4. Isomerie - Katedra organické chemie

4.
Isomerie
Tento pojem vyjadřuje skutečnost, kdy jednomu sumárnímu vzorci přísluší více
struktur. Vzhledem k tomu, že veškeré vlastnosti fyzikální i chemické jsou podmíněny
strukturou a nikoliv jen poměrným zastoupením jednotlivých prvků, představují isomery
zcela rozdílné sloučeniny. (Např. mezi isomery sumárního vzorce CH3NO2 nalezneme plynný
methylnitrit CH3-O-NO i nitromethan CH3-NO2 o bodu varu 101 °C a obě sloučeniny se od
sebe zásadně liší i chemickou reaktivitou). Co se týče možnosti vzájemné přeměny isomerů,
setkáváme se zde na jedné straně takřka s nepřekonatelnými potížemi, na druhé straně však
známe sloučeniny, které na svůj isomer přecházejí snadno a někdy velmi snadno. Takovou
isomerii pak označujeme jako tautomerii.
Velké množství různých typů isomerie můžeme rozdělit do dvou velkých skupin.
Isomerii, kde při znázornění jednotlivých isomerů vystačíme s rovinnými strukturními vzorci
nazýváme isomerií rovinnou. Isomery se zde vždy liší základní strukturou a mají i odlišné
názvy.
V případě, že struktura znázorněná jednoznačně rovinným strukturním vzorcem může
ještě vytvářet různé stabilní prostorové formy, hovoříme o isomerii prostorové (zde i základní
název všech prostorových isomerů je většinou stejný).
4.1. Isomerie rovinná
Jak již bylo řečeno, isomery se zde liší základním strukturním uspořádáním
a prostorové uspořádání nás v tomto ohledu nezajímá. Patří sem:
4.1.1.
Isomerie polohová
Isomery se liší polohou substituentu v alifatickém i cyklickém řetězci.
Např.
H
H3C C CH3
H2C CH2 CH3
OH
OH
propan-1-ol
Cl
HC CH2 CH3
Cl
1,1-dichlorpropan
propan-2-ol
Cl
H
H2C C CH3
H2C CH2 CH2
Cl Cl
Cl
1,2-dichlorpropan
Cl
1,3-dichlorpropan
70
H3C C CH3
Cl
2,2-dichlorpropan
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
o-xylen
m-xylen
p-xylen
Br
Br
Br
Br
Br
tribrombenzeny
Br
Br
Br
Br
1,2,4-
1,2,3vicinalni (v)
4.1.2.
1,3,5-
asymetricky (as)
symetricky (s)
Isomerie násobných vazeb
Isomery se liší polohou, případně i počtem a typem násobných vazeb, např. uhlovodík
C4H6
H2C C C CH3
H
H2C C C CH2
H H
HC C C CH3
H2
H3C C C CH3
buta-1,2-dien
buta-1,3-dien
but-1-yn
but-2-yn
U isomerie násobných vazeb se můžeme setkat s případy, kdy nenasycená sloučenina
přechází na svůj isomer poměrně snadno (nejčastěji za katalýzy). V případě, že vzájemná
přeměna je velmi snadná, hovoříme o tautomerii.
Např. tautomerie oxo-enolová (Q = hyperkonjugující skupina, viz. str. 113)
O
R C CH2 Q
B
-
O
R
tautomerie ketimino-enaminová
H
N
H
C Q
H
NH2
R C CH2 R
R
C R
H
tautomerie azo-hydrazonová
Ar
N
R
Ar
N
N
R
R
H
71
NH
R
4.1.3.
Isomerie řetězová
Isomery se liší různým stupněm větvení řetězce. Za typický příklad může sloužit
řetězová isomerie u alkanů CnH2n+2, kde nejnižším uhlovodíkem, u kterého se tato isomerie
vyskytuje, je butan C4H10 se dvěma isomery
H
H3C CH2 CH2 CH3
H3C C CH3
CH3
butan
2-methylpropan
pentan se třemi isomery
CH3
H
H3C C CH2 CH3
H3C CH2 CH2 CH2 CH3
H3C C CH3
CH3
CH3
pentan
2,2-dimethylpropan
2-methylbutan
S délkou řetězce těchto isomerů rychle přibývá , jak vyplývá z následující tabulky pro alkany
CnH2n+2
n
Počet
řetězových
isomerů
1
1
2
1
3
1
4
2
5
3
6
5
7
9
8
18
9
35
10
72
11
159
12
355
13
802
Bylo vypočteno, že eikosan C20H42 (n = 20) má 360319 řetězových isomerů.
4.1.4. Isomerie cyklo-řetězová
Zde se můžeme setkat s celou řadou typů.
4.1.4.1.
Cyklořetězová isomerie
a cyklickou strukturou
mezi
nenasycenou
alifatickou
Např.
C4H8
H2C C CH2 CH3
H
cyklobutan
but-1-en
C6H10
H2C C CH2 CH2 C CH2
H
H
hexa-1,5-dien
cyklohexen
V případě, že vzájemná přeměna isomerů je velmi snadná, hovoříme o cyklo-řetězové
tautomerii, např.
72
H2C
R
4.1.4.2.
CH2
HC R
O
OH
R
O
OH
R
Struktury lišící se velikostí cyklu
Např.
CH3
C4H8
cyklobutan
methyl-cyklopropan
CH3
H3C
CH3
C5H10
cyklopentan
metyl-cyklobutan
CH3
1,1-dimetyl-cyklopropan
CH2CH3
CH3
1,2-dimethyl-cyklopropan
4.1.4.3.
ethyl-cyklopropan
Cyklické struktury lišící se počtem a velikostí cyklů
Např.
C5H8
cyklopenten
bicyklo[2,1,0]pentan
spiro[2,2]pentan
C10H8
naftalen
azulen
C12H18
bicyklo[6,4,0]dodeka-3,10-dien
V případě, že k vzájemné přeměně isomerů dochází velmi snadno, hovoříme
o valenční tautomerii.
73
Např.
cyklookt-1,3,5-trien
4.1.5.
bicyklo[4.2.0]okt-2,4,dien
Isomerie radikálová (skupinová, metamerie)
Isomery se liší délkou řetězce vázaného na centrální atom
nejčastěji u etherů, thioetherů a aminů.
Např.
(CH2)m R
O
(CH2)n R
a setkáváme se s ní
mohou být m a n libovolná celá čísla, avšak m+n = konstanta, takže konkrétně jsou metamery
např.
CH2 CH3
CH3
O
O
CH2 CH3
CH2 CH2 CH3
Ještě více kombinací může být u aminů nebo silanů
(CH2)m R
N (CH2) R
R
n
(CH2)o R
m+n+o = konst.
(CH2)m R
(CH2)p Si (CH2)n R
(CH2)
R
o
4.2. Isomerie prostorová
Jak říká název, zde se isomery jediné sloučeniny, vyjádřené jediným rovinným
strukturním vzorcem, liší prostorovým uspořádáním. Dělí se do dvou skupin: na isomerii
geometrickou a isomerii optickou.
4.2.1.
Isomerie geometrická
S touto isomerií se setkáváme u systémů, kde je zabráněno volné otáčivosti a úhel
vazeb vycházející z těchto atomů jsou menší než 180°. Z toho vyplývá, že se jedná
o sloučeniny obsahující dvojnou vazbu nebo o sloučeniny s trojčlenným a čtyřčlenným
cyklem.
Co se týče nomenklatury, jsou-li substituenty na téže straně systému, označují se
v jednoznačných případech u uhlíkových systémů předponou cis-, jsou-li na straně opačné
předponou trans-, u systému dusíkatých pak syn- a anti-, není-li jasné, které substituenty
bereme v potaz pro zmíněnou nomenklaturu, očíslujeme substituenty dle způsobu Cahnova,
74
Ingoldova a Prelogova (viz.str. 24) a jestliže jsou substituenty s nejnižším indexem na téže
straně, označujeme tento isomer písmenem Z (zuzammen), jsou-li na straně opačné písmenem
E (entgegen).
To vše nejlépe vyplývá z následujících příkladů:
4.2.1.1.
Substituované alkeny
H3C
CH3
C C
H
H3C
H
H
C C
H
CH3
4.2.1.2.
H3C
cis-but-2-en
Cl
Z-1-chlor-1-fluor-propen
C C
Z-but-2-en
trans-but-2-en
H
F
H3C
F
C C
E-but-2-en
H
Kumulované systémy
násobných vazeb
s lichým
E-1-chlor-1-fluor-propen
Cl
počtem
kumulovaných
U těchto systémů rovněž leží koncové skupiny v jedné rovině, avšak buď na stejné
nebo opačné straně systému.
A
B
A
H
(C C)
(C C)
n = 1, 2, 3, 4, 5 .....
2n + 1 H
2n + 1 B
H
H
Z-
E-
75
4.2.1.3.
Dusíkaté nenasycené sloučeniny
R
OH
syn-aldoxim
Z-aldoxim
N
H
N N
syn-azobenzen
Z-azobenzen
R
anti-aldoxim
E-aldoxim
N
H
OH
N N
anti-azobenzen
E-azobenzen
OH
OH
Z-2-oximinocyklohexanol
N
OH
N
E-2-oximinocyklohexanol
OH
4.2.1.4.
Substituované trojčlenné a čtyřčlenné cykly
Vzhledem k tomu, že zde nemůže docházet k volnému otáčení kolem vazeb v těchto
cyklech,leží substituenty nad a pod rovinou těchto cyklů, takže nastává podobná situace jako
u dvojné vazby.
B
A
C
Substituenty A a B jsou vzájemně v poloze cis- (Z), substituenty A a C nebo B a C jsou
vzájemně v poloze trans (E).
Totéž platí pro kruh čtyřčlenný.
B
A
4.2.1.5.
C
Vícečlenné cykly
Zde vzhledem k zanedbatelnému Beyerovu a Pitzerovu pnutí (viz. kapitola 5.2.) může
docházet k otáčení kolem vazeb, také tyto cykly nejsou planární a vazby vycházející z těchto
76
cyklů již nemají tak jednoznačný směr jako u nízkých cyklů.(např. u cyklohexanu
se substituenty v polohách 1 a 2, které se v diaxiální konformaci jeví jako trans- se stabilizují
do diekvatoriální konformace, což klasické trans-uspořádání vůbec nepřipomíná. Blíže bude
o tomto pojednáno v kapitole 5.2., str. 142-143).
A
B
A
B
4.2.2.
Isomerie optická
4.2.2.1.
Základní pojmy
Název této prostorové isomerie souvisí s vlastnostmi některých látek, totiž schopností
stáčet rovinu polarizovaného světla. O těchto látkách pak hovoříme jako o opticky aktivních
látkách. Je zajímavé, že celá živá příroda je asymetrická, takže všechny, jak jednoduché
metabolity, tak i biopolymery včetně proteinů a nukleových kyselin jsou opticky aktivní.
Úhel, o který stáčí opticky aktivní látka rovinu polarizovaného světla doprava nebo doleva
můžeme kvantitativně změřit pomocí polarimetru a dochází-li k otáčení doprava, označujeme
to dnes znaménkem (+), u levotočivé látky znaménkem (-). Ponechme fyzikální podstatu
tohoto jevu fyzice a fyzikální chemii, my se zde budeme zabývat pouze jeho praktickými
důsledky pro organickou chemii.
Každou opticky aktivní látku můžeme charakterizovat tzv. specifickou rotací [α],
definovanou vztahem
[α] t.c =
*
100
α
l .c
kde α je naměřený úhel, c - koncentrace, l je délka kyvety v dm, ∗ je označení použité vlnové
délky polarizovaného světla (α závisí na vlnové délce), velmi často je to d-linie sodíkové
lampy 5890 A°. Smysl stáčení roviny polarizovaného světla se dříve označoval písmeny
d (dexter) – pravotočivý a l (laevus) – levotočivý, dnes se používá znaménko (+) pro
pravotočivé sloučeniny a (-) pro levotočivé a písmena D a L se používají pro označení
genetické souvislosti těchto sloučenin s příbuznými sloučeninami, což přímo nemusí souviset
se smyslem rotace, takže máme např. L (+) kyselinu mléčnou nebo D (-) fruktosu.
Již velmi dávno se zjistilo, že roztoky opticky aktivních krystalů (monoklinických
nebo triklinických) některých anorganických sloučenin jsou opticky inaktivní. Bylo proto
překvapením, že u některých organických sloučenin byla zjištěna optická aktivita nejen
v krystalickém stavu, ale i v jejich roztocích. Z toho vyplývá, že optická aktivita je vázána
nikoliv jen na krystalovou mřížku, jak tomu bylo u některých anorganických sloučenin, ale na
jednotlivé molekuly. Bližším studiem prostorového uspořádání těchto molekul se zjistilo,
že se jedná o molekuly asymetrické, které nemají žádný prvek symetrie.
77
Dále proto uvedeme nejčastější situace, které vnášejí do molekuly asymetrii, abychom
je mohli posoudit již z rovinného strukturního vzorce a nemuseli si brát na pomoc prostorový
model.
4.2.2.2.
Typy asymetrických molekul
4.2.2.2.1.
Asymetrický atom
Nejčastěji se jedná o sp3 hybridizovaný čtyřvazný atom, jehož všechny valence jsou
obsazeny různými substituenty.
R1
R1
R1
+
R4 C R2
R4 Si R2
R4 N R2
R3
R3
R3
Z prostorového modelu např.
R1
R3
C
R4
R2
vyplývá, že zde neexistuje žádný prvek symetrie.
Teoreticky by bylo možno očekávat asymetrii a trojvazného atomu s sp3 hybridizací,
jak je např. terciárního aminu s různými substituenty. Vzhledem k snadnému překlápění
substituentů však nebyla v tomto případě asymetrie pozorována.
R1
N R3
R2
R1
R3 N
R2
4.2.2.2.2.
Asymetrie u derivátů systémů se sudým počtem kumulovaných násobných
vazeb
Např.
R1
R1
R3
C C C R4
R3
C C C C C R4
R2
R2
(Zde substituenty R1R2 a R3R4 leží v rovinách na sobě kolmých).
Také tyto systémy nemají žádný prvek symetrie.
4.2.2.2.3.
Asymetrie způsobená znemožněním volné otáčivosti
a)
Nejznámějším typem asymetrie tohoto typu je atropoisomerie, poprvé
pozorovaná u derivátů bifenylu s objemnými substituenty v o-polohách:
78
A
Ac
C
D
BD
B
(Newmanova projekce)
Vzhledem k tomu, že ze sterických důvodů nemůže docházet k otáčení benzenových
jader, je celý útvar asymetrický.
b)
Podobně je tomu např. u tak zvaných ansa-sloučenin, např.
O
O
H3C O
(CH2)
n
O
Zde záleží možnost volného otáčení na délce řetězce, čili na čísle n. Je-li n < 6, je molekula
asymetrická.
4.2.2.2.4.
Jiné asymetrické útvary
K nejasymetričtějším útvarům patří šroubovice, což se projevuje vysokými hodnotami
specifické rotace. Typickým příkladem jsou heliceny. Např. hexahelicen není planární, jak by
vyplývalo z uvedeného vzorce, u něhož by docházelo k deformacím valenčních úhlů,
ale šroubovice, kde cykly A a F jsou nad nebo pod sebou.
C
D
E
B
F
A
Tomu též odpovídá neobyčejně vysoká hodnota specifické rotace.
[α]D = ± 3640°
4.2.2.3.
Sloučeniny obsahující jedno asymetrické centrum
Obsahuje-li molekula jen jedno asymetrické centrum (je zcela lhostejné, je-li
to asymetrický atom nebo jiný typ asymetrie), jsou zde možné dva optické isomery, které jsou
zrcadlovými obrazy a nazývají se antipody. Tak např. u sloučeniny s asymetrickým atomem
C, jako je např. kyselina mléčná, můžeme tyto antipody znázornit jak prostorovými modely,
tak projekčními vzorci.
79
COOH
HOOC
OH
H
vzájemné zrcadlové obrazy
HO
H
CH3
H3C
COOH
OH
COOH
CH3
Kyselina D(-) mléčná
Fischerova projekce
HO
CH3
Kyselina L(+)mléčná
Jeden antipod nemůžeme s druhým ztotožnit žádnou operací, jako je např. otočení
kolem různých os. Jedinou možností, jak ztotožnit jeden antipod s druhým je zrcadlový obraz
tohoto druhého antipodu.
Antipody jsou z hlediska jejich vlastností vyjímečné ve srovnání se všemi ostatními
typy isomerie u nichž se isomery zásadně liší ve všech chemických a fyzikálních vlastnostech.
V čem se antipody shodují:
a)
Ve všech fyzikálně-chemických konstantách, včetně spekter až na znaménko
optické rotace.
b)
Absolutní hodnotou specifické rotace.
c)
Reaktivitou se všemi reaktanty, které však nesmějí být asymetrické.
V čem se antipody liší:
a)
Krystaly antipodů (v monoklinické nebo triklinické soustavě) jsou vzájemně
zrcadlovými obrazy. Jedná se o tzv. enantiomorfii.
b)
Smyslem otáčení roviny polarizovatelného světla, při zachování hodnoty tohoto
otáčení. (Např. D-mléčná kyselina má [α]D = -2,6°; L-mléčná kyselina má [α]D =
+2,6°.
c)
Vzájemnou interakcí s další asymetrickou sloučeninou. Zde již je rozdíl, zda
s nějakou asymetrickou sloučeninou reaguje antipod (+) nebo antipod (-). Přitom
nezáleží na typu interakcí, zda se jedná o reakci za vzniku kovalentních vazeb
nebo o tvorbu solí nebo o molekulární komplexy.
Ekvimolekulární směs obou antipodů vytváří racemickou směs, jejíž roztoky nestáčejí
rovinu polarizovatelného světla, mohou vytvářet i racemické krystaly (racemáty)
v symetrických soustavách. (Pojem racemátu vznikl generalizací z latinského názvu
kyseliny hroznové – acidum racemicum, což jest ekvimolekulární směs kyseliny D- a Lvinné). Racemickou směs lze na antipody rozštěpit (viz dále).
4.2.2.4.
Diastereomerie
Obsahuje-li molekula n asymetrických center libovolného typu, činí počet isomerů
p = 2 . Jisté je, že v tomto počtu musí být zahrnuty dvojice antipodů. V případě, že n ≥ 2 je
n
80
pak jasné, že kromě antipodů zde musejí existovat další optické isomery a to jsou
diastereomery. Nejlépe to vyplyne, zvolíme-li si jako příklad sloučeninu se dvěma
asymetrickými centry jako je trihydroxybutanal
*
*
CH OH.CH(OH).CH(OH).CHO
2
Již z takto znázorněného rovinného strukturního vzorce vyplývá, že sloučenina obsahuje
2 asymetrické atomy uhlíku, takže bude mít 4 optické isomery, které můžeme znázornit
následujícími prostorovými vzorci.
OHC
H
HO
C
C OH
H
CH2OH
HO C CHO
H
H
C OH
HOCH
OHC
H
C
HO
2
a Fisherovými projekčními vzorci:
CHO
CHO
OH
HO
OH
HO
C H
OH
CH2OH
H C CHO
HO
H
C OH
HOCH
2
CHO
CHO
HO
OH
OH
HO
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
I
II
III
IV
(D-erythrosa)
(L-erythrosa)
(D-threosa)
(L-threosa)
Je zcela zřetelné, že sloučeniny I a II jsou zrcadlovými isomery čili antipody, stejně tak jako
dvojice III a IV.
Položíme-li si otázku, jaký je vzájemný vztah sloučenin I-III, I-IV, II-III a II-IV vidíme, že se
nejedná o zrcadlové isomery, ale o isomery lišící se vzájemnou korelací asymetrických center
a tento typ optické isomerie se nazývá diastereomerií. V našem případě, který jsme zvolili
z chemie sacharidů je tedy zřejmé, že vypočtené 4 optické isomery vytvářejí 2 diastereomery,
z nichž každý má svůj antipod.
V čem se vzájemně odlišují diastereomery? Ve všech vlastnostech fyzikálních
a chemických , tak jak je tomu u všech jiných isomerů (kromě antipodů). Číselná hodnota
jejich specifické rotace je zcela rozdílná a to nejen co do znaménka. Odlišnost diastereomerů
je často vyjádřena i různými názvy, jak je uvedeno v našem příkladě.
Zbývá snad jen vysvětlit význam písmen D a L-, která jak již bylo řečeno, označují
genetickou souvislost – v našem případě s řadou aldoz. I když se jedná o poměrně
specialisovanou oblast organické chemie, může nám genetická řada aldoz posloužit nejen
k vysvětlení genetických souvislostí, ale i jako velmi názorný příklad diastereomerie.
Jako genetický základ aldoz byl zvolen glyceraldehyd, který má jedno asymetrické
centrum a má tudíž dva antipody
81
CHO
CHO
HO
OH
CH2OH
CH2OH
D(+)glyceraldehyd
L(-)glyceraldehyd
Od obou těchto antipodů můžeme odvodit všechny ostatní aldozy myšleným (ale lze to učinit
i chemickým) postupným včleňováním skupiny ¬CH-OH mezi 1. a 2. atom C.
Učiníme-li to postupně u D-glyceraldehydu, obdržíme tak všechny diastereoisomerní
aldozy řady D, poněvadž poslední asymetrické centrum od CHO skupiny stále zůstává
centrem tohoto D-glyceraldehydu, kdežto všechny antipody těchto diastereomerů obdržíme
tímtéž způsobem z L-glyceraldehydu.
CHO
OH
CH2OH
D-glyceraldehyd
Tetrosy
CHO
CHO
OH
HO
OH
OH
CH2OH
CH2OH
D-erythro-(sa)
D-threo-(sa)
Pentosy
CHO
CHO
CHO
OH
HO
OH
CHO
HO
HO
HO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-xylo-(sa)
D-lyxo-(sa)
D-ribo-(sa)
Hexosy
CHO
CHO
OH
D-arabino-(sa)
CHO
CHO
HO
OH
HO
OH
HO
OH
CHO
CHO
CHO
HO
OH
HO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-alo-(sa) D-altro-(sa)
HO
CHO
HO
D-gluko-(sa) D-mano-(sa)
OH HO
HO
HO
HO
HO
D-gulo-(sa)
D-ido-(sa) D-galakto-(sa) D-talo-(sa)
Názvy uvedených aldos řady D (u všech je poslední asymetrické centrum vpravo jako u D-glyceraldehydu) jsou
zde pro názornost rozděleny na předponu a koncovku v závorce, která označuje, že se jedná o aldosy. Předpony
82
mají obecnější význam a lze je použít pro vyznačení vzájemné korelace asymetrických center u libovolných
sloučenin.
Např. následující Fischerův projekční vzorec antibiotika chloramfenikolu
NO2
HO
O
N
H
CH2OH
CHCl2
lze díky podobné korelaci optických center jako u D-threosy označit jako D-threochloramenikol.
Vrátíme-li se k předchozímu schématu genetické řady aldoz vidíme, že z každé nižší
aldosy vznikly další dva diastereomery aldosy vyšší. Ty se tedy liší od tohoto základu pouze
na asymetrickém centru nejblíže skupině –CHO. Takové dva diastereomery u cukrů
nazýváme epimery. Epimerní je tedy např. erythrosa s threosou, nebo ribosa s arabinosou
a glukosa s manosou.
Při odvozování počtu isomerů podle počtu asymetrických center dle rovnice p = 2n
musíme dát pozor, zda v tomto počtu nebudou zahrnuty i případy, kdy molekula jako celek je
symetrická a tedy i opticky inaktivní (a na rozdíl od racemátu pochopitelně neštěpitelná).
Takový diastereomer se obvykle označuje předponou meso.
Tak např. u kyseliny 2,3-dihydroxyjantarové
*
*
HOOC CH(OH).CH(OH).COOH
by bylo podle počtu asymetrických center možno očekávat 4 optické isomery
HOOC
C H
OH
H C
HO
COOH
H C
HO
COOH
II
III
I
COOH
HO
OH
COOH
kyselina D-vinná
HOOC
H C COOH
HO
C H
OH
HOOC
C OH
H
HO C COOH
H
C H
OH
HOOC
IV
COOH
COOH
COOH
OH
OH
HO
OH
HO
HO
COOH
COOH
kyselina L-vinná
COOH
kyselina mesovinná
Jak z prostorových modelů, tak i z Fischerových projekčních vzorců vyplývá, že sloučeniny
I a II jsou vzájemné antipody, kdežto sloučeniny III a IV jsou totožné a vzhledem k tomu,
83
že jsou symetrické vzhledem k rovině mezi atomy 2 a 3, je kyselina mesovinná opticky
inaktivní. V uvedeném případu tedy máme pouze 3 optické isomery. Dvě antipodní kyseliny
vinné a s nimi diastereomerní kyselinu mesovinnou. Ekvimolekulární směs kyseliny D a Lvinné je v přírodě známá jako kyselina hroznová (acidum racemicum)), která je opticky
inaktivní, ale na rozdíl od kyseliny mesovinné štěpitelná na oba antipody kyseliny vinné.
4.2.2.5.
Metody štěpení racemátů na antipody neb získání jednoho
antipodu z racemické směsi.
Racemická směs může existovat jak v roztoku, tak jako směs obou antipodů ve formě
směsi obou enantiomorfních krystalických forem nebo ve formě racemických krystalů, kde
jsou v krystalové mřížce ve stejném poměru zastoupeny oba antipody a krystalují pak
v symetrické krystalové soustavě (např. kubické nebo hexagonální) a je opticky inaktivní.
Vzhledem k tomu, že téměř všechny fyzikální konstanty obou antipodů jsou shodné (viz. str.
82), nemůžeme k dělení racemické směsi použít běžných separačních metod. Princip dělení
musí být proto založen na několika málo odlišnostech těchto antipodů, které jsou
prezentovány rovněž na str. 82.
4.2.2.5.1.
Dělení na základě enantiomorfie
Zde se využívá odlišností monoklinických nebo triklinických krystalů obou antipodů,
které jsou vzájemně zrcadlovými obrazy. Tato metoda již patří historii a je velmi těžko
proveditelná a málo účinná. Jednak je třeba, aby racemická směs vykrystalovala z vhodného
rozpouštědla tak, aby zde byly přítomny zvlášť obě enantiomorfní formy krystalů a nikoliv
symetrické krystaly racemátu a dále je třeba, aby enantiomorfní krystaly byly dobře vyvinuty
a bylo je možno (za použití lupy) mechanicky oddělovat. To se však daří jen ve velmi malé
míře. K dělení nemůžeme totiž použít málo vyvinuté krystaly nebo srostlice, kterých bývá
většina.
4.2.2.5.2.
Dělení na základě převedení racemické směsi na směs dvou diastereomerů
Tento způsob , který může být proveden v různých modifikacích je nejefektivnější
a nejčastěji používaný. Princip je ten, že racemickou směs necháme zreagovat s vhodnou
asymetrickou sloučeninou (pouze jediný antipod), takže vznikne směs diastereomerů, které
díky odlišným fyzikálním konstantám jsou dělitelné za použití vhodných separačních metod.
Označíme-li racemickou směs jako DL a další asymetrickou molekulu, která je schopná
reagovat jako D´, pak celý proces můžeme schematicky znázornit následovně:
odstepeni D´
DD´
DL
+
2 D´
DD´ +
LD´
D
separace
smes diastereomeru
L
LD´
odstepeni D´
84
Je zcela lhostejné, jaký druh interakcí mezi antipody D a L a mezi další asymetrickou
molekulou D´nastává. Může to být např. tvorba solí, vznik kovalentních vazeb (např.
esterifikace), ale i vznik různě pevných molekulárních komplexů.
Tak např. k dělení racemátů kyselin se používá opticky aktivní báze a naopak.
Demonstrováno je to na štěpení racemické kys. mandlové.
85
COOH
OH
2
COOH
.
HO
COO -
COO -
OH .
+
CH2
+
CH2
.
HO
CH2
+
NH2CH3
+
NH2CH3
N CH3
H
CH3
CH3
CH3
D-pervitin
racemická kyselina mandlová
směs dvou diastereomerních solí
separace
COO OH
.
COO -
.
HO
+
CH2
CH2
+
NH2CH3
+
NH2CH3
CH3
OH
CH3
OH
-
COO OH
-
COO +
HO
CH2
+
CH2
N CH3
H
N CH3
H
CH3
CH3
vodný roztok soli kys. D-mandlové
vodný roztok soli kys. L-mandlové
D-pervitin ve vodě nerozpustný
D-pervitin ve vodě nerozpustný
H3O+
H3O+
COOH
COOH
OH
HO
kyselina D-mandlová
kyselina L-mandlová
86
Při dělení racemických aromátů se používá tvorba donor-akceptorových komplexů s elektrondeficitními asymetrickými molekulami. Např.
NO2
+
NO2
=T
2
O2N
NO2
N
O
CH2
CH3
COOH
T
+
T
Na podobném principu je založeno i chromatografické dělení racemické směsi
za použití asymetrického sorbentu. Zde se využívá rozdílnosti adsorpčních sil každého
z antipodů.
4.2.2.5.3.
Získání jen jednoho antipodu z racemické směsi
Tato metoda je vlastně založena na stejném principu jako metody předešlé, tj.,
že antipody se liší v reaktivitě s další asymetrickou komponentou. V tomto případě však
dochází k chemické přeměně jednoho z antipodů. Obecně to můžeme znázornit schématem:
+
+
L´
D
+
E´
DL
E
racemická směs
asymetrická reakční komponenta (enzym)
chemicky
přeměněný antipod L
chemicky
pozměněný enzym
Jedná se tedy o stereospecifickou enzymatickou přeměnu jednoho z antipodů za vzniku jiné
sloučeniny, takže nezreagovaný antipod s produktem enzymatické přeměny jsou rozdílné
látky od sebe dělitelné.
Např.
O
COOH
OH . HO
CH3
NH2
+
CH3
COOH
+
N+
NAD+
O
NH2
N
R
racemická kyselina mléčná
H
H
COOH
R
NADH + H+
87
H+ +
O
CH3
COOH
+ HO
CH3
kyselina
kys. L-mléčná
pyrohroznová
(NAD+ = oxidovaná forma nikotinamid adenin dinukleotidu, což jest prosthetická složka
laktát dehydrogenásy).
4.2.3.
Význam dělení racemických směsí
Jak již bylo řečeno, celá živá příroda je založena vždy na jednom antipodu asymetrických molekul,
např. u cukrů je to řada D, u aminokyselin a proteinů řada L: S tím souvisí i biologická aktivita antipodů
asymetrických sloučenin. Např. u léčiv známe mnoho případů, kdy jeden antipod je účinnější než druhý, nebo že
účinný je jen jeden z antipodů, ale i situace, kdy každý z antipodů má zcela rozdílnou účinnost.
(Např. u conterganu (thalidomidu)
O
O
H
N
N *
O
O
má R-antipod účinky sedativní, kdežto S-isomer je kromě toho i inhibitorem angiogeneze, což se bohužel zjistilo
až na základě velmi neblahých teratogenních účinků při podávání racemického contergenu těhotným ženám).
Všechny syntézy, při nichž vzniká nové asymetrické centrum (kromě syntéz asymetrických) vedou vždy
ke vzniku racemátů.
Např.
COOH
2
O
CH3
2 H2
Pd
COOH
OH
CH3
COOH
+
HO
CH3
takže jedná-li se nám o použití vzniklého produktu v biologických systémech, musíme vzniklou racemickou
směs rozdělit na antipody, z něhož zpravidla jen jeden má požadovanou účinnost.
88