Рацемическая смесь
В химии — рацемическая смесь или рацемат ( / r eɪ ˈ s iː m eɪ t , r ə- , ˈ r æ s ɪ m eɪ t / [ 1 ] ) — это тот, который содержит равное левых и правых энантиомеров хиральной количество молекулы или соли. Рацемические смеси редки в природе, но многие соединения производятся промышленным способом в виде рацематов.
История
[ редактировать ]Первой известной рацемической смесью была рацемическая кислота , которая, как обнаружил Луи Пастер , представляла собой смесь двух энантиомерных изомеров кислоты винной . Он вручную отделил кристаллы смеси, исходя из водного раствора натриево-аммониевой соли рацемата винной кислоты. Пастер извлек выгоду из того факта, что соль тартрата аммония дает энантиомерные кристаллы с различными кристаллическими формами (при 77 ° F). Рассуждая от макроскопического масштаба до молекулярного, он пришел к выводу, что молекулы должны иметь неперекрывающиеся зеркальные изображения. [ 2 ] Образец, содержащий только один энантиомер, представляет собой энантиомерно чистое или энантиомерно чистое соединение. [ 3 ]
Этимология
[ редактировать ]Из рацемической кислоты, содержащейся в винограде; от латинского Racemus , что означает гроздь винограда. Эта кислота, естественным образом вырабатываемая в винограде, представляет собой только правостороннюю версию молекулы, более известную как винная кислота . Во многих германских языках рацемовая кислота называется «виноградной кислотой», например, в немецком traubensäure и шведском druvsyra . Карл фон Линне дал красной бузине научное название Sambucus Racemosa, поскольку шведское название druvfläder означает «виноградная бузина», названная так потому, что ее ягоды растут гроздями, похожими на виноград.
Номенклатура
[ редактировать ]Рацемическая смесь обозначается префиксом (±)- или dl- (для сахаров префикс dl – можно использовать), что указывает на равную (1:1) смесь право- и лево-изомеров. префикс rac- (или рацем- ) или символы RS и SR (все курсивом Также используются ).
Если соотношение не 1:1 (или неизвестно), то используется префикс (+)/(−) , d/l - или d/l- Вместо этого используется (с косой чертой).
не рекомендует использовать d и l IUPAC . [ 4 ] [ 5 ]
Характеристики
[ редактировать ]Рацемат оптически неактивен ( ахиральный ), что означает, что такие материалы не вращают поляризацию плоскополяризованного света . Хотя два энантиомера вращают плоскополяризованный свет в противоположных направлениях, вращения нейтрализуют друг друга, поскольку они присутствуют в равных количествах отрицательных (-) энантиомеров против часовой стрелки ( левовращающих ) и положительных (+) по часовой стрелке ( правовращающих ) энантиомеров. [ 6 ]
В отличие от двух чистых энантиомеров, которые имеют идентичные физические свойства, за исключением направления вращения плоскополяризованного света, рацемат иногда имеет свойства, отличные от свойств любого из чистых энантиомеров. Наиболее распространены разные температуры плавления, но разные растворимости и температуры кипения также возможны .
Фармацевтические препараты могут быть доступны в виде рацемата или чистого энантиомера, которые могут иметь разную эффективность. Поскольку биологические системы имеют множество хиральных асимметрий, чистые энантиомеры часто оказывают совершенно разные биологические эффекты; примеры включают глюкозу и метамфетамин .
Кристаллизация
[ редактировать ]Есть четыре способа кристаллизации рацемата; три из которых HWB Roozeboom отличился к 1899 году:
- Конгломерат (иногда рацемический конгломерат )
- Если молекулы вещества имеют гораздо большее сродство к одному и тому же энантиомеру, чем к противоположному, образуется механическая смесь энантиомерно чистых кристаллов. Смесь энантиомерно чистых кристаллов R и S образует эвтектическую смесь. Следовательно, температура плавления конгломерата всегда ниже, чем у чистого энантиомера. Добавление небольшого количества одного энантиомера к конгломерату увеличивает температуру плавления. Примерно 10% рацемических хиральных соединений кристаллизуются в виде конгломератов. [ 7 ]
- Рацемическое соединение (иногда настоящий рацемат )
- Если молекулы имеют большее сродство к противоположному энантиомеру , чем к тому же энантиомеру, вещество образует единую кристаллическую фазу, в которой два энантиомера присутствуют в элементарной ячейке в упорядоченном соотношении 1:1. Добавление небольшого количества одного энантиомера к рацемическому соединению снижает температуру плавления. Но чистый энантиомер может иметь более высокую или более низкую температуру плавления, чем соединение. Особым случаем рацемических соединений являются крипторацемические соединения (или крипторацематы ), в которых сам кристалл имеет направленность (энантиоморфен), несмотря на то, что содержит оба энантиоморфа в соотношении 1:1. [ 8 ]
- Псевдорацемат (иногда рацемический твердый раствор )
- Когда нет большой разницы в сродстве между одинаковыми и противоположными энантиомерами, то в отличие от рацемического соединения и конгломерата два энантиомера будут сосуществовать в кристаллической решетке неупорядоченным образом. Добавление небольшого количества одного энантиомера незначительно или совсем не меняет температуру плавления.
- Квазирацемат
- Квазирацемат представляет собой сокристалл двух похожих, но различных соединений, одно из которых левостороннее, а другое правостороннее. Хотя химически они различны, они стерически схожи (изостеричны) и все же способны образовывать рацемическую кристаллическую фазу. Один из первых таких рацематов, изученных Пастером в 1853 году, образуется из смеси 1:2 бис -аммониевой соли (+)- винной кислоты и бис-аммониевой соли (-)- яблочной кислоты в воде. Повторное расследование в 2008 году. [ 9 ] Образующиеся кристаллы имеют гантелевидную форму, центральная часть состоит из (+)-битартрата аммония, а внешние части представляют собой квазирацемическую смесь (+)-битартрата аммония и (-)-бималата аммония.
Разрешение
[ редактировать ]Разделение рацемата на его компоненты, отдельные энантиомеры, называется хиральным разделением . Для этого разделения существуют различные методы, включая кристаллизацию, хроматографию и использование различных реагентов.
Синтез
[ редактировать ]Без хирального влияния (например, хирального катализатора , растворителя или исходного материала) химическая реакция, в результате которой образуется хиральный продукт, всегда будет давать рацемат. Это может сделать синтез рацемата дешевле и проще, чем получение чистого энантиомера, поскольку он не требует особых условий. Этот факт также приводит к вопросу о том, как биологическая гомохиральность развилась на предположительно рацемической первичной Земле.
Реагенты и реакции, в результате которых образуются рацемические смеси, называются «нестереоспецифичными » или «нестереоселективными » из-за их неустойчивости в отношении определенной стереоизомерии . Частым сценарием является сценарий плоского вида (например, sp 2 атом углерода или промежуточный карбокатион ), действующий как электрофил. Нуклеофил будет иметь 50%-ную вероятность «поразить» любую из двух сторон плоской группировки, образуя таким образом рацемическую смесь:
Рацемические фармацевтические препараты
[ редактировать ]Некоторые молекулы лекарств являются хиральными, и энантиомеры по-разному влияют на биологические объекты. Они могут продаваться как один энантиомер или как рацемическая смесь. Примеры включают талидомид , ибупрофен , цетиризин и сальбутамол . Хорошо известным наркотиком, оказывающим различное действие в зависимости от соотношения энантиомеров, является амфетамин . Аддералл представляет собой неравную смесь обоих энантиомеров амфетамина . Одна доза Adderall сочетает в себе нейтральные сульфатные соли декстроамфетамина и амфетамина с правоизомером сахарата амфетамина и моногидратом аспартата D/L-амфетамина. Оригинальный бензедрин представлял собой рацемическую смесь, а изолированный декстроамфетамин позже был представлен на рынке под названием декседрин. Обезболивающий трамадол, отпускаемый по рецепту , также является рацематом.
В некоторых случаях (например, ибупрофен и талидомид ) энантиомеры взаимно превращаются или рацемизуются in vivo . Это означает, что готовить чистый энантиомер для лекарств практически бессмысленно. Однако иногда образцы, содержащие чистые энантиомеры, могут быть изготовлены и проданы по более высокой цене в тех случаях, когда для использования требуется конкретно один изомер (например, для стереоспецифического реагента); Сравните омепразол и эзомепразол . Переход от рацемического препарата к хиральному препарату может быть осуществлен для улучшения профиля безопасности или улучшения терапевтического индекса. Этот процесс называется хиральным переключением , а полученное энантиочистое лекарственное средство называется хиральным переключением . [ 10 ] Например, эзомепразол представляет собой хиральный переключатель (±)-омепразола, а левоцетиризин представляет собой хиральный переключатель (±)-цетиризина.
Хотя часто активным может быть только один энантиомер препарата, бывают случаи, когда другой энантиомер вреден, как, например, сальбутамол. [ 11 ] и талидомид . (R)-энантиомер талидомида эффективен против утренней тошноты, тогда как (S)-энантиомер является тератогенным, вызывая врожденные дефекты. Поскольку препарат рацемизируется, препарат нельзя считать безопасным для применения женщинами детородного возраста. [ 12 ] и его использование строго контролируется при лечении других заболеваний. [ 13 ]
Метамфетамин отпускается по рецепту под торговой маркой Desoxyn . Активным компонентом Дезоксина является гидрохлорид декстрометамфетамина . Это правый изомер метамфетамина. Левосторонний изомер метамфетамина, левометамфетамин , является безрецептурным препаратом, который оказывает менее центральное и более периферическое действие. Метедрин в 20 веке представлял собой рацемическую смесь обоих изомеров метамфетамина (лево и декстро) в соотношении 50:50.
Правило Уоллаха
[ редактировать ]Правило Уоллаха (впервые предложенное Отто Уоллахом ) гласит, что рацемические кристаллы имеют тенденцию быть более плотными, чем их хиральные аналоги. [ 14 ] Это правило было подтверждено анализом кристаллографических баз данных. [ 15 ]
См. также
[ редактировать ]- Хиральный переключатель
- Хиральность (то же, что и оптическая изомерия )
- Дескриптор (химия)
- Рацемическая (белковая) кристаллография
- Рацемизация
- Скелетная формула # Стереохимия , которая описывает, как стереохимия обозначается в скелетных формулах.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «рацемат» . Словарь Merriam-Webster.com . Мерриам-Вебстер . Проверено 8 июля 2018 г.
- ^ Бракель, Яап ван (2012). «Вещества». Философия химии . стр. 191–229. дои : 10.1016/B978-0-444-51675-6.50018-9 . ISBN 978-0-444-51675-6 .
- ^ Мосс, Джерри П. (1996). Основная терминология стереохимии (Рекомендации ИЮПАК, 1996 г.) . Кафедра химии Лондонского университета королевы Марии: научные публикации Блэквелла. стр. 8, 11.
- ^ Мосс, врач общей практики (1 января 1996 г.). «Основная терминология стереохимии (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)» . Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2193–2222. дои : 10.1351/pac199668122193 . S2CID 98272391 .
- ^ Номенклатура углеводов (рекомендации 1996 г.), 2-Carb-4. – Конфигурационные символы и префиксы
- ^ «Рацемические смеси» . 15 ноября 2021 г.
- ^ Жак, Жан; Колле, Андре; Вилен, Сэмюэл Х (1981). Энантиомеры, рацематы и резолюции . Уайли. ISBN 978-0-471-08058-9 . OCLC 7174200 . [ нужна страница ]
- ^ Фабиан, Ласло; Брок, Кэролин Пратт (1 февраля 2010 г.). «Список органических крипторацематов». Acta Crystallographica Раздел B: Структурная наука . 66 (1): 94–103. дои : 10.1107/S0108768109053610 . ПМИД 20101089 .
- ^ Уиллер, Крейг А.; Гроув, Ребекка К.; Дэвис, Рэймонд Э.; Кассель, В. Скотт (январь 2008 г.). «Повторное открытие квазирацематов Пастера». Angewandte Chemie, международное издание . 47 (1): 78–81. дои : 10.1002/anie.200704007 . ПМИД 18022885 .
- ^ Агранат, Израиль; Вайнштейн, Сильвия Р. (март 2010 г.). «Стратегия энантиомерных патентов лекарств». Открытие наркотиков сегодня . 15 (5–6): 163–170. дои : 10.1016/j.drudis.2010.01.007 . ПМИД 20116449 .
- ^ Амередес, Билл Т.; Калхун, Уильям Дж. (ноябрь 2006 г.). «(R)-Альбутерол от астмы: плюсы [он же (S)-альбутерол от астмы: минусы]». Американский журнал респираторной медицины и медицины интенсивной терапии . 174 (9): 965–969. дои : 10.1164/rccm.2606001 . ПМИД 17060667 .
- ^ де Хесус, Сорая Мачадо; Сантана, Рафаэль Сантос; Лейте, Сильвана Наир (2 января 2022 г.). «Сравнительный анализ применения и контроля талидомида в Бразилии и разных странах: можно ли говорить о безопасности?». Экспертное заключение о безопасности лекарственных средств . 21 (1): 67–81. дои : 10.1080/14740338.2021.1953467 . ПМИД 34232089 . S2CID 235759079 .
- ^ Столберг, Шерил Гей (17 июля 1998 г.). «Талидомид одобрен для лечения проказы, возможны и другие применения» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ Уоллах, О. (1895). «О познании терпенов и эфирных масел». Анналы химии Юстуса Либиха (на немецком языке). 286 (1): 90–118. дои : 10.1002/jlac.18952860105 .
- ^ Брок, Кэролайн Пратт; Швейцер, В. Бернд; Дуниц, Джек Д. (декабрь 1991 г.). «О справедливости правила Уоллаха: о плотности и стабильности рацемических кристаллов по сравнению с их хиральными аналогами». Журнал Американского химического общества . 113 (26): 9811–9820. дои : 10.1021/ja00026a015 .