В начало раздела

Абсолютный асимметрический синтез:
возможно ли спонтанное возникновение асимметрии в химической реакции?



Об абсолютном асимметрическом синтезе

Как известно, в лабораторных синтезах невозможно получить оптически активные соединения из оптически неактивных исходных соединений – всегда получается рацемическая смесь. Поэтому под «асимметрическим синтезом» всегда понимается преимущественное получение одного из энантиомеров под действием какого-то асимметризующего фактора – обычно им служит оптически активный реагент, с которым специфически связывается только один из энантиомеров (подобно тому, как правая перчатка подходит только на правую руку, хотя обе руки равноценны). Другие асимметризующие факторы, обычно используемые в таких случаях – оптически активный растворитель, оптически активный сорбент для хроматографии (например, крахмал) и т.д. Известны также асимметрический катализ (например, на катализаторе, нанесённом на оптически активный кристалл типа кварца), а также фотохимические эксперименты с циркулярно-поляризованным светом, который неодинаково воздействует на различные зеркальные энантиомеры.
В двух последних случаях обычно говорят об «абсолютном асимметрическом синтезе», - хотя ясно, что асимметризующий фактор в явном виде присутствует и в этих случаях.

 

О происхождении жизни из «первичного бульона».

Возможно ли получение только одного из энантиомеров без использования дополнительного асимметризирующего фактора? Считается, что нет.

Но тогда остаётся неясным, почему всё живое на Земле состоит из L-аминокислот и D-углеводов, хотя во всех экспериментах по искусственному синтезу аминокислот и углеводов всегда образуются рацемические смеси соединений. В частности, в известном эксперименте Миллера-Юри, моделирующем условия древней атмосферы Земли, из аммиака, метана и воды (и некоторых других соединений) под действием электрических разрядов был получен искусственный «первичный бульон», в составе которого были обнаружены аминокислоты, пептиды и азотистые основания, входящие в состав ДНК.
Но, как и в других случаях, эти соединения были получены в виде рацемической смеси.

Если считать, что на древней Земле происходили подобные процессы, то остаётся непонятным, как из такого рацемического первичного бульона возникла жизнь, основанная на оптически активных соединениях.
Для объяснения этого факта, который противоречит все известным экспериментам, разработаны самые разные теории, разной степени правдоподобности. Однако ни одна из них не даёт полного ответа на поставленный вопрос, который в простейшем случае звучит так: каким образом из рацемического «первичного бульона» обособились оптически активные углеводы, аминокислоты и другие строительные блоки жизни?

 

Абсолютный асимметрический синтез из оптически неактивных исходных соединений.

Ещё в 19 веке Луи Пастер проводил следующий эксперимент: в пересыщенный раствор рацемата оптически активного соединения (натрий-аммониевой соли виноградной кислоты) он вводил затравку кристаллов одного из энантиомеров. В итоге закристаллизовывался только этот энантиомер, в то время как второй зеркальный изомер оставался в растворе.

Однако этот опыт можно развить, если вместо виноградной кислоты взять раствор легко рацемизирующегося соединения. Примером таких соединений являются продукты присоединения к альдегидам (или несимметричный кетонам) различных нуклеофилов – таких, как гидросульфит натрия NaHSO3, циановодород HCN, сульфиновые кислоты RSOOH и т.п. В процессе образования этих соединений возникает асимметрический центр (показан звёздочкой), т.е. из оптически неактивного исходного карбонильного соединения образуется рацемическая смесь соответствующих продуктов присоединения.

В то же время, из-за обратимости реакции, эти соединения находятся в равновесии с исходными карбонильными соединениями (реакция катализируется основаниями):

Теперь представим себе ситуацию, когда полученный рацемический продукт (представляющий собой смесь двух энантиомеров) находится в виде насыщенного раствора. Если в этот раствор внести затравку одного из изомеров, то, как и в опыте Пастера, один из изомеров можно закристаллизовать, - в то время как второй изомер останется в растворе. Однако в растворах таких соединений, как уже было сказано выше, существует равновесие – между самим веществом и исходным карбонильным соединением. Причём в процессе установления данного равновесия продукт рацемизируется, например:

Таким образом, в нашем примере тот из энантиомеров, который остался в растворе, через некоторое время должен превратиться в рацемическую смесь.

Если раствор оставить в открытом сосуде (или медленно упаривать), то по мере испарения растворителя, концентрация раствора над кристаллами будет постепенно нарастать. В итоге кристаллы одного из энантиомеров (того, что выпал вначале!) начнут расти дальше, – пока не испарится весь растворитель, и не закристаллизуется весь раствор.

Таким образом, из рацемического раствора будут получены кристаллы только одного из зеркальных изомеров, что является примером абсолютного асимметрического синтеза из оптически неактивных исходных соединений.

Конечно, в данном примере весь рацемат превращается в тот изомер, который был внесён в раствор в качестве «затравки». Однако даже и без внесения затравочного кристалла ничего принципиально не изменится: всё равно какой-нибудь один из изомеров (с 50%-ной вероятностью) начнёт кристаллизоваться раньше, и это окажет определяющее влияние на то, какие кристаллы (правые или левые) будут получены в конце опыта.

 

Технические детали эксперимента.

В данном примере рассматривался случай, когда из рацемического раствора выпадают раздельные кристаллы обоих видов (т.н. конгломерат). Однако такая ситуация встречается достаточно редко, гораздо чаще оба энантиомера выпадают в виде смешанных кристаллов, или даже молекулярных соединений (1:1, т.н. «истинные рацематы»).

Поэтому ясно, что для экспериментальной проверки вышеизложенных рассуждений подойдут далеко не любые смеси энантиомеров, – а только те, которые не образуют смешанных кристаллов или молекулярных соединений между собой. Т.е. для опыта годятся только соединения, образующие конгломераты – простые смеси кристаллов обоих видов.

Как уже указывалось, дополнительное требование заключается в том, что такие соединения следует искать среди легко рацемизирующихся оптически активных соединений – например, гидросульфитных производных или циангидринов карбонильных соединений (альдегидов или несимметричных кетонов). Подойдут также аналогичные им (но менее доступные) продукты присоединения сульфиновых кислот (RSOOH) к различным карбонильным соединениям:

Из других легко рацемизирующихся соединений можно упомянуть некоторые легко енолизирующиеся кетоны и другие аналогичные соединения:

Резюмируя вышесказанное, можно сформулировать следующие условия, которым должны удовлетворять соединения-кандидаты на роль строительных блоков для асимметрического синтеза из неактивных исходных соединений:

1. Эти соединения должны существовать в виде оптически активных соединений, легко подвергающихся рацемизации. Простейшими примерами таких соединений являются гидросульфитные производные и циангидрины (альдегидов и несимметричных кетонов).

2. Эти вещества должны легко кристаллизоваться из раствора, причём в виде смеси зеркально-симметричных «правых» и «левых» кристаллов (т.н. конгломерат), без образования смешанных кристаллов или молекулярных соединений.

При соблюдении этих условий, станет возможным экспериментальное обнаружение спонтанного возникновения асимметрии в химической реакции.





© ChemExpress.fatal.ru, 2008. При перепечатке ссылка на сайт обязательна.

Адрес для ссылки на страницу: http://chemexpress.fatal.ru/Articles/Asymmetry.htm

 

Органический синтез