В химии , в рацемической смеси , или рацемата ( / г eɪ с я м eɪ т , г ə -, г æ с ɪ м eɪ т / ), [1] является тот , который имеет равные количества по левой и правой вручил энантиомеры из в хиральной молекулы. Первой известной рацемической смесью была рацемическая кислота , которую Луи Пастер обнаружил как смесь двух энантиомерных изомеров.из винной кислоты . Образец, содержащий только один энантиомер, представляет собой энантиомерно чистое или энантиочистое соединение. [2]
Этимология
Из рацемической кислоты, содержащейся в винограде; от латинского racemus , что означает гроздь винограда. Эта кислота, естественно производимая в винограде, является только правой версией молекулы, более известной как винная кислота . Во многих германских языках рацемическая кислота называется «виноградной кислотой», например, немецкая traubensäure и шведская druvsyra . Карл фон Линне дал красной бузине научное название Sambucus racemosa, поскольку шведское название druvfläder означает «виноградная бузина», так называемая виноградная бузина.
Номенклатура
Рацемическая смесь обозначается префиксом (±) - или dl- (для сахаров может использоваться префикс dl - ), что указывает на равную (1: 1) смесь правосторонних и лево-изомеров. Также используется префикс rac- (или racem- ) или символы RS и SR (все курсивными буквами).
Если соотношение не 1: 1 (или неизвестно), префикс (+) / (-) ,Вместо этого используется d / l - или d / l- (с косой чертой).
ИЮПАК категорически не рекомендует использовать d и l . [3] [4]
Характеристики
Рацемат оптически неактивен , а это означает, что нет чистого вращения плоскополяризованного света. Хотя два энантиомера вращают плоско-поляризованный свет в противоположных направлениях, вращения отменяются, поскольку они присутствуют в равных количествах.
В отличие от двух чистых энантиомеров, которые имеют идентичные физические свойства, за исключением направления вращения плоско-поляризованного света, рацемат иногда имеет свойства, отличные от любого из чистых энантиомеров. Чаще всего встречаются разные точки плавления, но возможны и разные растворимости и температуры кипения .
Фармацевтические препараты могут быть доступны в виде рацемата или чистого энантиомера, которые могут иметь различную активность. Поскольку биологические системы обладают множеством хиральных асимметрий, чистые энантиомеры часто имеют очень разные биологические эффекты; примеры включают глюкозу и метамфетамин .
Кристаллизация
Существует четыре способа кристаллизации рацемата в зависимости от вещества; три из которых HWB Roozeboom отличил к 1899 году:
- Конгломерат (иногда рацемический конгломерат )
- Если молекулы вещества имеют гораздо большее сродство к одному и тому же энантиомеру, чем к противоположному, в результате получится 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. [5]
- Рацемическое соединение (иногда истинный 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 упорядоченном соотношении 1: 1 в элементарной ячейке. 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 хиральность (является энантиоморфным), несмотря на то, что оба энантиоморфа содержатся в соотношении 1: 1. [6]
- Псевдорацемат (иногда рацемический твердый раствор )
- Когда нет большой разницы в аффинности между одними и теми же и противоположными энантиомерами, тогда, в отличие от рацемического соединения и конгломерата, два энантиомера будут сосуществовать неупорядоченным образом в кристаллической решетке. Добавление небольшого количества одного энантиомера немного или совсем не изменяет температуру плавления.
- Квазирацемат
- Квазирацемат представляет собой сокристалл двух похожих, но различных соединений, одно из которых является левым, а другое - правым. Хотя химически они различны, они стерически похожи (изостерические) и все же способны образовывать рацемическую кристаллическую фазу. Один из первых таких рацематов, изученных Пастером в 1853 году, образуется из смеси 1: 2 бисаммониевой соли (+) - винной кислоты и бисаммониевой соли (-) - яблочной кислоты в воде. Было повторно исследовано в 2008 г. [7] образующиеся кристаллы имеют форму гантели с центральной частью, состоящей из (+) - битартрата аммония, тогда как внешние части представляют собой квазирацемическую смесь аммония (+) - битартрата и аммония (-) - бималат.
разрешение
Разделение рацемата на его компоненты, чистые энантиомеры, называется хиральным разделением . Существуют различные методы, включая кристаллизацию, хроматографию и использование ферментов . Первое успешное разделение рацемата было выполнено Луи Пастером , который вручную разделил кристаллы конгломерата.
Синтез
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 для этого не требуются специальные условия. Этот факт также приводит к вопросу о том, как биологическая гомохиральность развивалась на том, что считается рацемической первозданной землей.
Реагенты, и реакция , которые производят, рацемические смеси называются «не стереоспецифичны » или «не стереоселективными », за их нерешительность в конкретном стереоизомеризме . Частым сценарием является то, что плоские частицы (такие как атом углерода sp 2 или промежуточный карбокатион ) действуют как электрофил. Нуклеофил с вероятностью 50% «поразит» любую из двух сторон плоской группировки, образуя таким образом рацемическую смесь:
Рацемические фармацевтические препараты
Некоторые молекулы лекарств хиральны, а энантиомеры по-разному действуют на биологические объекты. Они могут продаваться как один энантиомер или как рацемическая смесь. Примеры включают талидомид , ибупрофен , цетиризин и сальбутамол . Аддералл представляет собой смесь обоих энантиомеров амфетамина в неравных количествах . Одна доза амфетамина объединяет нейтральные сульфатные соли декстроамфетамина и амфетамина с декстро-изомером сахарата амфетамина и моногидрата D / L-амфетамина аспартата. Обезболивающий трамадол, отпускаемый по рецепту , также является рацематом.
В некоторых случаях (например, ибупрофен и талидомид ) энантиомеры взаимопревращаются или рацемизируются in vivo . Это означает, что приготовление чистого энантиомера для лечения в значительной степени бессмысленно. Однако иногда образцы, содержащие чистые энантиомеры, могут быть изготовлены и проданы по более высокой цене в случаях, когда для использования требуется конкретно один изомер (например, для стереоспецифического реагента); сравните омепразол и эзомепразол . Переход от рацемического препарата к хирально-специфическому препарату может быть осуществлен для улучшения профиля безопасности или улучшенного терапевтического индекса. Этот процесс называется хиральным переключением, а полученное энантиочистое лекарство - хиральным переключением . [8] Приведем несколько примеров: эзомепразол представляет собой хиральный переключатель (±) -омепразола; левоцетиризин представляет собой хиральный переключатель (±) -цетиризина
Хотя часто активным может быть только один энантиомер лекарственного средства, бывают случаи, когда другой энантиомер является вредным, например сальбутамол [9] и талидомид . (R) энантиомер талидомида эффективен против утреннего недомогания, тогда как (S) энантиомер является тератогенным, вызывая врожденные дефекты. Поскольку препарат рацемизируется, препарат нельзя считать безопасным для использования женщинами детородного возраста [10], и его использование строго контролируется при использовании для лечения других заболеваний. [11]
Метамфетамин отпускается по рецепту под торговой маркой Desoxyn . Активный компонент Desoxyn - гидрохлорид декстрометамфетамина . Это правый изомер метамфетамина. Левосторонний изомер метамфетамина, левометамфетамин , является безрецептурным препаратом, который действует меньше центрального и более периферического действия.
Правило Валлаха
Правило Валлаха (впервые предложенное Отто Валлахом ) гласит, что рацемические кристаллы имеют тенденцию быть более плотными, чем их хиральные аналоги. [12] Это правило подтверждено кристаллографическим анализом базы данных. [13]
Смотрите также
- Хиральность ( такая же, как оптическая изомерия )
- Хиральный переключатель
- Рацемизация
- Рацемическая (белковая) кристаллография
Рекомендации
- ^ «рацемат» . Словарь Мерриама-Вебстера . Проверено 8 июля 2018 .
- ^ Мосс, Джерри П. (1996). Базовая терминология стереохимии (Рекомендации IUPAC 1996 г.) . Химический факультет Лондонского университета королевы Марии: Научные публикации Блэквелла. С. 8, 11.
- ^ GP Moss: Основная терминология стереохимии (Рекомендации 1996); Pure Appl. Chem., 1996, т. 68, № 12, с. 2205-2216; DOI : 10,1351 / pac199668122193
- ^ Номенклатура углеводов (Рекомендации 1996 г.), 2-Carb-4. - Конфигурационные символы и префиксы
- ^ Жак, Жан; Колле, Андре; Вилен, Сэмюэл Х. (1981). Энантиомеры, рацематы и разрешения . Нью-Йорк: Вили. ISBN 0-471-08058-6. OCLC 7174200 .
- ^ Л. Фабиан и К. П. Брок (2010). «Список органических крипторацематов» . Acta Crystallogr. B66 (1): 94–103. DOI : 10.1107 / S0108768109053610 . PMID 20101089 .
- ^ Вновь Пастера Quasiracemates Kraig A. Wheeler, Ребекка С. Гроув, Raymond E. Davis и W. Scott Кассель Angew. Chem. Int. Эд. 2008 , 47, 78–81 DOI : 10.1002 / anie.200704007
- ^ Агранат, Израиль; Вайнштайн, Сильвия Р. (2010). «Стратегия патентования энантиомеров лекарственных средств» . Открытие наркотиков сегодня . 15 (5–6): 163–170. DOI : 10.1016 / j.drudis.2010.01.007 . ISSN 1359-6446 .
- ^ (R) -Альбутерол от астмы: Pro , Билл Т. Амередес и Уильям Дж. Калхун
- ^ «Использование талидомида при проказе» . КТО: устранение проказы . ВОЗ . Проверено 22 апреля 2010 года .
- ^ Шерил Гей Столберг (17 июля 1998 г.). «Талидомид, одобренный для лечения проказы, с другими замеченными применениями» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 8 января 2012 года .
- ^ (Wallach, O. (1895). Liebigs Ann. Chem. 286 , 90–143.)
- ^ Кэролайн Пратт Брок, У. Бернд Швейцер и Джек Д. Дуниц (1991). «О справедливости правила Валлаха: о плотности и стабильности рацемических кристаллов по сравнению с их хиральными аналогами». Варенье. Chem. Soc. 113 (26): 9811–9820. DOI : 10.1021 / ja00026a015 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )