рацематы

РАЦЕМАТЫ

состоят из эквимол. количеств энантиомеров и не обладают оптич. активностью" Существуют в виде мол. соединений (истинные Р.) и рацемич. смесей кристаллич. энантиомеров (конгломерата, т. е. простой смеси кристаллов право- и левовращающего антиподов) или смешанных кристаллов, образованных обоими энантиомерами. Физ. свойства (температура плавления, плотность, растворимость и др.) истинных Р. отличны от свойств индивидуальных энантиомеров, а их ИК спектры и рентгенограммы отличаются от тех, которые дают простые смеси этих же веществ. Образование истинных Р. обусловлено водородными связями, индукционным или дисперсионным взаимодействием. Характер связи между энантиомерами в Р. может быть определен с помощью диаграммы зависимости температуры плавления от состава: для истинных Р. (рис. I) она имеет эвтектич. точки и максимум, соответствующий соотношению энантиомеров 1:1, температура плавления м. б. как выше (линия Б), так и ниже (А) температур плавления энантиомеров; для конгломерата — резкий минимум в точке эквивалентности (рис. 2); для смешанных кристаллов диаграмма м. б. выпуклой (А), вогнутой (Б) или прямой линией (рис. 3).

рацематы

рацематы. Рис. 2

Образование молекулярных соед. возможно также при смешении энантиомерных форм родственных соед., напр. (+)-хлорянтарной и (—)-бромянтарной кислот. Подобные раце-мич. соед. наз. квазирацематами. Их диаграммы плавления сходны с диаграммами истинных Р., но обе половины кривой состояния уже не симметричны и максимум может и не соответствовать энантиомерному составу 1:1. Образование квазирацематов используют для определения конфигурации молекул (метод квазирацематов). Метод заключается в том, что по характеру диаграммы плавления смеси двух веществ определяют, являются ли они энантиомерами или нет, и, если конфигурация молекул одного из веществ известна, устанавливают конфигурацию молекул второго. Об образовании квазирацематов можно судить также по ИК спектрам и рентгенограммам, которые, как и у истинных Р., отличны от спектров и рентгенограмм простых смесей двух веществ.

Р. образуются при любом хим. синтезе, приводящем к хиральным молекулам, если исходные компоненты реакции были оптически неактивны и синтез проводился в отсутствие асимметризующих воздействий (хиральный катализатор, облучение циркулярно-поляризованным светом и др.; см. асимметрический синтез). Это обусловлено тем, что переходные состояния при образовании энантиомеров энергетически эквивалентны. При наличии асимметризующих факторов переходные состояния диастереомерны, их энергия различна, поэтому возможно образование предпочтительно одного из двух энантиомеров конечного продукта.

Рацемизация. Р. образуются также в результате рацемизации оптически активных соед., представляющей собой обратимое взаимное превращение энантиомеров. В отсутствие асимметризующих факторов этот процесс заканчивается установлением динамич. равновесия между ними при строго эквимолярном содержании энантиомеров в смеси.

При рацемизации происходит обмен местами к.-л. двух атомов или радикалов, связанных с элементом хиральности. Рацемизация — часто не самопроизвольный процесс; она вызывается, напр., действием кислот, щелочей, повышением температуры.

Скорость и механизм рацемизации зависят от строения оптически активных соед. и от условий ее проведения (температуры, растворителя, катализатора и т. д.). Кинетически рацемизация обычно описывается уравнением для необратимой реакции первого порядка:

k= (2,3/t)lgα0t,

где k — константа скорости рацемизации, α0 и αt-величины соотв. первонач. оптич. вращения и ко времени t. В зависимости от природы элементов хиральности молекулы энан-тиомера рацемизация м. б. либо химической, либо физической.

Хим. рацемизация наиб. характерна для соед., в молекулах которых хиральным центром является асим. атом углерода. Отрыв от него одного из заместителей приводит к образованию плоского карбкатиона и потере хиральности. Послед. присоединение этого же заместителя происходит равновероятно с обеих сторон плоскости карбкатиона, что приводит к образованию Р. По др. механизму рацемизация протекает с промежут. образованием карбаниона, напр. в результате отрыва протона от асим. атома С. При термич. рацемизации в результате гомолитич. разрыва связи асим. атома с одним из заместителей образуются радикалы, которые при рекомбинации дают Р.

Легкость протекания рацемизации зависит от типа функц. групп, связанных с асим. атомом С. Легко рацемизуются соед., содержащие в качестве заместителей при асим. центре атом водорода и сильный акцептор электронов, напр., молочная кислота CH3—СНОН—СООН, дикетоны R—СО— —CHR'—COR: и т. д. У дикетонов хиральность исчезает в результате енолизации. В то же время соед., не склонные к образованию промежут. ионов или таутомерным превращениям, напр. алканы, устойчивы к рацемизации. Существуют соед., которые хотя и образуют промежут. ионы, не подвергаются рацемизации, вследствие стерич. особенностей структуры их молекул. Например, у производных камфоры или триптицена, в молекулах которых асим. атом С находится в вершине циклич. системы, присоединение протона к промежут. карбаниону возможно только со стороны, противоположной циклич. системе:

рацематы. Рис. 3

Физ. рацемизацию наиб. легко проследить на примерах таких родственных соед., как амины, фосфины, арсины, стибины 3R1R2R3. Молекулы этих соед. имеют неподеленную пару электронов, и при наличии разл. заместителей у гетероатома для них возможна оптич. изомерия. Рацемизация знантиомерных форм этих соед. обусловлена пирамидальной инверсией. В случае аминов вследствие быстрой инверсии выделить оптич. изомеры обычно не удается; амины существуют только в виде Р. Исключения — циклич. соед. (основания Трегера, азиридины, диазиридины) и третичные амины NR1R2R3, содержащие в радикалах R электроотрицат. заместители. С ростом размера гетероатома в ряду N < Р < As < Sb величина энергетич. барьера инверсии для соед. 3R1R2R3 возрастает, соотв. увеличивается и устойчивость этих соед. к рацемизации. Стибины вполне стабильны и при нормальных условиях могут существовать в виде Р. и отдельных энантиомеров.

Без к.-л. хим. реакций происходит рацемизация соед. с мол. асимметрией. Такие соед. рацемизуются в результате взаимного перемещения (гелицены) или вращения (производные дифенила) отдельных фрагментов их молекул. Если энергетич. барьер этих перемещений достаточно высок, соед. устойчивы к рацемизации (производные дифенила с четырьмя объемистыми заместителями в орто-положениях или гелицены, содержащие в молекуле более шести конденсир. колец), в случае же малых энергетич. барьеров рацемизация осуществляется достаточно легко.

Расщепление Р. Обратный рацемизации процесс — выделение энантиомеров из их рацемич. смеси-наз. расщеплением Р. Впервые расщепление Р. было осуществлено (Л. Пастер, 1848) при кристаллизации натрий-аммониевой соли виноградной кислоты; выделенный осадок представлял собой энан-тиоморфную смесь кристаллов, а индивидуальные кристаллы-либо лево-, либо правовращающие формы винной кислоты. Известно лишь неск. десятков примеров расщепления Р. при спонтанной кристаллизации энантиомеров. Более общий метод заключается в том, что в пересыщ. раствор Р. вводят затравку кристаллов одного из энантиомеров, что приводит к кристаллизации именно этого оптич. изомера. Затем в оставшийся раствор добавляют затравку кристаллов второго энантиомера и тем самым вызывают его кристаллизацию, поскольку именно этим оптич. изомером пересыщен оставшийся раствор, и т. д. Расщепление Р. путем затравочной кристаллизации реализовано в промышленности (напр., для D,L-глутаминовой кислоты), однако этот способ также не универсален.

Др. способ расщепления Р. — биохимический-основан на том, что микроорганизмы при своем развитии используют только один из двух оптич. изомеров, присутствующих в Р. Остающийся энантиомер м. б. выделен. Этот путь позволяет получать только один из энантиомеров, второй необратимо теряется. Избирательность действия микроорганизмов по отношению к энантиомерам связана с высокой энантиоселективностью содержащихся в микроорганизмах ферментов. Поэтому для разделения энантиомеров нет необходимости применять сами микроорганизмы, достаточно использовать в этих целях выделенные из биол. объектов ферментные препараты. Наиб. широко для расщепления Р. применяют гидролазы — ферменты, катализирующие гидролиз сложноэфирных или амидных связей. При этом гидролизу подвергается только один из двух энантиомеров субстрата, а разделение конечной смеси, напр., своб. кислоты и ее сложного эфира м. б. легко осуществлено обычными методами. Так, при действии фермента ацилазы на рацемич. N-ациламинокислоту гидролизу (а следовательно, и отделению) подвергается лишь L-форма.

В то же время высокая специфичность действия ферментов ограничивает их использование, поскольку мн. синтетические Р., не встречающиеся в живой природе, не подвергаются воздействию ферментов. Др. недостаток этого метода — относительно высокая стоимость ферментов. Тем не менее расщепление Р. с использованием иммобилизованных на нерастворимом носителе ферментов реализовано в пром. производстве оптически активных аминокислот.

Наиб. общий метод расщепления Р. — химический, при котором на Р. действуют оптически активным реагентом, в результате чего образуется новая пара веществ — диастереоме-ров. Последние м. б. разделены вследствие различия в их физ. свойствах. Хиральный реагент после разделения диасте-реомеров отщепляют. Например, рацемич. (R, S)-1-фенилэтил-амин образует с природной (2R, 3R)-винной кислотой две диасте-реомерные соли: [(R)-1-фенилэтиламин]∙[(2R,3R)-винная кислота] и [(S)-1-фенилэтиламин]∙[(2R, 3R)-винная кислота], которые обладают разл. растворимостью в этаноле и м. б. разделены кристаллизацией. Своб. амин выделяют затем экстракцией диэтиловым эфиром из водного щелочного раствора соли.

Для расщепления рацемич. кислот используют их способность образовывать соли с хиральными прир. и синтетич. основаниями-хинином, бруцином, стрихнином, 1-фенилэтилами-ном и др. Рацемич. спирты расщепляют путем превращения их в кислые эфиры дикарбоновых кислот (напр., фталевой) с послед. кристаллизацией в виде диастереомерной соли с хиральным амином.

Метод расщепления Р. путем превращения их в диастерео-меры не пригоден для орг. соед., не имеющих функц. групп, напр. для алканов. Для расщепления таких Р. используют, напр., способность мочевины к образованию клатратов. Мочевина кристаллизуется в хиральной гексагон. решетке, в цилиндрич. каналах которой могут размещаться молекулы "гостя". Кристаллы мочевины м. б. как право-, так и левовращающими, поэтому клатраты мочевины с энантиомера-ми приобретают характер диастереомеров. Разделение Р. по этому способу осуществляют внесением затравки одного из энантиомеров в насыщ. раствор мочевины и Р., выпадающие при этом кристаллы клатрата обогащены именно внесенным энантиомером.

Др. хим. метод расщепления Р. — кинетич. расщепление, основанное на том, что в реакциях с оптически активными реагентами (или в присутствии хиральных катализаторов или хиральных растворителей) скорость превращения одного энантиомера не равна скорости превращения другого. Если в подобную реакцию ввести рацемат и прервать реакцию до ее полного завершения, то один из энантиомеров, реагируя быстрее, будет преобладать в продукте реакции, другой — в непрореагировавшем остатке. Пример — расщепление рацемич. (n-толил) мезитилсульфоксида восстановлением под действием реагента, полученного из оптически активного 1-фенилэтиламина и А1H3.

Асим. превращениями наз. процессы, в ходе которых происходит превращение Р. в смесь энантиомеров с преобладанием одного из них. К асим. превращениям относится, в частности, мутаротация моносахаридов. Этот метод наз. также ретрорацемизацией.

Для расщепления Р. используют также хроматографию на хиральных неподвижных фазах. Ранее в качестве таких фаз использовали прир. хиральные полимеры — белки, крахмал, целлюлозу, шерсть и др., из которых теперь применяют только микрокристаллич. целлюлозу и ее производные. В осн. для расщепления Р. используют более селективные синтетич. хиральные сорбенты, полученные специально для разделения той или иной группы рацемич. соединений. Так, Р., молекулы которых содержат фрагменты, способные к образованию комплексов с переносом заряда, м. б. расщеплены на хиральных фазах, имеющих структуру нафтилглицина (для электроноакцепторных молекул) или динитробензоил-аминокислот и пикрил (1-фенилэтил) амина (для электроно-донорных молекул). Соед., способные к образованию комплексов с переходными металлами, м. б. разделены на энантиомеры методом лигандообменной хроматографии с использованием хиральных комплексообразующих сорбентов. Этим методом расщепляют, напр., меченные тритием α-аминокислоты. Применяют сорбенты, содержащие фрагменты циклодекстринов, расщепление Р. на них осуществляется в результате образования соед. включения. Получены хиральные стационарные фазы, разделение энантиомеров на которых происходит благодаря возникновению водородных связей и ион-дипольных взаимод. между энантиомерами и сорбентом. Расщепление Р. хроматографич. методом позволяет одновременно получить и информацию об оптич. чистоте выделенных энантиомеров.

Лит.: Потапов В.М., Стереохимия, 2 изд., М., 1988; Jacques J., Collet A., Wilen S.H., Enantiomers, racemates and resolutions, N. Y., 1981.

А. А. Курганов

Источник: Химическая энциклопедия на Gufo.me


Значения в других словарях

  1. рацематы — орф. рацематы, -ов, ед. -мат, -а Орфографический словарь Лопатина
  2. Рацематы — То же, что Рацемические соединения; см. также Изомерия, Стереохимия. Большая советская энциклопедия
  3. РАЦЕМАТЫ — РАЦЕМАТЫ (рацемические соединения) — см. в ст. Энантиомерия. Большой энциклопедический словарь