3.1: Прелюдія до конформацій та стереохімії
- Page ID
- 20828
Молекулярні моделі - ваш друг!
Оскільки в цій главі широко розглядаються поняття, які за своєю суттю тривимірні, це буде дуже важливо для вас, щоб використовувати молекулярний моделювання набір, який спеціально призначений для органічної хімії. Багато ідей, які ми будемо вивчати, можуть бути надзвичайно заплутаними, якщо ви обмежені двома вимірами цієї сторінки. Будьте готові слідувати цим дискусіям у трьох вимірах, з молекулярною моделлю у ваших руках!
Вступ: Луї Пастер та відкриття молекулярної хіральності
У 1848 році 25-річний хімік на ім'я Луї Пастер зробив вражаючу - і деякі думки нахабно - претендувати на наукове співтовариство. Пастер був недосвідченим, щонайменше: він заробив докторську ступінь лише в попередньому році, і щойно розпочав свою першу роботу в якості асистента професора в Ecole normale superieure, університеті в Парижі. Жан-Батіст Бйо, дуже шанований фізик, який вже зробив великий внесок у наукові галузі, такі різноманітні, як метеорити, магнетизм та оптика, був заінтригований, але не переконаний твердженням Пастера. Він запропонував юнакові прийти до себе в лабораторію і відтворити свої експерименти.
(Фото кредит: https://www.flickr.com/photos/nate/)
Десятиліттями раніше Біот виявив, що водні розчини деяких біологічно похідних речовин, таких як винна кислота, хінін, морфін та різні цукри, є оптично активними: тобто площина поляризованого світла обертається або в позитивному (за годинниковою стрілкою, або правосторонній) або негативний (проти годинникової стрілки, або лівосторонній) напрямок при проходженні через розчини. Ніхто не розумів джерело цього оптичного властивості. Однією з біологічних речовин, які, як відомо, є оптично активною, була сіль винної кислоти, сполука, що міститься в достатку у винограді та основним побічним продуктом виноробної промисловості. рис. 1б
З'єднання було декстроротаторним у розчині — іншими словами, воно обертало плоско-поляризоване світло в позитивному (правосторонньому, або за годинниковою стрілкою) напрямку. Цікаво, однак, хіміки також виявили, що інша форма обробленої винної кислоти була оптично активною, незважаючи на той факт, що вона виявилася ідентичною оптично активній кислоті в усіх інших відношеннях. Оптично неактивна сполука називалася «acide racemique», від латинського racemus, що означає «купа винограду».
Претензії Луї Пастера мали відношення до експериментів, які він сказав, що зробив з «рацемічною» кислотою. Жан-Бабтіз Бйот викликав Пастера до своєї лабораторії і представив йому зразок рацемінової кислоти, який, як він сам підтвердив, був оптично неактивним. З Biot, спостерігаючи через плече, і використовуючи реагенти Біота, Пастер приготував сольову форму кислоти, розчиняв її у воді і залишив водний розчин в непокритій колбі, щоб кристали повільно утворюватися в міру випаровування води.
Бйот знову викликав Пастера в лабораторію через кілька днів, коли кристалізація була завершена. Пастер помістив кристали під мікроскоп, і почав ретельно досліджувати їх форму, так само, як це робив у своїх оригінальних експериментах. Він визнав, що кристали, які мали правильну форму, були асиметричними: іншими словами, їх не можна накладати на дзеркальне відображення. Вчені називали асиметричні кристали та інші асиметричні об'єкти «хіральними», від грецького слова «рука». Ваші руки є хіральними предметами, тому що, хоча ваша права рука і ліва рука є дзеркальним відображенням один одного, вони не можуть бути накладені. Ось чому ви не можете помістити праву руку в лівшу рукавичку.
Що ще важливіше, Пастер стверджував, що хіральні кристали, які він бачив під лінзою свого мікроскопа, були двох різних типів, і два типи були дзеркальними зображеннями один одного: близько половини - те, що він називав «правою рукою», а половина - «лівша». Він обережно відокремив правий і ліворукий кристали один від одного, і представив Біоту два зразки. Видатний вчений тоді взяв те, що Пастер сказав йому кристали лівші, розчиняв їх у воді і поклав водний розчин в поляриметр, прилад, який вимірює оптичне обертання. Біот знав, що оброблена винна кислота, яку він надав Пастеру, була оптично неактивною. Він також знав, що необроблена винна кислота з винограду має правосторонню оптичну активність, тоді як лівостороння винна кислота була нечуваною. Однак на його очах він побачив, що розчин обертається світлом вліво. Він звернувся до свого молодого колеги і вигукнув, "Мон шер дитина, j'ai tant aime - les sciences dans ma vie que cela me fait battre le coeur! ' (Дорога моя дитина, я так любив науку протягом свого життя, що це змушує моє серце бити!)
Бйот мав вагомі підстави бути настільки глибоко збудженими. Пастер щойно остаточно продемонстрував, вперше, концепцію молекулярної хіральності: самі молекули - не лише макроскопічні об'єкти, такі як кристали - можуть проявляти хіральність і можуть бути розділені на чіткі «стереоізомери правші» та «лівші». Пов'язуючи ідеї з фізики, хімії та біології, він показав, що природа може бути хіральною на молекулярному рівні, і при цьому він представив світові нове підполе, яке стало відомим як «стереохімія».
Приблизно через десять років після демонстрації молекулярної хіральності Пастер продовжував робити ще одне спостереження з глибокими наслідками для біологічної хімії. Вже було добре відомо, що «натуральна» винна кислота (праворукий вид з винограду) може ферментуватися бактеріями. Пастер виявив, що бактерії були вибірковими щодо хіральності винної кислоти: не відбувалося бродіння, коли бактерії забезпечувалися чистою лівосторонньою кислотою, а при забезпеченні рацемінової кислотою вони спеціально ферментували правосторонній компонент, залишаючи лівосторонню кислоту позаду.
Пастер не знав, на момент описаних тут відкриттів, подробиць структурних особливостей винної кислоти на молекулярному рівні, що зробило кислоту хіральною, хоча він зробив деякі прогнози щодо структури зв'язку вуглецю, які виявилися надзвичайно точними. За більш ніж 150 років після початкової роботи Пастера винної кислоти ми значно розширили наше розуміння молекулярної хіральності, і саме ці знання складають ядро цієї глави. Простіше кажучи, стереохімія - це вивчення того, як орієнтуються зв'язки в тривимірному просторі. Важко переоцінити значення стереохімії в природі, і в галузях біології та медицини зокрема. Як так переконливо продемонстрував Пастер, саме життя хіральне: живі істоти розпізнають різні стереоізомери органічних сполук і обробляють їх відповідно.