Enantiomeri - proprietăţi, importanţă. Diastereoizomeri.

Spre deosebire de izomerii de constituție, care au proprietăți diferite, enantiomerii au foarte multe proprietăți identice.

Au aceleași puncte de fierbere și de topire, aceiași densitate și aceiași solubilitate.

Cu toate astea, știm precis că nu sunt sustanțe identice. Și atunci, prin ce anume diferă enantiomerii?

Toate proprietățile fizice ale enantiomerilor sunt identice, cu excepție a celor care rezultă din felul în care sunt aranjați în spațiu atomii legați de carbonul asimetric.

Una din aceste proprietăți, care nu sunt identice, este modul prin care interacționează cu lumina polarizată.

Fizicianul francez Jean-Baptiste Biot este cel care a descoperit că anumite substanțe pot roti planul luminii polarizate.

Deci sunt substanțe optic-active.

Dar haideți să vedem mai întâi ce este lumina polarizată. Probabil că știți de la fizică, iar acum doar ne reamintim.

Lumina normală conține unde electromagnetice care o scilează în toate direcții.

Prin contrast, lumina planpolarizată, sau pe scurt doar lumina polarizată, o scilează într-un singur plan atunci când se propagă.

Lumina polarizată se produce prin trecerea luminii normale printr-un polarizor.

În 1815, fizicianul Jean-Baptiste a descoperit că anumiti compuși naturali au capacitatea de a roti planul de polarizare.

El observa că unii compuși rotesc planul de polarizare, fie în sensul acelor de ceasornic, fie în sensul opus acelor de ceasornic,

în timp ce alți compuși nu rotesc deloc planul luminii polarizate.

El a prezis că această proprietate, care se întâlnește numai la anumiti compuși, are legătură cu o asimetrie în structura molecului.

Și a avut dreptate, însă abia în 1874, chimistul olandes Van't Hoff și chimistul francez Level au găsit explicația.

Activitatea optică apare în cazul atomilor de carbon asimetrici.

Cei doi au pus bazele izomeriei optice în același timp și fără să știe unul de altul.

Van't Hoff este chiar cel care a primit primul premiu Nobel pentru chimie în 1901, însă a fost pentru munca sa alegată de soluții.

Proprietatea substanțelor de a roti planul de polarizare, atunci când sunt străbătute de lumina polarizată, se numește activitate optică.

Deci în antiomerii sunt substanțe optic active și se mai numesc și izomerii optici sau antipozii optici.

Activitatea optică este pusă în evidență cu un instrument numit polarimetru.

În această schemă avem principiul de funcționare al unui polarimetru.

Avem o sursă de lumină, un polarizor, un tub care conține proba de compus chimic supus analizei și un analizor.

Când lumina polarizată trece printr-o soluție de molecule achirale, lumina iese din soluție cu planul de polarizare neschimbat.

Așadar, compușii achirali sunt inactivi optic. Ei nu rotesc planul de polarizare.

Însă atunci când lumina polarizată trece prin soluția unui compus chiral, lumina iese din soluție cu planul de polarizare schimbat.

Așadar, compușii chirali rotesc planul de polarizare.

Dacă unul dintre în antiomeri rotește planul de polarizare în sensul acelor de ceasornic,

atunci celălalt în antiomeri va roti planul în sensul opus a celor de ceasornic.

Așadar, această probă conține un compus optic activ.

În antiomerul care rotește planul luminii polarizate spre dreapta, sau în sensul acelor de ceasornic cu un anumit număr de grade,

se numește dextrogir și se notează cu semnul plus între paranteze.

Celălalt în antiomeri rotește planul luminii polarizate cu același număr de grade, dar spre stânga, în sensul opus a celor de ceasornic.

Acesta se numește levrogir și se notează cu semnul minus.

Termenii dextro și levo sunt prefixe din limba latină și înseamnă către dreapta, respectiv către stânga.

Amestecul echimolecular al unei perechi de antiomeri, deci un amestec în care avem cantități egale din antiomerul R și din antiomerul S,

se numește amestec racemic și este simbolizat cu semnul plus minus.

Amestecul racemic nu are activitate optică.

Asta deoarece jumătate dintre moleculele din amestec rotește planul luminii polarizate spre dreapta cu un anumit uns,

iar celelalte molecule rotește planul luminii polarizate spre stânga cu același uns.

Deci activitatea optică a unui enantiomer este compensată de activitatea celuilalte antiomeri.

Acum e foarte important să nu confundăm semnele plus și minus, care desemnează dextrogiri, respectiv levrogiri, cu R și S.

Aceste două simboluri indică direcția în care un compus activ optic rotește planul luminii polarizate.

În timp ce R și S indică aranjamentul celor patru substituenți în jurul atomului de carbon asimetric.

Unii compuși cu configurația R rotește planul luminii spre dreapta, iar alții, tot cu configurația R, rotește planul luminii spre stângă.

Așadar, pentru a ști direcția în care compusul rotește planul luminii polarizate, nu ne ajută să-i cunoaștem configurație.

Uitându-ne la structura unui compus, putem să determinăm configurația dacă e R sau S, însă singura modalitate e de a determina dacă un compus e dextrogiri sau levrogiri.

Este de a analiza compusul respectiv cu un polarimetru.

E foarte important să știm toate aceste detalii despre moleculele organice, și nu doar pentru că poate unor chimici li se par interesante,

ci pentru că, în general, proprietățile biologice ale enantiomerilor sunt foarte diferite.

Și prin foarte diferite, mă refer la cazuri în care enantiomerul R ne poate vindeca de o anumită afecțiune,

iar enantiomerul S, al aceluiași compus, le poate otrăvi.

Procesele biochimice care asigură funcționarea organismelor vei sunt catalizate de enzime.

Enzimele sunt compuși organici chirale, cu structuri foarte complicate.

Noi am discutat aici numai despre compușii cu un singur atom de carbon asimetric.

Însă, bineînțeles, există și compuși care conțin mai mulți atomi de carbon asimetric.

În general, pentru un compus cu N atomi de carbon asimetric, există 2 la puterea N enantiomeri.

Un compus cu 2 atomi de carbon asimetric va exista, deci, sub forma a 4 stereoizomeri, adică a 2 perechi de enantiomeri.

De exemplu, acestea sunt cele 2 perechi de enantiomeri ale 2,3-dichloropentanului.

Observăm că acest compus prezintă 4 stereoizomeri diferit, deoarece fiecare dintre atomii de carbon asimetric poate avea atât configurația R, cât și configurația S.

Și în felul ăsta rezultă cei 4 stereoizomeri cu configurațiile SR, RS, SS și RR.

Perechile de stereoizomeri 1 și 2 sau 3 și 4 se află unul față de celălalt în relație a obiect-imagine în oglindă, deci sunt 2 perechi de enantiomeri.

Stereoizomerii 1 și 3, 1 și 4, 2 și 3 sau 2 și 4 nu se află în relație a obiect-imagine în oglindă.

Aceștia sunt diastereoizomeri.

Diastereoizomerii sunt stereoizomerii în structura cărora diferă distanțele dintre atomii nelegați direct între ei, de la un izomer la altul,

și în plus nu se găsesc unul față de celălalt în relație a obiect-imagine în oglindă.

Să luăm, spre exemplu, stereoizomerii 1 și 3.

Vedem că atomii de hidrogen din stereoizomerul 1 sunt apropiați, în timp ce atomii de hidrogen din stereoizomerul 3 au o distanță mai mare între ei.

După cum am văzut mai devreme, enantiomerii au proprietăți fizice identice, cu excepția sensului în care rotez planul luminii polarizate,

cât despre proprietățile chimice, și acestea sunt identice atunci când e vorba de interacția cu compușea chirali.

Însă nu este cazul reacțiilor cu alți compuși chirali.

Acesta este motivul pentru care proprietățile biologice ale enantiomerilor sunt foarte diferite.

În compușii naturali apare numai unul dintre enantiomeri și numai acesta poate îndeplini funcțiile biologice normale.

Celălalt enantiomer nu are această capacitate.

Cu alte cuvinte, o enzimă va interacționa numai cu un anumit enantiomer, al cărui aranjament spațial al atomilor va corespunde cu structura enzimei,

despre care am zis că sunt tot molecule chirale.

Este similar cu principiul lacăt-cheie. Un lacăt poate fi descuiat de o singură cheie.

Așadar ne e foarte clar acum că enantiomerii pot avea acțiune fiziologică diferită în organism.

De aceea e vital ca în cazul medicamentelor pe bază de compuși chirali să fie testată acțiunea ambilor enantiomeri.

S-a demonstrat, din păcate prea târziu în unele cazuri, că unul dintre enantiomeri poate avea acțiunea benefică dorită asupra organismului,

în timp ce celălalt enantiomer este fie inactiv, în cel mai bun caz, fie extrem de nociv pentru organismul.

Dacă un medicament e extras dintr-o sursă naturală, dintr-o plantă, de exemplu,

atunci acel medicament va conține un singur enantiomer, de obicei cel cu acțiune benefică.

În schimb, când e vorba de medicamente sintetizate în industria farmaceutică,

medicamentul este, de obicei, un amestec racenic format din cei doi enantiomeri.

Companiile farmaceutice le utilizează ca atare, cum e cazul norofenului, care conține ibuprofen sub formă de amestec racenic,

ibuprofenul fiind compusul fiziologic activ din norofen.

În alte cazuri, e obligatoriu ca amestecul racenic să fie separat.

Unul dintre cazurile celebre în industria farmaceutică își reprezintă talidomida.

Talidomida e un compus comercializat la finalul anilor 50,

drept medicament care să reducă greața de dimineață în cazuri femeilor însărcinate.

Medicamentul a fost comercializat pentru prima oară de o companie farmaceutică din Germania de vest,

după care a fost preluat rapid de companiile farmaceutice din multe alte state.

Numai în Statele Unite ale Americii, medicamentul a fost primit cu șeficism,

din cauza inexistenței unor testări mai detaliate.

Mii de femei însărcinate au utilizat medicamentul,

iar rezultatele au fost mii de bebeluși născuți cu deformații.

Dintre aceștia au supraviețuit numai 40%.

Thalidomida se prezintă sub forma a doi enantiomeri.

Unul din acești enantiomeri se leagă și dezactivează o proteină numită Cereblo,

care are un rol important în formarea membrelor, afectând astfel fătul, dar nu și mama.

Inițial, celălalt enantiomer nu reacționează la fel,

însă din cauza unui atom de hidrogen acid de la centrul chira se poate roti și transforma în enantiomerul său,

devenind și el nociv.

Din fericire, astăzi medicamentele sunt testate mult mai riguros înainte de a fi scoase pe piață.