Понятие структурная формула ввел в химию. Структурная химия. Типы органических реакций

Переход от неживой материи к живой произошел, по-видимому после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизведения материальных основ живой клетки . В современных организмах обе жизненные системы достигли высочайшего уровня совершенства.

Назначение обмена веществ – поддерживать равновесное состояние живого организма. Такая довольно сложная задача решается путем отбора веществ, из которых синтезируются нужные организму соединения. С другой стороны, эта система выводит из организма все то, что не может быть им усвоено или что появляется как шлак от процессов жизнедеятельности. Система обмена обеспечивает взаимосогласованные биохимические реакции синтеза и расщепления белков.

Система воспроизведения содержит в закодированном виде полную информацию для построения из запасенного клеткой органического вещества нужного в данный момент белка. Она же управляет механизмом извлечения и реализации программной информации. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством полимерных соединений – полинуклеотидов. Здесь ключевая роль принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) и рибонуклеиновой кислоте (РНК). ДНК хранит генетическую информацию, а РНК воспроизводит ее и переносит в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные вещества.

В последнее время в изучении механизмов работы основополагающих жизненных систем достигнуты определенные успехи. Но до сих пор никто не знает как же появились эти две системы.

Существует, кроме того, пока необъяснимое, различие физических свойств живого и неживого вещества, отражающее особенность процесса возникновения жизни на Земле. Отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, является их оптическая активность – способность поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении – либо влево, либо вправо, в зависимости от конкретного типа соединений. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L-конфигурацию), а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК – только вправо, т. е. обладают правой или D-конфигурацией. В то же время неживое вещество подобного химического состава представляет собой смесь с равновероятным содержанием молекул обеих конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит. Предполагается, что оптическая активность органических соединений живых организмов имеет прямое отношение к происхождению жизни.

Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностью , а соответствующие им молекулы – хиральными . Хаотическая же смесь органических молекул обеих пространственных конфигураций называют рацематом , который возникает при абиогенном синтезе органических молекул. Вне сомнений в преджизненный период образования органических соединений на Земле возникал только рацемат. При переходе к жизни в органических соединения вдруг произошла сортировка молекул и появилась хиральность. Существует мнение по поводу возникновения: переход от рацемата к хиральности произошел не в ходе эволюционного, а в результате скачка со всеми характерными чертами самоорганизации материи. Есть другая точка зрения. Ее выдвинул Л. Пастер (1822-1895). Суть ее в том, что зеркальная ассиметрия живых систем следует некоторой ассиметрии Вселенной. Отдавая должное широте взглядов ученого, еще в прошлом веке связавшего жизнь и космос в единое целое, отметим: ассиметрия Вселенной нарушала бы симмерию любого органического вещества, от его происхождения. Точку зрения Пастера пытались развить, выдвигая предположения о существовании каких-то агентов, оказывающих ассиметричное воздействие на вещество организмов. Однако обнаружить таких агентов пока не удалось.

Носитель генетической информации. Нуклеиновые кислоты. Состав и структура молекул ДНК и РНК. Принцип комплиментарности. Геном организма. Свойства генетического кода. Репликация ДНК. Генетические свойства организма.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – материальный носитель генетической информации. Это высокомолекулярное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом. Гистоны входят в состав ядер клеток и участвуют в поддержании и изменении структуры хромосом на разных стадиях клеточного цикла, в регуляции активности генов. Отдельные участки молекул ДНК соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров четырех типов – нуклеотидов , специфичность которых определяется одним из четырех азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Сочетание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК образуют генетический код. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком. За расшифровку генетического кода Дж. Уотсон, Ф. Крик и английский биофизик М. Уилкинс, впервые получивший высококачественную рентгенограмму молекулы ДНК, удостоены Нобелевской премии 1962 г.

ДНК – это удивительное природное образование со спиральной симметрией. Длинные переплетенные нити цепочечной структуры ДНК состоят из молекул сахара и фосфатов. К молекулам сахара присоединяются азотистые основания, образуя поперечные связи между двумя спиральными нитями. Вытянутая молекула ДНК напоминает деформированную винтообразную лестницу. Это действительно макромолекула: ее молекулярная масса может достигать 109. В данных нуклеотидных парах таким образом А всегда связывается с Т, а С с G. Такая связь соответствует принципу комплиментарности .

Способность азотистых оснований к распознаванию своего партнера приводит к свертыванию сахарофосфатных цепей в виде двойной спирали, структура которой экспериментально определена в результате рентгеновских наблюдений.

Сахарофосфатную группу вместе с одним из азотистых оснований А, Т, С или G, образующую нуклеотид, можно представить в виде своеобразного строительного блока. Из таких блоков и состоит молекула ДНК. С помощью последовательности нуклеотидов кодируется информация в молекуле ДНК. В ней содержится информация, необходимая, например, для производства белков, нужных живому организму.

Молекула ДНК может копироваться в процессе катализируемой ферментами репликации, заключающейся в ее удвоении. Процесс репликации включает разрыв старых и формирование новых водородных связей. В начале репликации две противоположные цепи начинают раскручиваться и отделяться одна от другой. В точке раскручивания фермент пристраивает новые цепи к двум старым по принципу комплиментарности, в результате образуются две идентичные двойные спирали. Кодирование генетической информации и репликация молекулы ДНК – взаимосвязанные важнейшие процессы, необходимые для развития живого организма.

Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов ДНК. Основополагающие работы по расшифровке генетического кода провели американские биохимики М. Ниренберг, X. Корана и Р. Холли; лауреаты Нобелевской премии 1968 г. Три последовательных нуклеотида составляют единицу генетического кода, называемую кодоном. Каждый кодон кодирует ту или иную аминокислоту, общее число которых равно 20. Молекулу ДНК можно представить в виде последовательности букв-нуклеотидов, образующих текст из большого их числа, например, АСАТ-TGGAG... В таком тексте и содержится информация, определяющая специфику каждого организма. Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Молекулы, в которых имеется хотя бы один атом углерода, соединенный с четырьмя различными заместителями, называются асимметрическими или хиральными . Другими словами, это молекулы, не имеющие ни центра, ни плоскости симметрии.

Хиральность (др.-греч. χειρ - рука) - свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета - руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве.

Теперь нам необходимо познакомиться с представлением о поляри­зованном свете, поскольку это явление используется для изучения и опи­сания хиральных молекул. Свет становится плоскополяризованным в ре­зультате прохождения обычного света через поляризатор.

Если пропускать плоскополяризованный свет через раствор хирального вещества, плоскость, в которой происходят колебания, начинает вращаться. Вещества, которые вызывают такое вращение, называются оптически активными . Угол вращения измеряют прибором, который на­зывается поляриметр (или анализатор).

Способность какого-либо вещества вращать плоскость поляризации света характеризуют удельным вращением. Удельное вращение определя­ют как угол вращения плоскости поляризации раствором, содержащим в 1 мл 1 г оптически активного вещества при длине трубки 0,1 м. Наблю­даемый угол вращения зависит от длины трубки (чем больше длина, тем больше вращение) и от концентрации (обычно чем ниже концентрация, тем меньше вращение).

Если плоскость поляризации вращается вправо (по часовой стрелке) от наблюдателя, соединение называют правовращающим, а удельное вра­щение записывают со знаком (+). При вращении влево (против часовой стрелки) соединение называют левовращающим, а удельное вращение за­писывают со знаком (-).

Посмотрим, как связана оптическая активность с молекулярным строением вещества. Ниже приведено пространственное изображение хиральной молекулы и ее зеркального отражения:

Оптические изомеры (энантиомеры)

На первый взгляд может показаться, что это одна и та же молекула, изображенная по-разному. Однако, если Вы соберете модели обеих форм и попытаетесь совместить их так, чтобы все атомы совпали друге другом, Вы быстро убедитесь, что это невозможно, т. е. оказывается, что молеку­ла несовместима со своим зеркальным отражением.

Таким образом, две хиральные молекулы, относящиеся друг к дру­гу как предмет и его зеркальное изображение, не тождественны. Эти мо­лекулы (вещества) являются изомерами, получившими название энантиомеров или оптических изомеров . Большинство химических и физических свойств пары энантиомеров идентичны. Это относится к температурам кипения и плавления, плотности, поверхностному натяжению, растворимости, устойчивости и реакционной способности по отношению к большинству реагентов.

Энантиомеры, однако, отличаются друг от друга в двух отношениях.

1) Они по-разному действуют на плоскополяризованный свет. Один энантиомер вращает плоскость поляризации света в одном направлении на определенную величину. Другой энантиомер будет вращать плоскость поляризации на точно такую же ве­личину, но в противоположном направлении.

2) Энантиомеры по-разному реагируют с другими хиральными моле­кулами, в частности с веществами природного происхождения, образую­щимися в биологических объектах. Например, если один из энантиомеров токсичен, то другой может и не обладать этим свойством. Если один из энантиомеров представляет собой витамин, то второй такими свойствами не обладает. Эти различия в биохимических свойствах энантиомеров связа­ны с тем, что биохимические процессы в живом организме катализируются ферментами (энзимами). Ферменты представляют собой хиральные соеди­нения белковой природы. Для того чтобы соединение было биологически активным, его геометрия должна соответствовать строению определенно­го участка фермента.
Итак, подведем итоги:
Молекулы, не имеющие элементов симметрии, называются хиральными. Эти молекулы обладают необычным свойством - спо­собностью вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света.
Изомеры, молекулы которых хиральны и являют­ся зеркальными изображениями друг друга, называются энантиомерами.
Энантиомеры имеют идентичные физические и хими­ческие свойства и различаются только направлением вращения плоскости поляризации света и характером взаимодействия с другими хиральными веществами, например ферментами.

Хиральность - это способность объекта существовать в двух зеркально-симметричных формах, например, как левая и правая ладони. Научные исследования показывают, что каким-то образом разделение на "лево" и "право" является обязательным условием существования жизни! Ведь хиральность присуща не только материальным объектам, но и молекулам. Это явление было открыто в середине XIX века Луи Пастером, который исследовал химическую асимметрию цитоплазмы живых клеток.

Как известно, органические молекулы содержат в себе большое число различных атомов и имеют пространственную структуру. Иногда одни и те же атомы могут располагаться в теле молекулы различным образом. Это называется изомерия. А зеркально-симметричные формы изомеров, одинаковые, но как бы закрученные в разные стороны, называются энантиомерами . От того, в какую сторону вращается молекула, полностью зависят свойства вещества, они по-разному вступают в реакции и взаимодействуют с другими веществами, особенно биологическими, а как лекарства имеют различные эффекты.

Например, энантиомеры вращают в разные стороны плоскость поляризации света при прохождении его через раствор. Кстати, по направлению вращения плоскости поляризации их и разделяют на L-формы (или S-формы, лево-вращающие) и D-формы (или R-формы, право-вращающие). Другие примеры явлений, в которых непосредственно проявляет себя явление хиральности, - это хроматография и электрофорез. Ещё большую роль хиральность играет в жизнедеятельности и развитии живых организмов, формировании симметрии их тел, процессах деления клеток и развитии зародыша. Так, L–листья фасоли превосходят D–листья по интенсивности фотосинтеза и дыхания, а также по содержанию пигментов (хлорофиллов a и b, лютеина, виолоксантина и каротина), и обладают также большей засухо– и жароустойчивостью. Микроорганизмы образуют колонии только определённой (L или D) спиральной структуры. Подавляющее большинство раковин моллюсков также закручены влево (L).

Всем неживым системам присуща обычная симметрия, а живым - зеркальная. Все органические соединения способны образовывать энантиомеры, но только один из этих энантиомеров ("левый" или "правый") способен поддерживать жизнь. Поэтому все рецепторы, ферменты, гормоны, антитела и прочие элементы организма присутствуют в организмах только в одной из своих зеркально-симметричных форм. Так, все сахара (углеводы), нуклеотиды, ДНК и РНК имеют D-конфигурацию, а все молекулы ферментов, аминокислот и белков - L-конфигурацию.

Биологи без преувеличения утверждают, что хиральность является тем необходимым свойством материи, которое даёт ей жизнь. Но существование всех биологических веществ в природе только в одной своей хиральной форме ставит жирный крест на Теории Эволюции. Ведь вероятность образования даже сравнительно небольшого протеина из 100 аминокислот только L-конфигурации составляет "два в минус сотой степени" или "десять в минус тридцатой"! При этом происхождение хиральности остаётся полной загадкой, и у науки нет никакого ответа на вопрос, почему в природе остались только L или D изомеры, а их энантиомеры полностью исчезли.

Хиральность имеет решающее значение при создании лекарств. Если синтезировать в лабораторных условиях какое-либо сложное органическое вещество, то получится так называемая рацемическая смесь , в составе которой в равных количествах будут присутствовать L и D-изомеры. Поскольку их биохимические свойства различны, фармацевты вынуждены отделять энантиомеры друг от друга. Так, только S-форма ибупрофена обладает антивоспалительным действием, его R-форма неактивна. Другой пример: только L-тироксин является гормоном щитовидной железы человека, а его D-форма - опасное токсичное вещество.

Последние исследования раковых клеток показало, что в них наблюдается повышенное содержание энзима изомеразы (AMACR), которая ответственна за хиральную инверсию - превращение "мёртвых" энантиомеров в "живые". Поэтому биологи называют одной из причин раковых заболеваний - употребление неправильных энантиомеров: искусственно синтезированных сахаров, жиров и вкусовых добавок, которые по сути являются рацемическими смесями. Ещё один пример: лишь направление вращения отличает искусственно созданный в лабораторных условиях D-никотин от всем известного L-никотина, который входит в состав любого табака, но если первое соединение нейтрально для организма человека, то по раковым заболеваниям лёгких уверено лидируют курильщики.

Интересно, что явление хиральности отражено в древних учениях об организме человека. Так, в системе йоги указано на существование в теле человека трёх каналов - левого, правого и центрального. По левому каналу энергия движется, вращаясь против часовой стрелки, а по правому каналу - по часовой стрелке. Боги-Хранители каналов - Шива и Брахма - имеют в качестве атрибутов свастики, показывающие направление вращения. Система раздельного питания предполагает употребление белков (то есть веществ, имеющих L-конфигурацию) для очищения левого канала и употребление углеводов и жиров (веществ, имеющих D-конфигурацию) для очищения правого канала. Большое внимание также уделяется правильному направлению вращения чакр, которое служит основой здоровья и долголетия.

8.2.2.б. Симметрийное определение хиральности

Теперь рассмотрим вопрос: к каким точечным группам симметрии должна принадлежать молекула, чтобы она была хиральной? Другими словами, каким должен быть характер диссимметрии молекулы, и какие элементы симметрии обязательно должны отсутствовать? Прежде всего очевидно, что хиральна любая истинно асимметрическая молекула, относящаяся к группе С 1 , не имеющая никаких элементов симметрии, кроме идентичности (и оси С 1 , т.к. С 1 Е). Очевидно, также, что молекулы, имеющие плоскость симметрии (s) или центр симметрии (i) ахиральны, поскольку они состоят из двух одинаковых "половинок" и в зеркальном отображении левая и правая половинки преобразуются друг в друга или без поворотов (при наличии плоскости), или с поворотом на 180 0 (при наличии центра инверсии). Молекулы, имеющие зеркально-поворотные оси (S n) также совмещаются со своим зеркальным отображением, и поэтому ахиральны. Следовательно, хиральны только молекулы, относящиеся к аксиальным точечным группам С n и D n .

Таким образом, можно сформулировать следующий симметрийный критерий хиральности:

любая молекула, которая не имеет несобственной оси вращения S n хиральна.

Старое определение оптической изомерии, а именно, "у молекулы не должно быть ни плоскости, ни центра симметрии", недостаточно точно. Поскольку S 1 s и S 2 i, если у молекулы нет несобственной оси вращения, то у нее не должно быть ни s , ни i. Существуют молекулы, у которых нет ни i, ни s , но есть ось S n , и которые поэтому ахиральны. Примером является молекула 1,3,5,7-тетраметилциклооктатетраена (XI), у которой нет ни плоскости, ни центра симметрии, но есть зеркально-поворотная ось S 4 . Она оптически неактивна.

Впервые доказательство справедливости данного выше определения хиральных молекул получено при исследовании изомерных четвертичных аммонийных солей со спирановым атомом азота IV, V, VII и IX. Изомеры IV и V асимметричны (группа C 1), изомер VII диссимметричен (группа D 2). Поэтому эти три изомера должны быть хиральными. И действительно, они были получены в оптически активной форме. Однако изомер VIII относится к группе S 4 , т.е. ахирален, и получить его в оптически активной форме нельзя.

Структура молекул органических соединений бывает настолько сложной, что поиск возможных элементов симметрии часто представляет собой очень трудную задачу. Поэтому необходим какой-либо разумный практически метод последовательных действий при классификации молекул по точечным группам симметрии. Ниже описана схема метода, предложенного Ф.Коттоном в 1971 г.

1) Сначала необходимо определить, принадлежит ли молекула к одной из следующих групп: (СҐ v (симметрия конуса), DҐ h (симметрия цилиндра), I h , O h , T d (тип 4, табл. 8.1). Эти группы условно назовем "особые". Отметим, что к группе СҐ v или DҐ h принадлежат только линейные молекулы, например H-C C-Cl (СҐ v), H-C C-H, Cl-C C-Cl (DҐ h). и т.п.

2) Если молекула не принадлежит к одной из особых групп, необходимо поискать собственную ось вращения С n . Обнаружив такую ось, переходим к операции (3). Если собственной поворотной оси нет, необходимо искать центр симметрии i или зеркальную плоскость s . Если у молекулы окажется центр инверсии, она принадлежит к точечной группе С i , а если окажется зеркальная плоскость, - к точечной группе С s . Если у молекулы нет элементов симметрии (кроме Е), она относится к группе C 1 .

3) Далее находим главную ось С n , т.е. ось с наибольшим значением n. Определяем, есть ли зеркально-поворотная ось S 2n , совпадающая с главной осью. Если она существует, а других элементов, за исключением, возможно, i нет, молекула принадлежит к одной из групп S n , где n - четное число. Если ось S 2n есть, но имеются и другие элементы, или если элемент S 2n отсутствует, необходимо перейти к операции (4).

4) Ищем набор из n осей второго порядка, лежащих в плоскости, перпендикулярной С n . Если такой набор обнаружен, молекула принадлежит к одной из групп D n , D nh или D nd . Тогда переходим к операции (5). Если же таких оcей нет, молекула принадлежит к группе С n , или C nh , или C nv . Тогда переходим к операции (6).

5) Если у молекулы есть плоскость симметрии s h , перпендикулярная главной оси, она принадлежит к группе D nh . Если такого элемента нет, необходимо искать набор из n диагональных плоскостей s d (т.е. плоскостей симметрии, в которых находится главная ось, но не лежит ни одна из перпендикулярных осей второго порядка). Если отсутствуют и s d ,и s h , молекула принадлежит к группе D n .

6) Если молекула имеет s h , она принадлежит к точечной группе C nh . Если s h отсутствует, нужно искать набор из n плоскостей s v (проходящих через главную ось). Наличие таких плоскостей позволяет отнести молекулу к группе С nv . Если у молекулы нет ни s v , ни s h , она относится к точечной группе С n .

Изложенный метод иллюстрируется диаграммой, приведенной на схеме 8.1.

Адамантаны, у третичных атомов углерода которых имеется четыре разных заместителя, хиральны и оптически активны; например, соединение XIII было разделено на энантиомеры. При сравнении формул XII и XIII нетрудно видеть, что симметрия обоих соединений очень похожа. Остов адамантана можно представить как тетраэдр с "изломанными ребрами", он имеет симметрию T d которая переходит в C 1 , когда все четыре заместителя у третичных атомов углерода разные. У производного адамантана XIII нет асимметрического атома углерода, как в a -бромпропионовой кислоте, но есть центр, находящийся внутри молекулы (центр тяжести незамещенного адамантана). Асимметрический центр - это частный случай более общего понятия хиральный центр . Хиральный центр может иметь не только асимметрические молекулы, но и молекулы симметрии C n или D n . В приведенных ниже примерах хиральный центр помечен звездочкой.

Хиральный центр является лишь одним из возможных элементов хиральности. Молекулы, хиральность которых обусловлена наличием центра хиральности, безусловно, самые важные в органической химии. Однако кроме центрального существуют еще и аксиальный , планарный и спиральный типы хиральности.

Аксиальной хиральностью обладают молекулы, имеющие хиральную ось. Хиральную ось легко получить, мысленно "растягивая" центр хиральности:

Хиральную ось имеют такие классы молекул, как аллены и дифенилы. В алленах центральный атом углерода sp-типа имеет две взаимно-перпендикулярные p-орбитали, каждая из которых перекрывается с p-орбиталью соседнего атома углерода, в результате чего остающиеся связи концевых атомов углерода располагаются в перпендикулярных плоскостях. Сам аллен хирален, так как имеет зеркально-поворотную ось S 4 , но несимметрично замещенные аллены типа авС=С=Сав хиральны.

Аллены хиральны только в том случае, если оба концевых атома углерода замещены несимметрично:

При любом нечетном числе кумулированных двойных связей четыре концевые группы располагаются уже не в разных, а в одной плоскости, например, для 1,2,3-бутатриена:

Такие молекулы ахиральны, но для них наблюдается цис-транс-изомерия.

Так, соединение XIV было разделено на оптические изомеры.

Если одну или обе двойные связи симметрично замещенного аллена заменить на циклическую систему, то полученные молекулы будут тоже обладать аксиальной хиральностью, например:

В бифенилах, содержащих четыре объемистые группы в орто-положениях, свободное вращение вокруг центральной связи затруднено из-за стерических препятствий, и поэтому два бензольных кольца не лежат в одной плоскости. По аналогии с алленами, если одно или оба бензольных кольца замещены симметрично, молекула ахиральна; хиральны же молекулы только с двумя несимметрично замещенными кольцами, например:

Изомеры, которые можно разделить только благодаря тому, что вращение вокруг простой связи затруднено, называются атропоизомерами.

Иногда для предотвращения свободного вращения в бифенилах достаточно трех и даже двух объемистых заместителей в орто-положениях. Так, удалось разделить на энантиомеры бифенил-2,2-дисульфокислоту (XV). В соединении XVI свободное вращение полностью не заторможено, и, хотя его можно получить в оптически активной форме, при растворении в этаноле оно быстро рацемизуется (наполовину за 9 мин. при 25 0).

Для некоторых хиральных молекул определяющим структурным элементом является не центр, не ось, а плоскость. Простейшую модель планарной хиральности легко сконструировать из любой плоской фигуры, не имеющей осей симметрии, лежащих в этой плоскости, и отдельной точки вне плоскости. Наиболее изучены планарно-хиральные производные ферроцена (XVII). Другими примерами являются ареновые комплексы хромтрикарбонила (XVIII), а также соединения XIX и XX.

Спиральная хиральность обусловлена спиральной формой молекулы. Спираль может быть закручена влево или вправо, давая энантиомерные спирали. Например, в гексагелицене одна часть молекулы из-за пространственных препятствий вынуждена располагаться над другой.

Макроциклы, содержащие несколько десятков атомов, соединенных в кольцо, способны образовывать удивительные типы молекулярных структур, обладающих левой или правой спиральностью.

Например, в соединении XXI главная цепь имеет вид ленты Мебиуса, которая должна существовать в виде двух энантиомерных форм. Соединение XXI было синтезировано и действительно оказалось хиральным.

Циклы, состоящие из 60 или более членов могут существовать в виде узлов (XXII), завязанных слева направо или справа налево, и поэтому должны быть хиральными.

Хиральными могут быть также соответствующим образом замещенные катенаны и ротаксаны. Эти соединения состоят из двух или нескольких самостоятельных частей, которые не связаны между собой валентными связями, но тем не менее удерживаются вместе. Катенаны построены из двух или нескольких циклов, соединенных как звенья цепи; в ротаксанах линейная молекула продета сквозь циклическую молекулу и не может из нее выскользнуть благодаря наличию объемных концевых групп.

Катенаны и ротаксаны можно получить или статистическим синтезом, или направленным синтезом. Принцип статистического синтеза пояснен следующей схемой.

Соединение А связывается по двум концам с соединением Б в присутствии огромного избытка макроциклического соединения В. До реакции с молекулами Б какая-то часть молекул А должна случайно оказаться продетой сквозь цикл В, и поэтому наряду с продуктами Д и Е образуется некоторое количество и ротаксана Г. Примеры приведены ниже.

Хиральные катенаны и ротаксаны в настоящее время еще не получены.

Хиральность - несовместимость объекта со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трехмерном пространстве. Речь идет только об идеальном плоском зеркале. В нем правша превращается в левшу и наоборот.

Хиральность типична для растений и животных, и сам термин происходит от греч. χείρ - рука.

Есть правые и левые ракушки и даже правые и левые клювы у клестов (рис. 1).

«Зеркальность» распространена и в неживой природе (рис. 2).

Рис. 2. Фото с сайта scienceblogs.com («Троицкий вариант» №24(218), 06.12.2016)" border="0">

В последнее время стали модны «хиральные», т. е. зеркальные часы (обратите внимание на надпись на циферблате) (рис. 3).

И даже в лингвистике есть место хиральности! Это палиндромы: слова и предложения-перевертыши, например: Я УДАРЮ ДЯДЮ, ТЁТЮ РАДУЯ, Я УДАРЮ ТЁТЮ, ДЯДЮ РАДУЯ или ЛЕЕНСОН - УДАВ, НО ОН В АДУ НОС НЕ ЕЛ!

Очень важна хиральность для химиков и фармацевтов. Химия занимается объектами в наномасштабе (модное слово «нано» происходит от греч. νάννος - карлик). Хиральности в химии посвящена монография, на обложке которой (на фото справа ) - хиральные колонны и две хиральные молекулы гексагелицена (от helix - спираль).

А важность хиральности для медицины символизирует обложка июньского номера американского журнала Journal of Chemical Education за 1996 год (рис. 4). На боку добродушно виляющего хвостом пса изображена структурная формула пеницилламина. Пес смотрит в зеркало, а оттуда на него глядит страшный зверь с оскаленной клыкастой пастью, горящими огнем глазами и вставшей дыбом шерстью. На боку зверя изображена та же самая структурная формула в виде зеркального отображения первой. Название опубликованной в этом номере статьи о лекарственных хиральных средствах было не менее красноречивым: «Когда молекулы лекарств смотрятся в зеркало». Почему же «зеркальное отражение» так драматически изменяет облик молекулы? И как узнали, что две молекулы являются «зеркальными антиподами»?

Поляризация света и оптическая активность

Со времен Ньютона в науке шли споры о том, представляет ли свет собой волны или частицы. Ньютон полагал, что свет состоит из частиц с двумя полюсами - «северным» и «южным». Французский физик Этьен Луи Малюс, ввел понятие о поляризованном свете, с одним направлением «полюсов». Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось.

В 1816 году французский физик Огюстен Жан Френель высказал необычную для того времени идею о том, что световые волны - поперечные, как волны на поверхности воды.

Френель объяснил и явление поляризации света: в обычном свете колебания происходят хаотично, во всех направлениях, перпендикулярных направлению луча. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например исландского шпата или турмалина, свет приобретает особые свойства: волны в нем колеблются только в одной плоскости. Образно говоря, луч такого света подобен шерстяной нитке, которую продернули через узкую щель между двумя острыми лезвиями бритвы. Если второй такой же кристалл поставить перпендикулярно первому, поляризованный свет через него не пройдет.

Отличить обычный свет от поляризованного можно с помощью оптических приборов - поляриметров; ими пользуются, например, фотографы: поляризационные фильтры помогают избавиться от бликов на фотографии, которые возникают при отражении света от поверхности воды.

Оказалось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации поворачивается. Впервые это явление обнаружил в 1811 году французский физик Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Это связано со строением кристалла. Природные кристаллы кварца асимметричны, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения (рис. 5). Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право- и левовращающими.

В 1815 году французский физик Жан Батист Био и немецкий физик Томас Иоганн Зеебек выяснили, что некоторые органические вещества, например сахар и скипидар, также обладают способностью вращать плоскость поляризации, причем не только в кристаллическом, но и в жидком, растворенном и даже газообразном состояниях. Оказалось, что каждый «цветовой луч» белого света поворачивается на разный угол. Сильнее всего поворачивается плоскость поляризации для фиолетовых лучей, меньше всего - для красных. Поэтому бесцветное вещество в поляризованном свете может стать окрашенным.

Как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могли существовать в виде как право-, так и левовращающих разновидностей. Однако оставалось неясным, с каким свойством молекул связано это явление: самый тщательный химический анализ не мог обнаружить между ними никаких различий! Такие разновидности веществ назвали оптическими изомерами, а сами соединения - оптически активными. Оказалось, что у оптически активных веществ есть и третий тип изомеров - оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 году знаменитый шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус: виноградная кислота С 4 Н 6 О 6 оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Но никто не знал, существует ли не встречающаяся в природе «левая» винная кислота - антипод правовращающей.

Открытие Пастера

Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например кубические кристаллы поваренной соли, оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась совершенно загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 году никому тогда не известный французский ученый Луи Пастер. Еще в студенческие годы он заинтересовался химией и кристаллографией, работая под руководством вышеупомянутого Жана Батиста Био и видного французского химика-органика Жана Батиста Дюма. После окончания Высшей нормальной школы в Париже молодой (ему было всего 26 лет) Пастер работал лаборантом у Антуана Балара. Балар был уже известным химиком, который за 22 года до этого прославился открытием нового элемента - брома. Своему ассистенту он дал тему по кристаллографии, не предполагая, что это приведет к выдающемуся открытию.

В ходе исследования Пастер приготовил раствор натриево-аммониевой соли оптически неактивной виноградной кислоты и медленным выпариванием воды получил красивые призматические кристаллы этой соли. Кристаллы эти, в отличие от кристаллов виноградной кислоты, оказались асимметричными. У части кристалликов одна характерная грань находилась справа, а у других - слева, причем по форме два типа кристаллов были как бы зеркальным отражением друг друга.

Тех и других кристаллов получилось поровну. Зная, что в подобных случаях кристаллы кварца вращают в разные стороны, Пастер решил проверить, не будет ли наблюдаться это явление и на полученной им соли. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер аккуратно разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением, а смесь растворов была оптически неактивной (правая и левая поляризации взаимно компенсировались). Пастер на этом не остановился. Из каждого из двух растворов с помощью сильной серной кислоты он вытеснил более слабую органическую кислоту. Можно было предположить, что в обоих случаях получится исходная виноградная кислота, которая оптически неактивна. Однако оказалось, что из одного раствора образовалась вовсе не виноградная, а известная правовращающая винная кислота, а из другого раствора получилась тоже винная кислота, но вращающая влево! Эти кислоты получили название d -винной (от лат. dexter - правый) и l- винной (от лат. laevus - левый). В дальнейшем направление оптического вращения стали обозначать знаками (+) и (–), а абсолютную конфигурацию молекулы в пространстве - буквами R и S . Итак, неактивная виноградная кислота оказалась смесью равных количеств известной «правой» винной кислоты и ранее неизвестной «левой». Именно поэтому равная смесь их молекул в кристалле или в растворе не обладает оптической активностью. Для такой смеси стали применять название «рацемат», от лат. racemus - виноград. Два антипода, дающие при смешении в равных количествах оптически неактивную смесь, получили название энантиомеров (от греч. έναντίος - противоположный).

Поняв значение своего эксперимента, Пастер выбежал из лаборатории и, встретив лаборанта физического кабинета, бросился к нему и воскликнул: «Я только что сделал великое открытие!» Кстати, Пастеру очень повезло с веществом: в дальнейшем химики обнаружили всего несколько подобных случаев кристаллизации при определенной температуре смеси оптически различных кристалликов, достаточно крупных, чтобы их можно было под лупой разделить пинцетом.

Пастер открыл еще два метода разделения рацемата на два антипода. Биохимический метод основан на избирательной способности некоторых микроорганизмов усваивать только один из изомеров. Во время посещения Германии один из аптекарей дал ему давно стоявшую склянку с виноградной кислотой, в которой завелась зеленая плесень. В своей лаборатории Пастер обнаружил, что бывшая когда-то неактивной кислота стала левовращающей. Оказалась, что зеленый плесневой грибок Penicillum glaucum «поедает» только правый изомер, оставляя левый без изменения. Такое же действие оказывает эта плесень на рацемат миндальной кислоты, только в данном случае она «поедает» левовращающий изомер, не трогая правовращающий.

Третий способ разделения рацематов был чисто химическим. Для него нужно было иметь оптически активное вещество, которое при взаимодействии с рацемической смесью по-разному связывалось бы к каждым из энантиомеров. В результате два вещества в смеси не будут антиподами (энантиомерами) и их можно будет разделить как два разных вещества. Это можно пояснить такой моделью на плоскости. Возьмем смесь двух антиподов - Я и R. Их химические свойства одинаковые. Внесем в смесь несимметричный (хиральный) компонент, например Z, который может реагировать с каким-либо участком в этих энантиомерах. Получим два вещества: ЯZ и ZR (или ЯZ и RZ). Эти структуры не являются зеркально симметричными, поэтому такие вещества будут чисто физически различаться (температурой плавления, растворимостью, еще чем-нибудь) и их можно разделить.

Пастер сделал еще много открытий, в числе которых прививки против сибирской язвы и бешенства, ввел методы асептики и антисептики.

Исследование Пастера, доказывающее возможность «расщепления» оптически неактивного соединения на антиподы - энантиомеры, первоначально вызвало у многих химиков недоверие, однако, как и последующие его работы, привлекло самое пристальное внимание ученых. Вскоре французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Немецкий химик Иоганн Вислиценус установил, что существуют две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (молочная кислота брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (мясомолочная кислота). Подобных примеров становилось всё больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов.

Теория Вант-Гоффа

Такую теорию создал молодой голландский ученый Якоб Хендрик Вант-Гофф, который в 1901 году получил первую в истории Нобелевскую премию по химии. Согласно его теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть хиральными - «правыми» и «левыми», являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример - молекулы, в которых имеется так называемый асимметрический атом углерода, окруженный четырьмя разными группами. Это можно продемонстрировать на примере простейшей аминокислоты аланина. Две изображенные молекулы невозможно совместить в пространстве никакими поворотами (рис. 6, вверху).

Многие ученые отнеслись к теории Вант-Гоффа недоверчиво. А известный немецкий химик-органик, выдающийся экспериментатор, профессор Лейпцигского университета Адольф Кольбе разразился резкой до неприличия статьей в Journal für praktische Chemie с ехидным названием «Zeiche der Zeit» («Приметы времени»). Он сравнивал теорию Вант-Гоффа с «отбросами человеческого ума», с «кокоткой, наряженной в модные одежды и покрывшей лицо белилами и румянами, чтобы попасть в порядочное общество, в котором для нее нет места». Кольбе писал, что «некоему доктору Вант-Гоффу, занимающему должность в Утрехтском ветеринарном училище, очевидно, не по вкусу точные химические исследования. Он счел более приятным сесть на Пегаса (вероятно, взятого напрокат из ветеринарного училища) и поведать миру то, что узрел с химического Парнаса... Настоящих исследователей поражает, как почти неизвестные химики берутся так уверенно судить о высочайшей проблеме химии - вопросе о пространственном положении атомов, который, пожалуй, никогда не будет решен... Такой подход к научным вопросам недалек от веры в ведьм и духов. А таких химиков следовало бы исключить из рядов настоящих ученых и причислить к лагерю натурфилософов, совсем немногим отличающихся от спиритов ».

Со временем теория Вант-Гоффа получила полное признание. Каждый химик знает, что, если в смеси поровну «правых» и «левых» молекул, вещество в целом будет оптически неактивным. Именно такие вещества и получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах, при участии асимметричных агентов, например ферментов, образуются асимметричные соединения. Так, в природе преобладают аминокислоты и сахара́ только одной конфигурации, а образование их антиподов подавлено. В некоторых случаях разные энантиомеры можно различить и без всяких приборов - когда они по-разному взаимодействуют с асимметрическими рецепторами в нашем организме. Яркий пример - аминокислота лейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий - горький.

Конечно, тут же возникает вопрос о том, как же появились на Земле первые оптически активные химические соединения, например та же природная правовращающая винная кислота, или как возникли «асимметричные» микроорганизмы, питающиеся только одним из энантиомеров. Ведь в отсутствие человека некому было осуществлять направленный синтез оптически активных веществ, некому было разделять кристаллы на правые и левые! Однако подобные вопросы оказались настолько сложными, что однозначного ответа на них нет и поныне. Ученые сходятся лишь в том, что существуют асимметричные неорганические или физические агенты (асимметричные катализаторы, поляризованный солнечный свет, поляризованное магнитное поле), которые могли дать начальный толчок асимметрическому синтезу органических веществ. Похожее явление мы наблюдаем и в случае асимметрии «вещество - антивещество», поскольку все космические тела состоят только из вещества, а отбор произошел на самых ранних стадиях образования Вселенной.

Хиральные лекарства

Химики часто относятся к энантиомерам как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Человек - существо хиральное. И это относится не только к его внешнему виду. «Правые» и «левые» лекарства, взаимодействуя с хиральными молекулами в организме, например с ферментами, могут действовать по-разному. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору как ключ к замку и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке пожать правой рукой левую руку своего гостя. Необходимость в оптически чистых энантиомерах объясняется также тем, что часто только один из них обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может в лучшем случае быть бесполезным, а в худшем - вызвать нежелательные побочные эффекты или даже быть токсичным. Это стало очевидным после нашумевшей трагической истории с талидомидом - лекарственным средством, которое назначали в 1960-е годы беременным женщинам как эффективное снотворное и успокаивающее. Однако со временем проявилось его побочное тератогенное (от греч. τέρας - чудовище) действие, и на свет появилась масса младенцев с врожденными уродствами. Лишь в конце 1980-х годов выяснилось, что причиной несчастий был только один из энантиомеров талидомида - правовращающий - и только левовращающий изомер является мощным транквилизатором (рис. 6, внизу). К сожалению, такое различие в действии лекарственных форм раньше не было известно, поэтому продаваемый талидомид был рацемической смесью обоих антиподов. Они отличаются взаимным расположением в пространстве двух фрагментов молекулы.

Еще один пример. Пеницилламин, структура которого была нарисована на собаке и волке на обложке журнала, - довольно простое производное аминокислоты цистеина. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно обладает способностью давать прочные комплексы с ионами этих металлов; образующиеся комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, в ряде других случаев. При этом применяют только «левую» форму препарата, так как «правая» токсична и может привести к слепоте.

Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, левовращающий S -тироксин (лекарственный препарат левотроид) - это природный гормон щитовидной железы. А правовращающий R -тироксин (декстроид) понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например, darvon и novrad для синтетического наркотического анальгетика и препарата от кашля соответственно.

В настоящее время многие лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Их получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений и прямым синтезом. Последний также требует хиральных источников, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают рацемат. Это, кстати, одна из причин очень высокой стоимости некоторых лекарств, поскольку направленный синтез только одного из них - сложная задача. Поэтому не удивительно, что из множества синтетических хиральных препаратов, выпускаемых во всем мире, лишь небольшая часть является оптически чистой, остальные - рацематы.

О хиральности молекул см. также:
Глава Происхождение хиральной чистоты из книги Михаила Никитина