Оптически активные соединения интересуют химиков и фармакологов с момента их открытия, вот уже более 150 лет, поскольку оптические изомеры проявляют различную биологическую и фармакологическую активности. Нет единой теории, почему так происходит, свойства оптических изомеров описываются эмпирически. В этой статье я постараюсь коротко и доступно описать разницу в свойствах оптических изомеров наиболее известных ПАВ и методы разделения.
Сначала рассмотрим термины, используемые при описании молекул, обладающих оптической активностью:
Оптически активные вещества – среды, молекулы, обладающие естественной оптической активностью.
Оптическая активность – способность среды (кристаллов, растворов, паров) вызывать вращение плоскости поляризации плоскополяризованного света.
Стереоизомеры – молекулы, отличающиеся только пространственным расположением заместителей.
Хиральность – свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Такие зеркально-симметричные формы химических соединений называются энантиомерами.
Энантиомеры – оптические антиподы – молекулы, которые являются хиральными и соотносятся друг с другом посредством симметрии отражения.
Диастереоизомеры – стереомеры, вещества, которые не соотносятся друг с другом посредством симметрии отражения.
Рацематы – смесь оптических изомеров. Как правило, понятие «рацемат» относят к смеси оптических изомеров в соотношении один к одному, поскольку рацемат не вращает плоскость поляризованного света (равное количество правовращающих и левовращающих изомеров уравновешивают друг друга и суммарное вращение равно нулю).
Если вещество отклоняет плоскость поляризации вправо (при наблюдении навстречу лучу), его называют правовращающим (+), если влево – левовращающим (–). Распространенная среди органических соединений оптическая активность обусловлена их строением. Одной из причин ее возникновения является наличие в структуре органических молекул sp3-гибридизированного атома углерода, связанного с четырьмя различными группами. Такой атом называется хиральным, или асимметричным
Асимметричными могут быть и другие атомы, например азота, серы, фосфора. Соединения с одним асимметричным атомом углерода существуют в виде двух изомеров, соотносящихся как предмет к своему зеркальному отражению, правовращающих D (от лат. dextro – правый) и левовращающих L (от лат. laevo – левый) изомеров. Такие изомеры называют энантиомерами. Они похожи между собой, но не тождественны, имеют одинаковые состав и последовательность соединения атомов в молекуле, однако отличаются друг от друга относительным расположением атомов в пространстве, то есть конфигурацией. В настоящее время существует и другая, так называемая R,S-номенклатура оптических изомеров (от rectus – правый и sinister – левый), позволяющая наиболее точно описать конфигурацию вещества.
Многие биологически активные молекулы обладают хиральностью, причём природные аминокислоты и сахара представлены в природе преимущественно в виде одного из энантиомеров: аминокислоты, в основном, имеют l-конфигурацию, а сахара – d-конфигурацию
Две энантиомерные формы одной молекулы обычно имеют различную биологическую активность. Это связано с тем, что рецепторы, ферменты, антитела и другие элементы организма также обладают хиральностью, и структурное несоответствие между этими элементами и хиральными молекулами препятствует их взаимодействию. Например, ферменты, являющиеся хиральными молекулами, часто проявляют специфическую реакционную способность по отношению к одному из энантиомеров.
Так правовращающий амфетамин (d-амфетамин, дексамфетамин) имеет период полу распада в организме 9-11 часов, активно воздействует на дофаминовые рецепторы и вызывает эмоциональные и когнитивные эффекты, такие как эйфория, изменения либидо, улучшение когнитивного контроля, включают снижение времени реакции, повышение устойчивости к утомлению и усиление силы мышц.
А левовращающий (l-амфетамин, левоамфетамин) имеет период полураспада 11-16 часов, вызывает нарушение когнитивной функции провоцирует быстрое разрушение мышечной ткани, нарушения сна, тремор в конечностях, половую дисфункцию, может привести к развитию психоза (галлюцинации и паранойя).
Таким образом, потребитель, принявший рацемат (d,l-амфетамин), первые несколько часов чувствует на себе положительные эффекты дексамфетамина, нивелирующие негативное воздействие левамфетамина (d-изомер в 5-8 раз активнее левого), а после его распада, остается с левовращающим изомером один на один и испытывает т.н. «излет» со всеми его прелестями.
Вместе с тем, оптические изомеры метамфетамина обладают практически одинаковой биологической активностью. Периодически поступающий в продажу d-метамфетамин, не более чем рекламный ход, рассчитаный на потребителей оценивших разницу в приеме рацемического и дексамфетамина.
Для N-метилметкатинона (мефедрон, (RS)-2-метиламино-1-(4-метилфенил) пропан-1-он) , в свою очередь, S-энантиомер является в 4-5 раз более активным, по сравнению с R-формой. Но, такого разделения по эффектам, как у амфетамина, не наблюдается. Вместе с тем, в связи с повсеместным запретом вещества, не проводились серьезные исследования о долгосрочном влиянии на организм различных изомеров. Предполагаю, что S-форма вызывает зависимость быстрее и от нее значительно тяжелее избавиться, но это только предположение, основанное на исследованиях психологов Ливерпульского университета, свернутых, после запрета препарата.
Разделяют рацематы, получая интермедиаты с различными веществами, растворимость которых в каком-либо растворителе различна для интермедиатов разных энантиомеров. Теории здесь опять-таки не существует, методики разделения подбираются эмпирически.
Перспективным методом является хиральная хроматография, основанная на использовании оптически селективной модификации сорбента. Теория хиральной хроматографии, разделения оптических изомеров, еще находится в начале своего развития. Предложен механизм разделения, согласно которому в основе процесса разделения лежит обратимое образование комплекса между хиральным лигандом, коньюгированным на неподвижной фазе, и анализируемыми веществами. Предложена модель трехточечного взаимодействия. Взаимодействие происходит за счет образования водородных связей, ионных взаимодействий, диполь-дипольных взаимодействий, гидрофобных взаимодействий, имеющих важную роль в водной среде. Но это, не точно… )))
Статья больше теоретическая, если интересны свойства энантиомеров конкретных веществ, либо методики разделения, пишите в комментариях, постараемся помочь.
Сначала рассмотрим термины, используемые при описании молекул, обладающих оптической активностью:
Оптически активные вещества – среды, молекулы, обладающие естественной оптической активностью.
Оптическая активность – способность среды (кристаллов, растворов, паров) вызывать вращение плоскости поляризации плоскополяризованного света.
Стереоизомеры – молекулы, отличающиеся только пространственным расположением заместителей.
Хиральность – свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Такие зеркально-симметричные формы химических соединений называются энантиомерами.
Энантиомеры – оптические антиподы – молекулы, которые являются хиральными и соотносятся друг с другом посредством симметрии отражения.
Диастереоизомеры – стереомеры, вещества, которые не соотносятся друг с другом посредством симметрии отражения.
Рацематы – смесь оптических изомеров. Как правило, понятие «рацемат» относят к смеси оптических изомеров в соотношении один к одному, поскольку рацемат не вращает плоскость поляризованного света (равное количество правовращающих и левовращающих изомеров уравновешивают друг друга и суммарное вращение равно нулю).
Если вещество отклоняет плоскость поляризации вправо (при наблюдении навстречу лучу), его называют правовращающим (+), если влево – левовращающим (–). Распространенная среди органических соединений оптическая активность обусловлена их строением. Одной из причин ее возникновения является наличие в структуре органических молекул sp3-гибридизированного атома углерода, связанного с четырьмя различными группами. Такой атом называется хиральным, или асимметричным
Асимметричными могут быть и другие атомы, например азота, серы, фосфора. Соединения с одним асимметричным атомом углерода существуют в виде двух изомеров, соотносящихся как предмет к своему зеркальному отражению, правовращающих D (от лат. dextro – правый) и левовращающих L (от лат. laevo – левый) изомеров. Такие изомеры называют энантиомерами. Они похожи между собой, но не тождественны, имеют одинаковые состав и последовательность соединения атомов в молекуле, однако отличаются друг от друга относительным расположением атомов в пространстве, то есть конфигурацией. В настоящее время существует и другая, так называемая R,S-номенклатура оптических изомеров (от rectus – правый и sinister – левый), позволяющая наиболее точно описать конфигурацию вещества.
Многие биологически активные молекулы обладают хиральностью, причём природные аминокислоты и сахара представлены в природе преимущественно в виде одного из энантиомеров: аминокислоты, в основном, имеют l-конфигурацию, а сахара – d-конфигурацию
Две энантиомерные формы одной молекулы обычно имеют различную биологическую активность. Это связано с тем, что рецепторы, ферменты, антитела и другие элементы организма также обладают хиральностью, и структурное несоответствие между этими элементами и хиральными молекулами препятствует их взаимодействию. Например, ферменты, являющиеся хиральными молекулами, часто проявляют специфическую реакционную способность по отношению к одному из энантиомеров.
Так правовращающий амфетамин (d-амфетамин, дексамфетамин) имеет период полу распада в организме 9-11 часов, активно воздействует на дофаминовые рецепторы и вызывает эмоциональные и когнитивные эффекты, такие как эйфория, изменения либидо, улучшение когнитивного контроля, включают снижение времени реакции, повышение устойчивости к утомлению и усиление силы мышц.
А левовращающий (l-амфетамин, левоамфетамин) имеет период полураспада 11-16 часов, вызывает нарушение когнитивной функции провоцирует быстрое разрушение мышечной ткани, нарушения сна, тремор в конечностях, половую дисфункцию, может привести к развитию психоза (галлюцинации и паранойя).
Таким образом, потребитель, принявший рацемат (d,l-амфетамин), первые несколько часов чувствует на себе положительные эффекты дексамфетамина, нивелирующие негативное воздействие левамфетамина (d-изомер в 5-8 раз активнее левого), а после его распада, остается с левовращающим изомером один на один и испытывает т.н. «излет» со всеми его прелестями.
Вместе с тем, оптические изомеры метамфетамина обладают практически одинаковой биологической активностью. Периодически поступающий в продажу d-метамфетамин, не более чем рекламный ход, рассчитаный на потребителей оценивших разницу в приеме рацемического и дексамфетамина.
Для N-метилметкатинона (мефедрон, (RS)-2-метиламино-1-(4-метилфенил) пропан-1-он) , в свою очередь, S-энантиомер является в 4-5 раз более активным, по сравнению с R-формой. Но, такого разделения по эффектам, как у амфетамина, не наблюдается. Вместе с тем, в связи с повсеместным запретом вещества, не проводились серьезные исследования о долгосрочном влиянии на организм различных изомеров. Предполагаю, что S-форма вызывает зависимость быстрее и от нее значительно тяжелее избавиться, но это только предположение, основанное на исследованиях психологов Ливерпульского университета, свернутых, после запрета препарата.
Разделяют рацематы, получая интермедиаты с различными веществами, растворимость которых в каком-либо растворителе различна для интермедиатов разных энантиомеров. Теории здесь опять-таки не существует, методики разделения подбираются эмпирически.
Перспективным методом является хиральная хроматография, основанная на использовании оптически селективной модификации сорбента. Теория хиральной хроматографии, разделения оптических изомеров, еще находится в начале своего развития. Предложен механизм разделения, согласно которому в основе процесса разделения лежит обратимое образование комплекса между хиральным лигандом, коньюгированным на неподвижной фазе, и анализируемыми веществами. Предложена модель трехточечного взаимодействия. Взаимодействие происходит за счет образования водородных связей, ионных взаимодействий, диполь-дипольных взаимодействий, гидрофобных взаимодействий, имеющих важную роль в водной среде. Но это, не точно… )))
Статья больше теоретическая, если интересны свойства энантиомеров конкретных веществ, либо методики разделения, пишите в комментариях, постараемся помочь.