Μετάβαση στο περιεχόμενο

Ρακεμοποίηση

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Στη χημεία, η ρακεμοποίηση ή ρακεμίωση (racemization) είναι η μετατροπή, με θερμότητα ή με χημική αντίδραση, μιας οπτικά ενεργής ένωσης σε ρακεμική (οπτικά ανενεργή) μορφή. Αυτό δημιουργεί μια μοριακή αναλογία 1:1 εναντιομερών και αναφέρεται ως ρακεμικό μείγμα (δηλαδή περιέχει ίση ποσότητα (+) και (-) μορφών). Οι συν και πλην μορφές ονομάζονται περιστροφή επιπέδου πόλωσης δεξιά και αριστερά, αντίστοιχα. (dextrorotation, levorotation)[1] Τα εναντιομερή D και L υπάρχουν σε ίσες ποσότητες, το προκύπτον δείγμα περιγράφεται ως ρακεμικό μείγμα (racemic mixture ή racemate). Η ρακεμοποίηση μπορεί να προχωρήσει μέσω διαφόρων μηχανισμών και έχει ιδιαίτερη σημασία στη φαρμακολογία, καθώς διαφορετικά εναντιομερή μπορεί να έχουν διαφορετικές φαρμακευτικές επιδράσεις.

Στερεοχημεία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Δύο εναντιομερή ενός γενικού αμινοξέος που είναι χειρόμορφο

Τα χειρόμορφα μόρια έχουν δύο μορφές (σε κάθε σημείο ασυμμετρίας), οι οποίες διαφέρουν στα οπτικά τους χαρακτηριστικά: Η αριστερόστροφη μορφή (η (−)-μορφή) θα περιστρέψει αριστερόστροφα το επίπεδο πόλωσης μιας δέσμης φωτός, ενώ η δεξιόστροφη μορφή (η (+)-μορφή) θα περιστρέψει δεξιόστροφα το επίπεδο πόλωσης μιας δέσμης φωτός.[1] Οι δύο μορφές, οι οποίες δεν είναι επικαλυπτόμενες όταν περιστρέφονται σε τρισδιάστατο χώρο, ονομάζονται εναντιομερή. Η σημειογραφία δεν πρέπει να συγχέεται με την ονομασία D και L των μορίων, η οποία αναφέρεται στην ομοιότητα στη δομή με την D-γλυκεριναλδεΰδη και την L-γλυκεριναλδεΰδη. Επίσης, τα (R)- και (S)- αναφέρονται στη χημική δομή του μορίου με βάση τους κανόνες προτεραιότητας ονομασίας Cahn–Ingold–Prelog και όχι στην περιστροφή του φωτός. Ο συμβολισμός R/S είναι ο κύριος συμβολισμός που χρησιμοποιείται για το +/- τώρα, επειδή οι συμβολισμοί D και L χρησιμοποιούνται κυρίως για σάκχαρα και αμινοξέα.[2]

Η ρακεμοποίηση συμβαίνει όταν μια καθαρή μορφή ενός εναντιομερούς μετατρέπεται σε ίση αναλογία και των δύο εναντιομερών, σχηματίζοντας ένα ρακεμικό μείγμα. Όταν υπάρχουν ίσοι αριθμοί δεξιόστροφων και αριστερόστροφων μορίων, η καθαρή οπτική στροφή ενός ρακεμικού μείγματος είναι μηδέν. Τα εναντιομερή θα πρέπει επίσης να διακρίνονται από τα διαστερεομερή, τα οποία είναι ένας τύπος στερεοϊσομερούς που έχουν διαφορετικές μοριακές δομές γύρω από ένα στερεοκέντρο και δεν είναι κατοπτρικές εικόνες.

Η μερική έως πλήρης ρακεμοποίηση της στερεοχημείας σε διαλύματα είναι αποτέλεσμα μηχανισμών SN1. Ωστόσο, όταν συμβαίνει πλήρης αναστροφή της στερεοχημείας σε μια αντίδραση υποκατάστασης, υπεύθυνη είναι μια αντίδραση SN2.[3]

Φυσικές ιδιότητες

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Στη στερεά κατάσταση, τα ρακεμικά μείγματα μπορεί να έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες από οποιοδήποτε από τα καθαρά εναντιομερή λόγω των διαφορικών διαμοριακών αλληλεπιδράσεων (βλ. ενότητα Βιολογική Σημασία). Η αλλαγή από ένα καθαρό εναντιομερές σε ένα ρακεμικό μείγμα μπορεί να αλλάξει την πυκνότητα, το σημείο τήξης, τη διαλυτότητα, τη θερμότητα σύντηξης, τον δείκτη διάθλασης και τα διάφορα φάσματά του. Η κρυστάλλωση (Crystallization) ενός ρακεμικού μείγματος μπορεί να οδηγήσει σε ξεχωριστές (+) και (-) μορφές ή σε μία μόνο ρακεμική ένωση. Ωστόσο, σε υγρή και αέρια κατάσταση, τα ρακεμικά μείγματα θα συμπεριφέρονται με φυσικές ιδιότητες που είναι ίδιες ή σχεδόν ίδιες με τα καθαρά εναντιομερή τους.[4]

Βιολογική σημασία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Γενικά, οι περισσότερες βιοχημικές αντιδράσεις είναι στερεοεκλεκτικές, επομένως μόνο ένα στερεοϊσομερές θα παράγει το επιδιωκόμενο προϊόν, ενώ το άλλο απλώς δεν συμμετέχει, ή μπορεί να προκαλέσει παρενέργειες. Αξίζει να σημειωθεί ότι η μορφή L των αμινοξέων και η μορφή D των σακχάρων (κυρίως γλυκόζη) είναι συνήθως η βιολογικά αντιδραστική μορφή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι πολλά βιολογικά μόρια είναι χειρόμορφα και έτσι οι αντιδράσεις μεταξύ συγκεκριμένων εναντιομερών παράγουν καθαρά στερεοϊσομερή.[5] Αξιοσημείωτο είναι επίσης το γεγονός ότι όλα τα υπολείμματα αμινοξέων υπάρχουν σε μορφή L. Ωστόσο, τα βακτήρια παράγουν υπολείμματα D-αμινοξέων που πολυμερίζονται σε μικρά πολυπεπτίδια, τα οποία μπορούν να βρεθούν στα βακτηριακά κυτταρικά τοιχώματα. Αυτά τα πολυπεπτίδια είναι λιγότερο εύπεπτα από τις πεπτιδάσες και συντίθενται από βακτηριακά ένζυμα αντί για μετάφραση mRNA, η οποία κανονικά θα παρήγαγε L-αμινοξέα.[5]

Η στερεοεπιλεκτική φύση των περισσότερων βιοχημικών αντιδράσεων σήμαινε ότι διαφορετικά εναντιομερή μιας χημικής ουσίας μπορεί να έχουν διαφορετικές ιδιότητες και επιπτώσεις σε ένα άτομο. Πολλά ψυχοτρόπα φάρμακα εμφανίζουν διαφορετική ενεργότητα ή αποτελεσματικότητα μεταξύ των ισομερών, π.χ. η αμφεταμίνη χορηγείται συχνά ως ρακεμικά άλατα, ενώ η πιο δραστική δεξτροαμφεταμίνη προορίζεται για ανθεκτικές περιπτώσεις ή πιο σοβαρές ενδείξεις. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η μεθαδόνη, της οποίας το ένα ισομερές έχει δραστικότητα ως αγωνιστής οπιοειδών και το άλλο ως ανταγωνιστής NMDA.[6]

Η ρακεμοποίηση των φαρμάκων μπορεί να συμβεί εν ζωή. Η θαλιδομίδη ως το (R) εναντιομερές είναι αποτελεσματική κατά της πρωινής ναυτίας (morning sickness), ενώ το (S) εναντιομερές είναι τερατογόνο, προκαλώντας γενετικές ανωμαλίες όταν λαμβάνεται κατά το πρώτο τρίμηνο της εγκυμοσύνης. Εάν χορηγηθεί μόνο ένα εναντιομερές σε έναν άνθρωπο, και οι δύο μορφές μπορεί να βρεθούν αργότερα στον ορό του αίματος.[7] Συνεπώς, το φάρμακο δεν θεωρείται ασφαλές για χρήση από γυναίκες σε αναπαραγωγική ηλικία και, ενώ έχει και άλλες χρήσεις, η χρήση του ελέγχεται αυστηρά.[8][9] Η θαλιδομίδη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία του πολλαπλού μυελώματος.[10]

Ένα άλλο φάρμακο που χρησιμοποιείται συχνά είναι η ιβουπροφαίνη, η οποία είναι αντιφλεγμονώδης μόνο ως ένα εναντιομερές, ενώ το άλλο είναι βιολογικά αδρανές. Ομοίως, το στερεοϊσομερές (S) είναι πολύ πιο δραστικό από το εναντιομερές (R) στην σιταλοπράμη (Celexa), ένα αντικαταθλιπτικό που αναστέλλει την επαναπρόσληψη σεροτονίνης, είναι δραστικό.[11][5][12] Η σταθερότητα της διαμόρφωσης ενός φαρμάκου αποτελεί επομένως πεδίο ενδιαφέροντος στην φαρμακευτική έρευνα.[13] Η παραγωγή και ανάλυση εναντιομερών στη φαρμακευτική βιομηχανία μελετάται στον τομέα της χειρόμορφης οργανικής σύνθεσης.

Σχηματισμός ρακεμικών μειγμάτων

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ρακεμοποίηση μπορεί να επιτευχθεί απλώς με ανάμειξη ίσων ποσοτήτων δύο καθαρών εναντιομερών. Η ρακεμοποίηση μπορεί επίσης να συμβεί με χημική αλληλομετατροπή. Παραδείγματος χάρη, όταν η (R)-3-φαινυλ-2-βουτανόνη διαλύεται σε υδατική αιθανόλη που περιέχει NaOH ή HCl, σχηματίζεται ρακεμικό μείγμα. Η ρακεμοποίηση συμβαίνει μέσω μιας ενδιάμεσης μορφής ενόλης στην οποία το προηγούμενο στερεοκέντρο γίνεται επίπεδο και επομένως αχειρόμορφο.[14]:373 Μια εισερχόμενη ομάδα μπορεί να πλησιάσει και από τις δύο πλευρές του επιπέδου, επομένως υπάρχει ίση πιθανότητα η πρωτονίωση πίσω στην χειρόμορφη κετόνη να παράγει είτε μια μορφή R είτε μια S, με αποτέλεσμα ρακεμικό μείγμα.

Η ρακεμοποίηση μπορεί να συμβεί μέσω ορισμένων από τις ακόλουθες διεργασίες:

  • Οι αντιδράσεις υποκατάστασης που προχωρούν μέσω ενός ελεύθερου ενδιάμεσου καρβοκατιόντος, όπως οι μονομοριακές αντιδράσεις υποκατάστασης, οδηγούν σε μη στερεοειδική προσθήκη υποκαταστατών που οδηγεί σε ρακεμοποίηση.
  • . Αν και οι μονομοριακές αντιδράσεις απόσπασης προχωρούν επίσης μέσω ενός καρβοκατιόντος, δεν έχουν ως αποτέλεσμα ένα χειρόμορφο κέντρο. Αντίθετα, έχουν ως αποτέλεσμα ένα σύνολο γεωμετρικών ισομερών στα οποία παράγονται μορφές trans/cis (E/Z), αντί για ρακεμικά μείγματα.
  • Σε μια μονομοριακή αλειφατική ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση αντίδραση, εάν το καρβανιόν είναι επίπεδο ή εάν δεν μπορεί να διατηρήσει μια πυραμιδική δομή, τότε θα πρέπει να συμβεί ρακεμοποίηση, αν και όχι πάντα.[15]:517–518
  • Σε μια αντίδραση υποκατάστασης ελεύθερων ριζών, εάν ο σχηματισμός της ελεύθερης ρίζας λαμβάνει χώρα σε έναν χειρόμορφο άνθρακα, τότε παρατηρείται σχεδόν πάντα ρακεμοποίηση.[15]:610

Ο ρυθμός ρακεμοποίησης (από L μορφές σε ένα μείγμα L μορφών και D μορφών) έχει χρησιμοποιηθεί ως τρόπος χρονολόγησης βιολογικών δειγμάτων σε ιστούς με αργούς ρυθμούς ανανέωσης, σε ιατροδικαστικά δειγμάτων και σε απολιθώματα σε γεωλογικές αποθέσεις. Αυτή η τεχνική είναι γνωστή ως χρονολόγηση αμινοξέων.

Ανακάλυψη οπτικής ενεργότητας

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το 1843, ο Λουί Παστέρ ανακάλυψε οπτική ενεργότητα στο παρατρυγικό ή σταφυλικό οξύ που βρίσκεται στο κρασί από σταφύλια. Ήταν σε θέση να διαχωρίσει δύο εναντιομερείς κρυστάλλους που περιστρέφουν το πολωμένο φως σε αντίθετες κατευθύνσεις.[11]

Αναφορές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. 1 2 Kennepohl D, Farmer S (13 Φεβρουαρίου 2019). «6.7: Optical Activity and Racemic Mixtures». Chemistry LibreTexts (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 16 Νοεμβρίου 2022.
  2. ↑ «The significance of chirality in drug design and development». Current Topics in Medicinal Chemistry 11 (7): 760–770. 2011. doi:10.2174/156802611795165098. PMID 21291399.
  3. ↑ Brown WH, Iverson BL, Anslyn E, Foote CS (2017). Organic chemistry (Eighth έκδοση). Boston, Mass.: Cengage Learning. ISBN 978-1-337-51640-2.
  4. ↑ «Racemic drugs: racemic mixture, racemic compound, or pseudoracemate?». Journal of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences 1 (1): 8–12. 1998. PMID 10942967. https://sites.ualberta.ca/~csps/JPPS1(1)/A.Mitchell/Mitchell.pdf.
  5. 1 2 3 Voet D, Voet JG, Pratt CW (2013). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (4th έκδοση). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-54784-7.
  6. ↑ «Levoamphetamine and dextroamphetamine: comparative efficacy in the hyperkinetic syndrome. Assessment by target symptoms». Archives of General Psychiatry 27 (6): 816–822. December 1972. doi:10.1001/archpsyc.1972.01750300078015. PMID 4564954.
  7. ↑ «Clinical pharmacokinetics of thalidomide». Clinical Pharmacokinetics 43 (5): 311–327. 2004. doi:10.2165/00003088-200443050-00004. PMID 15080764.
  8. ↑ Stolberg SG (17 Ιουλίου 1998). «Thalidomide Approved to Treat Leprosy, With Other Uses Seen». The New York Times. Ανακτήθηκε στις 8 Ιανουαρίου 2012.
  9. ↑ «Use of thalidomide in leprosy». WHO:leprosy elimination. World Health Organization. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 10 Νοεμβρίου 2006. Ανακτήθηκε στις 22 Απριλίου 2010.
  10. ↑ «Thalidomide in multiple myeloma». Current Pharmaceutical Biotechnology 7 (6): 431–440. December 2006. doi:10.2174/138920106779116919. PMID 17168659.
  11. 1 2 Nelson DL, Cox MM (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6th έκδοση). New York: W. H. Freeman. ISBN 978-1-4292-3414-6.
  12. ↑ «[Escitalopram and citalopram: the unexpected role of the R-enantiomer]». L'Encephale 33 (2): 179–187. 2007. doi:10.1016/s0013-7006(07)91548-1. PMID 17675913.
  13. ↑ Reist M, Testa B, Carrupt PA (2003). «Drug Racemization and Its Significance in Pharmaceutical Research». Στο: Eichelbaum MF, Testa B, Somogyi A, επιμ. Stereochemical Aspects of Drug Action and Disposition. Handbook of Experimental Pharmacology. 153. σελίδες 91–112. doi:10.1007/978-3-642-55842-9_4. ISBN 978-3-642-62575-6.
  14. ↑ Streitwieser A, Heathcock CH (1985). Introduction to Organic ChemistryΑπαιτείται δωρεάν εγγραφή (3rd έκδοση). Maxwell MacMillan. ISBN 978-0-02-946720-6.
  15. 1 2 March J (1985). Advanced Organic Chemistry: reactions, mechanisms, and structure (3rd έκδοση). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-85472-2.
Ανακτήθηκε από "https://el.wikipedia.org/w/index.php?title=Ρακεμοποίηση&oldid=11601651"