В химии абсолютная конфигурация относится к пространственному расположению атомов внутри молекулярной сущности (или группы ), которая является хиральной , и ее результирующее стереохимическое описание. [1] Абсолютная конфигурация обычно имеет отношение к органическим молекулам , 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 атома хирального центра. Наиболее распространенный метод маркировки использует дескрипторы R или S и основан на правилах приоритета Кана-Ингольда-Прелога . R и S относятся к rectus и sinister , латинским обозначениям правого и левого соответственно.
Хиральные молекулы могут различаться по своим химическим свойствам, но идентичны по своим физическим свойствам, что может затруднить различение энантиомеров. Абсолютные конфигурации для хиральной молекулы (в чистом виде) чаще всего получают с помощью рентгеновской кристаллографии , хотя и с некоторыми важными ограничениями. Все энантиомерно чистые хиральные молекулы кристаллизуются в одной из 65 групп Зонке (хиральные пространственные группы). Альтернативные методы включают оптическую вращательную дисперсию , колебательный круговой дихроизм , ультрафиолетовую-видимую спектроскопию , использование хиральных сдвигающих реагентов в протонном ЯМР и кулоновском взрывном изображении. [2] [3]
До 1951 года было невозможно получить абсолютную конфигурацию хиральных соединений. В какой-то момент было произвольно решено, что (+)- глицеральдегид является D -энантиомером. [4] [5] Затем конфигурация других хиральных соединений была связана с конфигурацией (+)-глицеральдегида последовательностями химических реакций . Например, окисление (+)-глицеральдегида ( 1 ) оксидом ртути дает (−)- глицериновую кислоту ( 2 ), реакция, которая не изменяет стереоцентр. Таким образом, абсолютная конфигурация (−)-глицериновой кислоты должна быть такой же, как и у (+)-глицеринового альдегида. Окисление (+)- изосерина ( 3 ) азотистой кислотой дает (−)-глицериновую кислоту, устанавливая, что (+)-изосерин также имеет ту же абсолютную конфигурацию. [6] (+)-Изосерин может быть преобразован двухстадийным процессом бромирования в (−)-3-бром-2-гидроксипропановую кислоту ( 4 ) и восстановлением цинком с получением (−)- молочной кислоты ( 5 ), поэтому (−)-молочная кислота также имеет ту же абсолютную конфигурацию. [7] Если реакция дала энантиомер известной конфигурации, на что указывает противоположный знак оптического вращения, это будет означать, что абсолютная конфигурация инвертирована.
В 1951 году Йоханнес Мартин Бийвоет впервые использовал в рентгеновской кристаллографии эффект аномальной дисперсии , который сейчас называется резонансным рассеянием, для определения абсолютной конфигурации. [8] Исследуемым соединением был (+)- тартрат рубидия натрия , и из его конфигурации ( R , R ) был сделан вывод, что первоначальное предположение для (+)-глицеральдегида 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 интересующим системам, таким как многие биомолекулы (исключением являются некоторые белки) и катализаторы in situ . Другим важным ограничением является то, что молекула должна содержать «тяжелые» атомы (например, бром) для усиления рассеяния. [9] Кроме того, критические 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 отдельных молекул в газовой фазе, обычно в сочетании с теоретическими расчетами квантовой механики ab initio , тем самым преодолевая некоторые ограничения рентгеновской кристаллографии. [10]
Система R / S является важной номенклатурной системой для обозначения энантиомеров. Этот подход маркирует каждый хиральный центр R или S в соответствии с системой, по которой его заместителям назначается приоритет , согласно правилам приоритета Кана-Ингольда-Прелога (CIP), основанным на атомном номере. Когда центр ориентирован так, что заместитель с самым низким приоритетом из четырех направлен от наблюдателя, наблюдатель тогда увидит две возможности: если приоритет оставшихся трех заместителей уменьшается по часовой стрелке, он маркируется R (от лат .: rectus – правый); если он уменьшается против часовой стрелки, он маркируется S (от лат .: sinister – левый). [11]
( R ) или ( S ) пишется курсивом и в скобках. Если есть несколько хиральных атомов углерода, например (1 R ,4 S ), число указывает местоположение углерода, предшествующего каждой конфигурации. [12]
Система R / S также не имеет фиксированной связи с системой D / L. Например, боковая цепь серина содержит гидроксильную группу −OH. Если бы вместо нее была заменена тиоловая группа −SH, маркировка D / L , по определению, не была бы затронута заменой. Но эта замена инвертировала бы маркировку R / S молекулы , поскольку приоритет CIP CH 2 OH ниже, чем у CO 2 H, но приоритет CIP CH 2 SH выше, чем у CO 2 H. По этой причине система D / L остается общепринятой в определенных областях биохимии, таких как химия аминокислот и углеводов, поскольку удобно иметь одну и ту же хиральную метку для часто встречающихся структур данного типа структуры в высших организмах. В системе D / L почти все встречающиеся в природе аминокислоты являются L , в то время как встречающиеся в природе углеводы являются почти все D . Все протеиногенные аминокислоты имеют S-группу , за исключением цистеина , который имеет R-группу .
Энантиомер может быть назван по направлению, в котором он вращает плоскость поляризованного света. Вращение по часовой стрелке света, движущегося к наблюдателю, обозначено как (+) энантиомер. Его зеркальное отражение обозначено как (−). Изомеры (+) и (−) также были названы d- и l- (для правовращающего и левовращающего ); но обозначение с помощью d- и l- легко спутать с обозначением D- и L- , и поэтому не рекомендуется ИЮПАК . [13]
Оптический изомер может быть назван по пространственной конфигурации его атомов. Система D/L (названная в честь латинских слов dexter и laevus, правый и левый), не путать с системой d- и l- , см. выше , делает это, связывая молекулу с глицеральдегидом . Глицеральдегид сам по себе хиральный, и его два изомера обозначены как D и L (обычно набраны маленькими заглавными буквами в опубликованных работах). С глицеральдегидом можно выполнять определенные химические манипуляции, не влияя на 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 для номенклатуры. В этой системе соединения называются по аналогии с глицеральдегидом, что, как правило, дает однозначные обозначения, но легче всего увидеть в небольших биомолекулах, похожих на глицеральдегид. Одним из примеров является хиральная аминокислота аланин , которая имеет два оптических изомера, и они маркируются в соответствии с тем, из какого изомера глицеральдегида они происходят. С другой стороны, глицин , аминокислота, полученная из глицеральдегида, не имеет оптической активности, поскольку она не хиральна (она ахиральна).
Маркировка D/L не связана с (+)/(−) – она не указывает, какой энантиомер является правовращающим, а какой – левовращающим. Скорее, она указывает стереохимию соединения относительно стереохимии правовращающего или левовращающего энантиомера глицеральдегида. Правовращающий изомер глицеральдегида на самом деле является D -изомером. Девять из девятнадцати L -аминокислот, обычно встречающихся в белках, являются правовращающими (при длине волны 589 нм), а D -фруктоза также называется левулозой, потому что она левовращающая. Практическое правило для определения D/L- изомерной формы аминокислоты – это правило «CORN». Группы
расположены вокруг хирального центрального атома углерода. При атоме водорода вдали от наблюдателя, если расположение групп CO → R → N вокруг атома углерода в качестве центра против часовой стрелки, то это форма L. [14] Если расположение по часовой стрелке, то это форма D. Как обычно, если сама молекула ориентирована по-другому, например, H по направлению к наблюдателю, шаблон может быть обратным. Форма L является обычной, встречающейся в природных белках. Для большинства аминокислот форма L соответствует абсолютной стереохимии S , но вместо этого является R для некоторых боковых цепей.