Абсолютная конфигурация относится к пространственному расположению атомов внутри хиральной молекулярной структуры (или группы) и ее результирующему стереохимическому описанию. [1] Абсолютная конфигурация обычно актуальна в органических молекулах, где углерод связан с четырьмя различными заместителями . Этот тип конструкции создает два возможных энантиомера . Абсолютная конфигурация использует набор правил для описания относительных положений каждой связи вокруг хирального центрального атома. Наиболее распространенный метод маркировки использует дескрипторы R или S и основан на правилах приоритета Кана-Ингольда-Прелога . R и S относятся к прямой мышце и зловещей , что на латыни означает правую и левую соответственно.
Хиральные молекулы могут различаться по своим химическим свойствам, но идентичны по своим физическим свойствам, что может затруднить различение энантиомеров. Абсолютные конфигурации хиральной молекулы (в чистом виде) чаще всего получают методом рентгеновской кристаллографии , хотя и с некоторыми важными ограничениями. Все энантиомерно чистые хиральные молекулы кристаллизуются в одной из 65 групп Зонке (хиральных пространственных групп). Альтернативные методы включают оптически-вращательную дисперсию , колебательный круговой дихроизм , ультрафиолетово-видимую спектроскопию , использование реагентов кирального сдвига в протонном ЯМР и визуализацию кулоновского взрыва. [2] [3]
До 1951 года не удавалось получить абсолютную конфигурацию хиральных соединений. [4] В какой-то момент было решено, что (+)- глицеральдегид является D -энантиомером. [ нужна цитация ] Конфигурация других хиральных соединений затем была связана с конфигурацией (+)-глицеральдегида посредством последовательностей химических реакций . Например, окисление (+)-глицеральдегида ( 1 ) оксидом ртути дает (-)- глицериновую кислоту ( 2 ), реакция, не изменяющая стереоцентр. Таким образом, абсолютная конфигурация (-)-глицериновой кислоты должна быть такой же, как и у (+)-глицеринового альдегида. Окисление азотной кислотой ( +)- изосерина ( 3 ) дает ( -)-глицериновую кислоту, устанавливая, что (+)-изосерин также имеет ту же абсолютную конфигурацию. (+)-Изосерин можно преобразовать с помощью двухэтапного процесса бромирования [ нужна ссылка ] и восстановления цинка с получением (–)- молочной кислоты , поэтому (–)-молочная кислота также имеет ту же абсолютную конфигурацию. Если бы в результате реакции получился энантиомер известной конфигурации, на что указывает противоположный знак оптического вращения, это означало бы, что абсолютная конфигурация инвертирована.
В 1951 году Йоханнес Мартин Бийвоет впервые применил в рентгеновской кристаллографии эффект аномальной дисперсии , который сейчас называют резонансным рассеянием, для определения абсолютной конфигурации. [5] Исследованным соединением был (+)- тартрат рубидия натрия , и на основании его конфигурации ( R , R ) был сделан вывод, что первоначальное предположение о (+)-глицеральдегиде было правильным.
Несмотря на огромное и уникальное влияние на доступ к молекулярным структурам, рентгеновская кристаллография создает некоторые проблемы. Процесс кристаллизации целевых молекул требует много времени и ресурсов и не может быть применен к соответствующим представляющим интерес системам, таким как многие биомолекулы (некоторые белки являются исключением) и катализаторы in situ . Еще одним важным ограничением является то, что для усиления рассеяния молекула должна содержать «тяжелые» атомы (например, брома). [6] Кроме того, существенные искажения сигнала возникают из-за влияния ближайших соседей в любой кристаллической структуре и растворителей, используемых в процессе кристаллизации .
Совсем недавно были внедрены новые методы для непосредственного исследования абсолютной конфигурации одиночных молекул в газовой фазе, обычно в сочетании с квантово-механическими теоретическими расчетами ab initio , что позволяет преодолеть некоторые ограничения рентгеновской кристаллографии. [7]
Система R / S является важной номенклатурной системой для обозначения энантиомеров. Этот подход маркирует каждый хиральный центр R или S в соответствии с системой, согласно которой каждому его заместителю присваивается приоритет в соответствии с правилами приоритета Кана-Ингольда-Прелога (CIP) на основе атомного номера. Когда центр ориентирован так, что заместитель из четырех с наименьшим приоритетом направлен от зрителя, зритель увидит две возможности: если приоритет остальных трех заместителей уменьшается по часовой стрелке, он обозначается R (от латинского : прямая мышца – правая); если он уменьшается против часовой стрелки, это S (от латыни : зловещий – левый). [8]
( R ) или ( S ) пишутся курсивом и в круглых скобках. Если имеется несколько хиральных атомов углерода, например (1R , 4S ) , число указывает расположение атома углерода, предшествующего каждой конфигурации. [9]
Система R / S также не имеет фиксированной связи с системой D/L . Например, боковая цепь серина содержит гидроксильную группу -OH. Если бы на него была заменена тиоловая группа -SH, на маркировку D/L , по ее определению, замена не повлияла бы. Но эта замена инвертировала бы R / S -маркировку молекулы , поскольку приоритет CIP для CH 2 OH ниже, чем для CO 2 H, но приоритет CIP для CH 2 SH выше, чем для CO 2 H. По этой причине Система D/L по-прежнему широко используется в некоторых областях биохимии, таких как химия аминокислот и углеводов, поскольку удобно иметь одну и ту же хиральную метку для часто встречающихся структур данного типа в высших организмах. В системе D/L почти все встречающиеся в природе аминокислоты представляют собой L , тогда как встречающиеся в природе углеводы почти все состоят из D. Все протеиногенные аминокислоты относятся к S , за исключением цистеина , который представляет собой R.
Энантиомер можно назвать по направлению, в котором он вращает плоскость поляризации света. Вращение света, идущего к зрителю по часовой стрелке, обозначается (+) энантиомером. Его зеркальное изображение отмечено знаком (-). Изомеры (+) и (-) также называются d- и l- (от правовращающих и левовращающих ); но наименование с помощью d- и l- легко спутать с маркировкой D- и L- , поэтому ИЮПАК его не рекомендует . [10]
Оптический изомер можно назвать по пространственной конфигурации его атомов. Система D/L (названная в честь латинского dexter и laevus, правого и левого), не путать с d- и l- системой, см. выше , делает это путем связывания молекулы с глицеральдегидом . Глицеральдегид сам по себе хиральный, и два его изомера обозначены D и L (в опубликованных работах обычно набираются маленькими прописными буквами ). Определенные химические манипуляции можно проводить с глицеральдегидом, не затрагивая его конфигурацию, и его историческое использование для этой цели (возможно, в сочетании с его удобством как одной из самых маленьких обычно используемых хиральных молекул) привело к его использованию в номенклатуре. В этой системе соединения называются по аналогии с глицеральдегидом, который, как правило, дает однозначные обозначения, но легче всего увидеть их в небольших биомолекулах, подобных глицеральдегиду. Одним из примеров является хиральная аминокислота аланин , которая имеет два оптических изомера, и они помечены в соответствии с тем, из какого изомера глицеральдегида они произошли. С другой стороны, глицин , аминокислота, полученная из глицеральдегида, не обладает оптической активностью, поскольку он не хиральный (он ахиральный).
Маркировка D/L не связана с (+)/(-) – она не указывает, какой энантиомер является правовращающим, а какой левовращающим. Скорее, это указывает на стереохимию соединения по сравнению со стереохимией правовращающего или левовращающего энантиомера глицеральдегида. Правовращающий изомер глицеральдегида по сути является D- изомером. Девять из девятнадцати L -аминокислот, обычно встречающихся в белках, являются правовращающими (при длине волны 589 нм), а D -фруктозу также называют левулозой, поскольку она левовращающая. Эмпирическим правилом определения D/L -изомерной формы аминокислоты является правило «КУКУРУЗА». Группы
расположены вокруг хирального центрального атома углерода. Когда атом водорода находится вдали от наблюдателя, если расположение групп CO → R → N вокруг атома углерода в центре происходит против часовой стрелки, то это L - форма. [11] Если расположение по часовой стрелке, это форма D. Как обычно, если сама молекула ориентирована по-другому, например буквой H в сторону зрителя, картина может быть обратной. Форма L является обычной формой, встречающейся в природных белках. Для большинства аминокислот форма L соответствует абсолютной стереохимии S , но вместо этого представляет собой R для определенных боковых цепей.