5.6: Біологічні малі молекули

Існує ряд важливих біомолекул, які можуть виникати у вигляді енантіомерів, включаючи амінокислоти та цукру. У більшості випадків зустрічається тільки один енантіомер (хоча деякі гриби, наприклад, здатні виробляти дзеркально-зображувальні форми цих сполук). Пізніше ми розглянемо деякі з цих біомолекул, але спочатку ми розглянемо з'єднання, яке зустрічається природним шляхом в обох енантіомерних формах.

Карвон є вторинним метаболітом. Це означає, що це природна сполука, яка безпосередньо не пов'язана з основними функціями клітини, такими як самореплікація або виробництво енергії. Роль вторинних метаболітів в природі часто важко визначити. Однак ці сполуки часто відіграють роль у самообороні, виступаючи стримуючими факторами проти видів конкурентів у своєрідному сценарії дрібної хімічної війни. Вони також часто використовуються в комунікаціях; ця роль найбільш широко вивчалася серед комах, які використовують безліч сполук для передачі інформації один одному.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Два природних енантіомерів карвону.

Порівняння R- і S-карвону. Зліва: S-карвон [a] D дорівнює 61,2 градуса. Праворуч: R-карвон [a] D становить -62,46 градусів. Обидві молекули є олією при 25С, мають температуру кипіння при 230-231C, мають щільність 0,965 г/мл, n 1,4988, нерозчинні у воді та змішуються в етанолі та метанолі.

Карвон випускається в двох енантіомерних формах. Одна з таких форм, яка називається (-) -карвоном, міститься в листках м'яти, і вона є основним фактором відмінного запаху м'яти. Інша форма, (+) -карвон, міститься в кмині. Ця форма має зовсім інший запах і зазвичай використовується для ароматизації житнього хліба та інших східноєвропейських продуктів. Структурні зв'язки в цих двох сполуках, здається, ідентичні, але вони не однакові в трьох вимірах, як ви знайдете, якщо ви будуєте їх моделі. Замість цього (+) - і (-) -карвоне є дзеркальними відображеннями один одного, як права рука, так і ліва рука.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Шарико-палиця модель (R) -карвону.

Перейдіть до анімації SC5.1. Тривимірна модель (R) -карвону.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Кульково-палична модель (S) -карвону.

Перейдіть до анімації SC5.2. Тривимірна модель (S) -карвону.

Зверніть увагу, що (+) -карвон - це те ж саме, що і (S) -карвон. Позначення (+) засноване на його позитивному значенні оптичного обертання, яке експериментально вимірюється. Позначення (S) визначається правилами Chan-Ingold-Prelog для позначення стереохімії, які стосуються розгляду груп, прикріплених до хірального центру, і присвоєння пріоритету на основі атомного номера. Однак хіральний центр карвона насправді має три вуглеці, прикріплені до нього; всі вони мають однаковий атомний номер. Нам потрібно нове правило, щоб розірвати краватку.

• Якщо дві групи замісників мають однаковий атомний номер, пройдіть один зв'язок далі до наступного атома.
• Якщо є різниця між другим ярусом атомів, зупиніться.
• Група, в якій ви зіткнулися з більш високим атомним номером, отримує найвищий пріоритет.
• Якщо чіткої різниці немає, приступайте одну додаткову зв'язок до наступного набору атомів і так далі, поки не знайдете різницю.

У карвоні це дерево рішень працює наступним чином:

• Хіральний центр з'єднаний з H, C, C і C.
• H є найнижчим пріоритетом.
• Один C врешті-решт призводить до C = O, однак у другому зв'язку з хіральним центром цей C з'єднаний з C і двома H.
• Другий C також є частиною шестичленного кільця, але C = O знаходиться далі в цьому напрямку. На другому зв'язку з хіральним центром цей C з'єднаний з C і двома H, як і перший.
• Третій С - частина невеликої тривуглецевої групи, прикріпленої до шестичленного кільця. При другій зв'язку з хіральним центром вона з'єднана тільки з однією Н і має дві зв'язки з іншим С (це зараховується як дві зв'язки до С і одна до Н).
• Ці перші дві вуглецеві групи ідентичні досі.
• Однак третя група відрізняється; вона має додаткову зв'язок з C, тоді як інші мають додатковий зв'язок з H. C має більший атомний номер, ніж H, тому ця група має вищий пріоритет.
• Другим за висотою пріоритетом є гілка, яка досягає кисню по третьому зв'язку з хіральним центром.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Порівняння атомів крок за кроком для призначення конфігурації.

Етапи 1, 2 та 3 призначення пріоритету різним частинам карвону в хіральному центрі. Етап 1: H вже є пріоритетом #4, з трьома зв'язками до вуглецю залишилося. Етап 2: пов'язані дві групи, з одним зв'язком з вуглецем і по дві до Н кожна. Вуглець з подвійним зв'язком з іншим вуглецем і єдиним зв'язком з іншим вуглецем є пріоритетом #1, оскільки він має три зв'язку з вуглецем. Етап 3: Вуглець з кетоновою групою є пріоритетним #2, оскільки O б'є C або H.

Чим саме відрізняються ці два сполуки, (+) - і (-) -карвон? Чи є вони абсолютно різними ізомерами, з різними фізичними властивостями? У більшості випадків відповідь - ні. Ці два сполуки мають однаковий зовнішній вигляд (безбарвне масло), однакову температуру кипіння (230 ° С), однаковий показник заломлення (1,499) і питома вага (0,965). Однак вони мають оптичні обертання, які є майже прямо протилежними значеннями.

• Два енантіомера мають однакові фізичні властивості.
• Енантіомери мають протилежні оптичні обертання.

Ясно вони мають різні біологічні властивості; так як вони мають трохи різні запахи, вони повинні вписуватися в трохи різні носові рецептори, сигналізуючи мозку, чи пережовує поруч з вами людина паличку гумки або шматочок житнього хліба. Ця різна форма компліментарності не дивно, так само, як це не дивно, що ліва рука тільки вписується в ліву руку бейсбольної рукавички і не в праворуч один.

Є й інші причини, за якими ми можемо стосуватися розуміння енантіомерів, крім дієтичних та нюхових уподобань. Мабуть, найбільш драматичний приклад важливості енантіомерів можна знайти у випадку з талідомідом. Талідомід був препаратом, який зазвичай призначають протягом 1950 і 1960-х років для того, щоб полегшити нудоту та інші симптоми ранкової нудоти. Насправді, тільки один енантіомер талідоміду мав будь-який терапевтичний ефект в цьому плані. Інший енантіомер, крім терапевтично марного в цій програмі, згодом виявився тератогеном, тобто він виробляє виражені вроджені дефекти. Це, очевидно, не було добре призначати вагітним жінкам. Працівники фармацевтичної промисловості зараз набагато більше обізнані про такі наслідки, хоча, звичайно, не всі проблеми з препаратами залишаються непоміченими навіть через великі клінічні випробування, необхідні в Сполучених Штатах. З епохи талідоміду, однак, величезна кількість досліджень в області синтетичної органічної хімії було присвячено способам отримання тільки одного енантіомера корисної сполуки, а не іншого. Ці зусилля, ймовірно, є єдиною найбільшою метою синтетичної органічної хімії протягом останньої чверті століття.

• Енантіомери можуть мати дуже різні біологічні властивості.
• Отримання енантіомерно чистих сполук дуже важливо в медицині та фармацевтичній промисловості.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Талідомід.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

а) Намалюйте талідомід і визначте хіральний центр зірочкою.

б) Намалюйте дві можливі енантіомерні форми талідоміду.

Відповідь

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Намалюйте дві енантіомерні форми 2-бутанолу, СН ₃ СН (ОН) СН ₂ СН ₃. Позначте їх конфігурації.

Відповідь

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Іноді сполуки мають в собі безліч хіральних центрів. Для наступних сполук визначте чотири хіральні центри в кожному, позначте їх зірочками та визначте кожен центр як конфігурацію R або S.

Нижче наведена структура дизинозину А, потужного інгібітора тромбіну, який, отже, перешкоджає згортанню крові.

Малюнок\(\PageIndex{6}\) Відповідь

Гінкголід В (нижче) - вторинний метаболіт дерева гінкго, екстракти якого використовуються в китайській медицині.

Малюнок: Відповідь\(\PageIndex{7}\)

Sanglifehrin A, показаний нижче, виробляється бактерією, яка може бути виявлена в грунті кавових плантацій Малаві. Він також є перспективним кандидатом для лікування пацієнтів з трансплантацією органів завдяки потужній імунодепресантної активності.

Малюнок: Відповідь\(\PageIndex{8}\)