В 1848 году Луи Пастер, занимаясь перекристаллизацией солей виноградной кислоты из водного раствора, обратил внимание, что все образующиеся кристаллики можно условно разделить на две группы: при одинаковой ориентации небольшая характерная грань у одних кристаллов находилась справа, а у других – слева.
С помощью лупы и пинцета Пастер вручную разделил кристаллики, приготовил из них два раствора и сравнил их физические и химические свойства: они оказались идентичны во всем, кроме способности вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света, причем различались только направления вращения, но не величина удельного вращения.
Пастер обратил внимание, что сама виноградная кислота не проявляла такого свойства и сделал вывод, что в ней содержится равное количество молекул того и другого соединений, а значит, что сама по себе виноградная кислота является смесью двух других соединений – уже известной правовращающей винной кислоты и ее ранее неизвестного левовращающего аналога.
Явление существования полностью аналогичных веществ, различающихся только (как мы выясним чуть ниже, не только) направлением вращения плоскости поляризации, было названо оптической изомерией, а сами соединения – оптическими изомерами, энантиомерами или оптическими антиподами.
Оптическая изомерия – не первый вид изомерии, известный человечеству.
Сам по себе термин «изомерия» означает существование химических соединений, состоящих из одного и того же набора атомов, но различных по строению, и, как следствие, имеющих разные физические и химические свойства.
Конкретно оптическая изомерия интересна тем, что структуры оптических изомеров представляют собой зеркальные отражения друг друга, например, также, как правая и левая рука или винт с правой и левой резьбой. Такое отличие никак не влияет ни на какие физические свойства, кроме способности вращать плоскость поляризации, и совсем не влияет на подавляющее большинство химических свойств.
Единственным исключением из озвученного выше правила является поведение энантиомеров в среде, созданной одним конкретным энантиомером другого вещества. Так, скорости реакции разных энантиомеров одного вещества с одним энантиомером другого вещества могут отличаться. Это можно использовать для раздельного анализа двух оптических изомеров, например, с помощью вольтамперометрии с использованием электрода, модифицированного оптически чистым соединением: один из энантиомеров анализируемого вещества в таких условиях даст больший отклик. Межмолекулярные взаимодействия в таких условиях также могут различаться. На этом основаны способы разделения смесей энантиомеров, например, с помощью хроматографических колонок, в которых неподвижная фаза функционализирована одним оптически чистым энантиомером.
Помимо этого, разные энантиомеры зачастую проявляют разную биологическую активность. Организм человека в норме поддерживает соотношение энантиомеров аминокислот (а для всех α-аминокислот, кроме глицина, характерна оптическая изомерия) на постоянном уровне. С прекращением жизнедеятельности организма поддержание этого баланса нарушается, и смесь аминокислот рацемизуется, т.е. стремится к рацемату – смеси, содержащей равное количество двух энантиомеров. Зная соотношение оптических антиподов в норме и время, необходимое для рацемизации, можно с высокой точностью определить, сколько времени прошло с момента смерти – этот метод используется в криминалистике.
Как другой пример различного биологического действия разных энантиомеров можно вспомнить историю талидомида. Этот препарат, разработанный в 50-е годы прошлого века в Германии, во время клинических испытаний, которые проводились с использованием одного оптически чистого энантиомера, показал себя как безопасное успокоительное и снотворное и был рекомендован при беременности. Однако, когда препарат поступил в серийное производство, технология синтеза была изменена, и вместо одного оптически чистого изомера на прилавки попадал рацемат. Оптический антипод зарегистрированного снотворного, клинических испытаний не проходивший, но содержавшийся в рацемате, оказался токсичен и провоцировал врожденные дефекты. По разным данным, из-за употребления рацемата талидомида матерями пострадали от 8 до 12 тысяч новорожденных детей. И это была реальная драма.
Стоит отметить, что биологическое действие разных энантиомеров далеко не всегда различается настолько драматически и зачастую ограничивается просто разной степенью активности. Так, «неправильная» форма бета-блокатора пропранолола (он же анаприлин) безвредна, но в 200 раз менее активна, чем «правильная». Различие биологической активности и необходимость разделения образовывающегося рацемата вынуждают искать энантиоселективные способы синтеза огромного ряда соединений (в первую очередь, лекарственных), что остается одной из важнейших задач современной синтетической химии.
Автор: Максим Копылов