancji biochemicznych, a dokładnie tych, których rolę mają pełnić lub wspomagać w organizmie. Podobieństwo dotyczyć musi także rodzaju izomeru optycznego. Znane są niestety, w najnowszej historii farmakologii, tragiczne w skutkach przypadki, kiedy to wprowadzono do użytku leki zawierające niewłaściwy rodzaj izomeru. Przywołać wystarczy niesławny „talidomid” - lek o działaniu uspokajającym, nasennym, skuteczny zwłaszcza w przypadku mdłości i polecany, w latach pięćdziesiątych dwudziestego wieku, kobietom w ciąży. Jeden izomer - ten „właściwy”, przebadany dokładnie przez naukowców, nie powodował żadnych, ubocznych skutków, drugi - nieostrożnie wprowadzony do leku produkowanego na skalę przemysłową, powodował bardzo poważne zmiany w rozwoju płodu - był mutagenny, spowodował więc potworne zniekształcenia u wielu noworodków.

Izomery optyczne często różnią się także cechami fizycznymi, dla których znajdować mogą praktyczne zastosowanie. Inny może być np. zapach różnych izomerów optycznych tej samej substancji. Np. „limonen”- jeden izomer ma zapach cytryny inny pomarańczy. „Mentol” - jeden izomer ma, oczekiwany, zapach mięty, inny izomer - raczej nie wskazany, przykry zapach stęchlizny. Mięta ogrodowa zawdzięcza swój zapach także substancji o nazwie „karwon”, ale taki zapach ma tylko jeden z izomerów optycznych. Drugi izomer „karwonu” nadaje zapach kminkowi. Jak widać o izomerach optycznych pamiętać muszą także producenci substancji zapachowych.

2. Izomeria i izomery.

Zgodnie z teorią strukturalną właściwości związku organicznego ściśle zależą od struktury jego cząsteczki. To znaczy od konstytucji cząsteczki, czyli od kolejności atomów oraz od geometrii, czyli układu atomów w przestrzeni tj. przestrzennego kształtu cząsteczki.

Rozumieć przy tym należy, że:

• związki o podobnej strukturze cząsteczki mają podobne właściwości (fizyczne i chemiczne),

• związki, które różnią się strukturą cząsteczki różnią się istotnie także właściwościami (przynajmniej niektórymi).

Wprowadza się definicje:

Związki o jednakowym składzie cząsteczki (o tym samym wzorze sumarycznym), ale o innej strukturze cząsteczki (tj. także o innych właściwościach) to izomery.

Zjawisko występowania związków w postaci izomerów to izomeria.

Wyróżnić można następujące rodzaje izomerii:

(I). Izomeria konstytucyjna:

izomery różnią się kolejnością atomów w cząsteczce.

Należą do tego rodzaju następujące przypadki izomerii:

• izomeria szkieletowa

izomery różnią się strukturą szkieletu, tj. łańcucha głównego np.

izomery łańcuchowe czyli o łańcuchach prostych i rozgałęzionych,

izomery położeniowe tj. o różnym położeniu wiązania wielokrotnego (np. w alkenach);

• izomeria podstawnikowa

izomery różnią się miejscem podstawnika niewęglowego np. atomu chlorowca czy grupy hydroksylowej;

• izomeria funkcyjna, nazywana metamerią

izomery różnią się strukturą grupy funkcyjnej, np. aldehydy i ketony.

(II). Izomeria przestrzenna:

izomery różnią się przestrzennym układem atomów, przy tej samej konstytucji.

Należą tu następujące przypadki:

• izomeria „cis − trans” oznaczana także „Z − E”

izomery różnią się kształtem łańcucha głównego (łódkowy lub krzesełkowy) w sąsiedztwie wiązania podwójnego np. w alkenach lub także w peptydach albo też położeniem podstawników względem płaszczyzny pierścienia np. cykloalkanu;

• izomeria optyczna nazywana także „enancjomerią”,

opis której stanowi treść niniejszego opracowania.

3. Czynność optyczna substancji.

Zjawisko izomerii optycznej wiąże się z właściwością fizyczną wynikającą z oddziaływania struktury (kształtu) cząsteczek niektórych substancji ze światłem spolaryzowanym (liniowo) czyli z tzw. czynnością optyczną.

Światło naturalne (niespolaryzowane), jako fala elektromagnetyczna, rozchodzi się w przestrzeni, jednakowo we wszystkich kierunkach. Schematycznie można to pokazać następująco:

Po przejściu światła przez urządzenie optyczne nazywane polaryzatorem, światło (spolaryzowane) rozchodzi się już tylko w jednej płaszczyźnie:

Jeżeli na drodze światła spolaryzowanego ustawi się próbkę substancji optycznie czynnej (w standaryzowanym roztworze), to nastąpi odchylenie płaszczyzny światła od pierwotnego kierunku, w prawo (+) lub w lewo(−), o pewien kąt, charakterystyczny dla danej substancji (w danych warunkach).

Zaznaczyć przy tym wypada, że:

• nie każda substancja chemiczna jest optycznie czynna, ale właściwość ta jest bardzo rozpowszechniona w przyrodzie zwłaszcza wśród związków biochemicznych;

• pomimo, że można teoretycznie przewidzieć, czy substancja jest optycznie czynna, czy nie, znając strukturę jej cząsteczki (na podstawie np. badań rentgenowskich), to w żaden sposób nie można teoretycznie określić kierunku skręcania światła (w prawo, czy w lewo) tj. czy substancja jest prawoskrętna, czy lewoskrętna, tym samym nie można też przewidzieć o jaki kąt skręcane będzie światło; ustala się to jedynie przez pomiar;

• współcześnie skręcalność substancji optycznie czynnych bada się rutynowo, w standardowych warunkach, przy pomocy prostych urządzeń optycznych nazywanych polarymetrami.

Jedna i ta sama substancja chemiczna otrzymana, badana lub występująca w odmiennych warunkach może skręcać światło raz w prawo (+), innym razem w lewo (−), o ten sam lub też inny kąt albo też wcale nie skręcać światła. Świadczy to o występowaniu różnej, przestrzennej struktury cząsteczek tej samej substancji, w różnych okolicznościach, czyli o izomerii, nazywanej w tym przypadku optyczną.

Zależnie od okoliczności otrzymuje się lub bada inny izomer optyczny tej samej substancji lub mieszaninę różnych jej izomerów. Jeśli jednak prowadzi się syntezę substancji optycznie czynnej z substratów pozbawionych tej właściwości oraz w układzie, w którym nie ma żadnej innej substancji czynnej optycznie, to zawsze powstaje mieszanina różnych jej optycznych izomerów. Mieszanina taka nie wykazuje optycznej czynności. Osobno, poszczególne izomery można otrzymać jedynie przy udziale innych substancji optycznie czynnych, pozyskanych pierwotnie z naturalnych źródeł. Nie da się więc, bez udziału natury, otrzymać substancji wykazujących czynność optyczną.

4. Chiralność cząsteczki.

Wiele przedmiotów w codziennym otoczeniu człowieka występuje parami, przy czym jeden stanowi lustrzane odbicie drugiego. Jednocześnie każdy z nich jest inny tak, że dowolny obrót jednego nigdy nie pozwoli uzyskać drugiego z nich.

Podobnie jest w przypadku ludzkich dłoni: dłoń prawa jest lustrzanym odbiciem dłoni lewej, przy czym każda jest inna. Żaden, dowolny obrót dłoni prawej nigdy nie uczyni z niej lewej.

Taka cecha fizyczna, polegająca na tym, że nie można nałożyć przedmiotu na jego własne lustrzane odbicie, nazywana jest chiralnością (od greckiego słowa cheir = ręka).

Chiralność występuje często wśród cząsteczek związków organicznych.

Istnienie dwóch, przestrzennych struktur o tej samej konstytucji, stanowiących wzajemne lustrzane odbicie, ale tak, że jednej nie da się, przez żaden dowolny obrót, nałożyć na drugą, jest bezwzględnym warunkiem występowania izomerii optycznej.

Używa się następujących pojęć:

• cząsteczka chiralna tj. taka, której nie da się nałożyć na jej własne lustrzane odbicie

(nienakładalna na lustrzane odbicie, nieidentyczna z lustrzanym

odbiciem);

• cząsteczka achiralna tzn., że nie jest chiralna, a zatem jest identyczna z własnym,

lustrzanym odbiciem;

• substancja chiralna tj. zbudowana z cząsteczek chiralnych;

• substancja achiralna tj. zbudowana z cząsteczek, które nie są chiralne.

Trzeba przy tym wyraźnie rozróżnić pojęcia:

• chiralność to cecha fizyczna pojedynczej cząsteczki;

• czynność optyczna to właściwość fizyczna substancji, w mierzalnych ilościach

(makroskopowa).

Pojęcia te powiązane są ze sobą w następujący sposób:

• jeżeli jest czynność optyczna (stwierdzona przez pomiar), to z pewnością substancja zbudowana jest z chiralnych cząsteczek;

• jeżeli są chiralne cząsteczki, to czynność optyczna może wystąpić, ale nie musi.

5. Centrum chiralności.

Współcześnie można, na podstawie badań np. rentgenowskich, ustalić dokładnie strukturę cząsteczki, w tym także jej geometrię. Można więc przedstawić graficznie strukturę cząsteczki każdego z izomerów optycznych badanej substancji.

Wiadomo stąd, że zwykle cząsteczki chiralne zawierają tzw. centrum chiralności. Jest to atom węgla (czasem innego pierwiastka) związany tetraedrycznie, tj. czterema pojedynczymi wiązaniami, z czterema różnymi podstawnikami (atomami, grupami atomów).

Można to, w najprostszym przypadku, przedstawić schematycznie w następujący sposób:

Zauważyć można, na podstawie przedstawionych rysunków, że jeżeli w cząsteczce jest jedno centrum chiralności, to istnieć mogą dwie struktury, stanowiące nienakładalne, lustrzane odbicie, a zatem cząsteczka taka jest chiralna. Mogą więc istnieć dwa izomery optyczne.

Atom węgla, który stanowi centrum chiralności nazywany też jest „asymetrycznym atomem węgla”. Określenie to związane jest z osobnym, złożonym zagadnieniem dotyczącym elementów symetrii występujących w określonej strukturze. W największym uproszczeniu można powiedzieć, że w pojedynczej cząsteczce chiralnej nie ma ani płaszczyzny symetrii, ani też środka symetrii.

We wzorach substancji zbudowanych z chiralnych cząsteczek centrum chiralności zaznacza się gwiazdką

. Enancjomery.

Dwa izomery przestrzenne, z których jeden zbudowany jest z cząsteczek stanowiących nienakładalne, lustrzane odbicie cząsteczek drugiego to enancjomery.

Zjawisko występowania związków w postaci enancjomerów nazywane jest enancjomerią.

Każdy z enancjomerów zbudowany jest z cząsteczek chiralnych i każdy jest substancją optycznie czynną.

Właściwości enancjomerów:

1. Niemal wszystkie właściwości fizyczne enancjomerów, tej samej substancji, są jednakowe, ale zawsze enancjomery różnią się kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego: jeden w prawo(+), drugi w lewo (−), o ten sam kąt, charakterystyczny dla danej substancji.

2. Enancjomery mogą także różnić się barwą, zapachem lub smakiem.

3. W środowisku achiralnym wszystkie właściwości chemiczne enancjomerów są jednakowe, ale zupełnie odmiennie zachowują się te izomery w reakcjach z udziałem innych substancji chiralnych, to znaczy:

• zasadniczo inna jest szybkość reakcji enancjomerów tej samej substancji, z inną substancją chiralną (jeden z izomerów może nawet praktycznie nie reagować),

• inna jest rozpuszczalność obu enancjomerów w tym samym, chiralnym rozpuszczalniku, wobec tego inne stężenie i przez to inna szybkość reakcji,

• chiralny katalizator inaczej zmienia szybkość reakcji każdego z enancjomerów z achiralnym reagentem,

• w wyniku reakcji enancjomerów z inną chiralną substancją tworzyć się mogą także inne izomery optyczne produktu, w tym sensie inny więc będzie kierunek reakcji.

Mieszanina równych ilości (tj. równomolowa) enancjomerów tej samej substancji to tzw. mieszanina racemiczna czyli racemat. Mieszanina ta jest optycznie nieczynna, pomimo występowania w niej chiralnych cząsteczek. Oznaczana jest symbolem (+/−).

Różnice we właściwościach enancjomerów są przyczyną różnego ich występowania, innego ich znaczenia w przyrodzie lub też innego ich zastosowania.

Wzory przestrzenne.

Ponieważ o rodzaju izomeru optycznego (przestrzennego) decyduje przestrzenny układ atomów lub grup atomów wokół centrum chiralności, to istnieje problem z przedstawieniem wzoru, takiego izomeru, na płaszczyźnie.

W literaturze najbardziej rozpowszechnione są trzy sposoby umownego przedstawiania wzorów przestrzennych.

(1) WZORY RZUTOWE FISCHERA

(PROJEKCJA FISCHERA)

W celu narysowania takiego wzoru należy rzutować cząsteczkę na płaszczyznę papieru w ten sposób, że:

• atom centralny (centrum chiralności) leży w płaszczyźnie papieru,

• wiązania leżące przed (nad) płaszczyzną rysunku, tj. skierowane ku obserwatorowi, zaznaczone są na rysunku poziomo,

• wiązania schowane za (pod) płaszczyznę, tj. skierowane od obserwatora, zaznaczone są pionowo.

Na przykład:

bromochlorojodometan

CHBrClI

Jeżeli cząsteczka zawiera więcej atomów węgla, to łańcuch węglowy ustawić należy pionowo, umieszczając atom węgla, od którego zaczyna się numerację łańcucha głównego (czyli C¹) na górze.

Na przykład:

aldehyd glicerynowy

?

CH₂−CH−CHO

 

OH OH

) WZORY STEREOCHEMICZNE

Rysując wzór stereochemiczny /przestrzenny:

• umieszcza się atom centralny (centrum chiralności) oraz dwa podstawniki, np. „a” i „b”, w płaszczyźnie rysunku,

• trzeci podstawnik, np. „d”, umieszcza się przed płaszczyzną rysunku,

• czwarty, np. „e”, - za płaszczyzną rysunku

Stosuje się przy tym następujące, umowne oznaczenia:

linia o normalnej grubości oznacza wiązanie w płaszczyźnie rysunku.

linia pogrubiona lub

klin (poszerzony w kierunku obserwatora) oznaczają wiązanie wysunięte przed

płaszczyznę rysunku,

linia przerywana oznacza wiązanie schowane za płaszczyzną rysunku

Na przykład:

bromochlorojodometan CHBrClI

?

aldehyd glicerynowy CH₂ိCHိCHO

ყ ყ

OH OH

? ?

kwas winowy HOOC−CH−CH−COOH

 

OH OH

Konfiguracja centrum chiralności.

Konfiguracją centrum chiralności (konfiguracją chiralnej cząsteczki) nazywa się rozmieszczenie podstawników w przestrzeni wokół centrum chiralności.

Współcześnie możliwe jest, na podstawie badań (np. rentgenowskich, krystalograficznych, przy pomocy mikroskopu elektronowego), ustalenie rzeczywistego, przestrzennego układu atomów (grup atomów) w cząsteczce. Na tej podstawie można określić konfigurację centrum chiralności.

Stosuje się powszechnie dwa, zupełnie niezależne, umowne systemy określania konfiguracji cząsteczek chiralnych:

• system konfiguracji względnej D-L, przez porównanie do wzorca, tj. aldehydu glicerynowego;

• system konfiguracji absolutnej R-S , przez określenie „starszeństwa” (kolejności) podstawników.

(1) KONFIGURACJA WZGLĘDNA D-L.

System ten, zaproponowany przez Fischera ok. roku 1885, stosowany jest także współcześnie, ale tylko w ograniczonym zakresie. Przede wszystkim do określania konfiguracji hydroksykwasów, aminokwasów i cukrów.

Za wzorzec do określania konfiguracji centrum chiralności przyjmuje się:

?

aldehyd glicerynowy CH₂ိCHိCHO

ყ ყ

OH OH

(wzory wg Fischera)

aldehyd L-glicerynowy aldehyd D-glicerynowy

Cechą szczególną jest położenie grupy -OH przy centrum chiralności

(cząsteczki ustawione muszą być zgodnie z regułami pisania wzorów wg.Fischera):

Izomer o konfiguracji:

L (od „loevus”) - po lewej stronie, D (od „dexter”) - po prawej stronie.

Izomery o konfiguracji D i L, tej samej substancji, stanowią wzajemnie nienakładalne lustrzane odbicie, czyli są enancjomerami.

W celu określenia konfiguracji w cząsteczkach danego izomeru optycznego badanej substancji, należy:

• zapisać wzór rzutowy wg. Fischera (zgodnie z poznanymi regułami),

• grupę funkcyjną będącą chemicznym odpowiednikiem grupy aldehydowej (tj. taką grupę, którą można otrzymać z grupy aldehydowej, na drodze przemian chemicznych) umieścić nad centrum chiralności,

• odczytać położenie grupy -OH (lub jej chemicznego odpowiednika), porównując do wzorca.

Konfiguracja zgodna z konfiguracją aldehydu D-glicerynowego oznacza przynależność badanego izomeru do szeregu konfiguracyjnego D.

Odpowiednio w przypadku konfiguracji L.

Na przykład:

kwas D-mlekowy L-seryna D-2-bromopropan-1-ol

W przypadku cukrów, gdzie większość związków zbudowana jest z wielocentrowych cząsteczek chiralnych, przyjęto umownie zasadę, że za konfigurację całej cząsteczki uznaje się konfigurację jedynie ostatniego centrum chiralności.

D-glukoza

grupa -OH po prawej stronie, przy ostatnim centrum chiralności

Na przykład:

aldotetroza

zawiera w cząsteczce 2 centra chiralności, zatem możliwe jest istnienie 2² = 4 izomerów optycznych.

Jeżeli jednak możliwe jest występowanie takiej struktury, w której obecna jest płaszczyzna symetrii, przez co górna część cząsteczki jest lustrzanym odbiciem dolnej (czyli tak zwana forma „mezo”), to liczba izomerów optycznych będzie zmniejszona.

Przykładem takiej sytuacji jest kwas winowy:

• są tu obecna dwa centra chiralności, można by oczekiwać czterech izomerów optycznych

• jednakże występuje forma, w której istnieje płaszczyzna symetrii

(1)
(2)

kwas mezowinowy

kwas D,L-winowy (konfiguracja obu centrów jest przeciwna)

dwa wzory tożsame (1) = (2) (czyli ta sama struktura), obrót jednego wzoru o 180^o daje wzór drugi gdyż, jest tu płaszczyzna symetrii (prostopadła do płaszczyzny rysunku), której ślad zaznaczony jest linią przerywaną, górna część cząsteczki jest lustrzanym odbiciem dolnej części;

(3)
(4)

kwas D,D-winowy kwas L,L-winowy

w obrębie każdego z izomerów konfiguracja obu centrów jest taka sama:

w strukturze (3) - D, (4) - L

struktura przedstawiona wzorem (3) stanowi lustrzane odbicie (4)

żaden obrót struktury (3) nie daje (4)

W efekcie istnieją tylko trzy izomery optyczne kwasu winowego. Wśród nich można wskazać:

• parę enancjomerów - są to izomery optyczne, z których każdy jest inny, a przy tym stanowią one wzajemnie nienakładalne, lustrzane odbicie: (3) i (4)

• formę mezo - struktura, w której występuje płaszczyzna symetrii taka, że górna część jest

lustrzanym odbiciem dolnej (dwukrotnie ten sam wzór, zapisany po obrocie o 180^o):

(1) = (2)

forma „mezo” nie wykazuje czynności optyczne, a jej cząsteczki nie wykazują

chiralności, pomimo, że są tu obecne centra chiralności, ale jest tu taka sama liczba

fragmentów o strukturze skręcającej światło w jednym kierunku, i tyle samo - w

przeciwnym, o ten sam kąt (struktury lustrzane),

• dwie pary tzw. diastereoizomerów:

jeden enancjomer - forma mezo: (3) i np. (1) oraz

drugi enancjomer - forma mezo: (4) i np. (2)

- są to zupełnie różne izomery optyczne, przy czym żaden nie jest lustrzanym odbiciem drugiego.

diastereoizomery różnią się nie tylko kierunkiem, ale i kątem skręcania płaszczyzny

światła spolaryzowanego, ponad to różnią się także innymi właściwościami

(np. T_top i T_wrz).

Zjawisko występowania związków w postaci diastereoizomerów nazywane jest diastereoizomerią. Występuje w przypadku substancji zawierających kilka centrów chiralności w strukturze cząsteczki.

Na przykład:

aldoheksozy

D-glukoza
L-glukoza

są to struktury enancjomeryczne, gdyż jedna stanowi lustrzane odbicie drugiej (wzajemnie nienakładalne), jedna powstałaby z drugiej po zamianie konfiguracji każdego centrum chiralności na przeciwną (operacja taka wymagałaby rozrywania wiązań i tworzenia połączeń po przeciwnej stronie osi łańcucha głównego);

D-glukoza
D-taloza

są to struktury diastereoizomeryczne, gdyż żaden z tych izomerów nie jest lustrzanym odbiciem drugiego, a są to zupełnie inne izomery, jedna z tych struktur powstałaby z drugiej po zamianie konfiguracji na przeciwną, ale tylko w przypadku niektórych centrów chiralności.

obserwator

kąt skręcania

płaszczyzny

światła

(w lewo)

POLARYZATOR

SUB. OPTYCZNIE CZYNNA

(e)

(a)

(b)

(d)

---