Keemiainstituut

Molekulide asümmeetriast

Molekulide asümmeetria. Mõisteid

Kiraalsus ehk käelisus on üks asümmeetria viis, mille puhul objekt ei ole identne oma peegelpildiga. Kiraalne on mistahes kujund, kui selle peegeldust tasapinnalises peeglis ei saa viia kokkulangevusse lähtekujundiga - nii nagu parem ja vasak käsi või ühe paari kindad ei ole ühitatavad.

Keemias tähendab kiraalsus molekuli struktuuris sümmeetria puudumisega seotud omadust, mistõttu kiraalne molekul (ehk käeline molekul) ei ole ühildatav tema peegelpildile vastava konfiguratsiooniga molekuliga. See tähendab, et esineb kiraalse molekuli peegelpildile vastav, kuid mitteidentne molekul ehk stereoisomeer. Kogu elusloodus, s h meie ise oleme ehitatud orgaanilisest materjalist, seejuures valdavalt asümmeetrilistest molekulidest. Süsiniku aatom nelja erineva asendajaga loob tüüpilise stereokeskme (kiraalsustsentri). Näiteks suhkrud on paremakäelised ehk D-konfiguratsiooniga, kuid aminohapped on enamasti vasakukäelised ehk L-konfiguratsiooniga. Käelised isomeerid erinevad üksteisest selle poolest, et nende peegelpildid ei ühti. Selliseid peegelisomeere nimetatakse enantiomeerideks. Enantiomeeride 1:1 segu nimetatakse ratseemiliseks seguks.

Asümmeetriliste isomeeride füüsikalised omadused ja keemilised omadused, kui reaktsioon toimub nn tavaliste mittekäeliste molekulidega, on identsed. Kuid oluliselt võib erineda nende toime teiste käeliste molekulidega. Siit tuleneb vajadus saada näiteks ravimeid nõutud käelisusega, sest "vasaku käe kinnas paremasse ei istu", st vale käelisusega molekul ei toimi ja on kasutu või isegi kahjulik.

Keerulise struktuuriga molekulides esineb mitmeid kiraalseid tsentreid, mistõttu võimalike stereoisomeeride arv võib suureneda oluliselt. Näiteks kolesterooli molekulis on 8 kiraalset tsentrit ning võimalike stereoisomeeride arv on 256. Looduses esineb nendest ainult üks, mis on oluline ainevahetusprotsessis. Pikad polümeersed DNA molekulid on lisaks veel paremakäelise kruvina spiraaliks keerdunud.

Kui molekulis on kaks (või enam) kiraalset tsentrit, on võimalik diastereoisomeeride moodustumine. Diastereomeerid on stereoisomeerid, mis pole enantiomeerid, s t ei ole teineteise peegelpildid. Erinevalt enantiomeeridest on diastereomeeride füüsikalised omadused erinevad, mistõttu on võimalik nende omavaheline lahutamine kristallisatsiooni, destillatsiooni või ekstraktsiooni meetoditega.

Enantiomeeride füüsikalised omadused ja keemilised omadused, kui reaktsioon toimub nn tavaliste mittekiraalsete molekulidega, on identsed. Kuid oluliselt võib erineda enantiomeeride toime kiraalsete molekulidega, seega ka nende bioloogiline tiome looduses valdavalt esinevate asümmeetriliste biomolekulidega.

Eluslooduse ehitusmaterjali asümmeetria mõistmine ja sellega arvestamine on eriti oluline bioloogiliselt aktiivsete ainete - ravimite - loomisel. Uued ravimid püütakse sünteesida juba vajaliku enantiomeerina.

Kiraalsuse määramine

Nimetatud meetodid ei võimalda aga määrata molekulide absoluutset konfiguratsiooni (asendajate tegelikku paigutust kiraalse tsentri ümber). Absoluutset konfiguratsiooni saab määrata röntgenstruktuur analüüsil ja tuumamagnetresonants-spektroskoopia (TMR) abil.

Rahvusvahelist tunnustust on leidnud Tõnis Pehki TMR uurimislabor Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis.

Enantiomeeride saamine

1) Eraldamine looduslikust materjalist - see võimalus on aga piiratud looduses toodetud struktuuridega ja seotud aeganõudvate komplitseeritud eraldamisprotseduuridega.

2) Eraldamine sünteesil saadud ratseemilisest segust - see meetod on seotud tülika ja kalli enantiomeeride lahutamise protsessiga ning lisaks toob kaasa asjatu lähtematerjali kulu seoses mittevajaliku isomeerse produkti tekkega.

3) Vajaliku enantiomeeri süntees lihtsatest mittekäelistest lähteühenditest kasutades asümmeetrilise sünteesi spetsiifilisi meetodeid. Asümmeetriline süntees on muundumiste jada, milles luuakse kindla konfiguratsiooniga produkt. Soovitava produkti konfiguratsioon tuleneb kiraalsest mõjurist, milleks on kas kiraalne reagent, kiraalne katalüsaator või kiraalne abiühend.

Viimased paarkümmend aastat on toimunud asümmeetrilise sünteesi tormiline areng. On loodud uusi kiraalsete ühendite saamise strateegiaid, s h kiraalseid katalüsaatoreid. Töötatakse välja asümmeetrilise sünteesi üldisi metoodikaid ja bioaktiivsetes molekulides esinevate kiraalsete fragmentide sünteesimeetodeid.

Asümmeetrilise sünteesi grupp

Koostas Elvi Muks