Оптически активные соединения, не содержащие асимметрических атомов углерода

Существует ряд соединений, не содержащих асимметрических атомов углерода, но обнаруживающих тем не менее оптическую активность. Часто причина этого явления заключается в трудности вращения вокруг углерод-углеродных связей. Например, в молекуле аллена концевые метиленовые группы СН₂ лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, что обусловлено фиксированным положением в пространстве системы двойных связей (рис. 80). Поэтому аллены типа XYC=C=CXY, где X и Y — различные группы, асимметричны и могут существовать в виде двух энантиомеров:

Изомерия такого же типа возможна и в тиранах — бициклических соединениях, в которых один атом является общим для циклов:

Оптической активностью обладают также некоторые соединения ряда дифенила. Так, в молекуле о, о'-динитродифеновой кислоты.

невозможно вращение вокруг центральной связи из-за наличия объемистых заместителей в о положениях, вследствие чего бензольные кольца не могут лежать в одной плоскости. Поэтому молекула асимметрична и соединение обладает оптической активностью. Такого же рода причины приводят к появлению оптической активности и у 2,2'-диокси*1,1 «-бинафтила.

Разделение рацемических смесей на оптические антиподы

При лабораторном синтезе веществ с асимметрическими атомами в молекуле в обычных условиях образуется рацемическая смесь. Действительно, например, атака Н—CN на RR’CO в каждом единичном случае должна приводить к оптически активному циангидрину:

Статистически безразлично, идет эта атака сверху или снизу, как изображено на схеме, поэтому в конце концов мы получаем равное количество молекул обоих изомеров, т. е. рацемическую смесь.

Пастер на примере виноградной кислоты дал ряд классических методов расщепления рацемических смесей.

1. Метод диастереомеров, являющийся наиболее общим, заключается в получении различных производных энантиомеров за счет превращения их в диастереомеры. Суть этого способа иллюстрируется следующей схемой:

Когда на расщепляемую рацемическую смесь действуют каким-либо оптически активным реактивом, то образуется новая пара веществ, уже не являющихся оптическими антиподами, так как одна из составных частей этих соединений тождественна, поэтому такие соединения нс могут быть зеркальными изображениями друг друга и являются диастереомерами. Как уже упоминалось выше, диастереомеры в отличие от оптических антиподов отличаются друг от друга физическими свойствами, например растворимостью, давлением пара, коэффициентом адсорбции и др.

Во многих случаях такого различия в свойствах оказывается достаточно для отделения одного из диастереомеров от другого, т. е. для расщепления исходной рацемической смеси.

После разделения диастереомеров каким-либо способом удаляют оптически активный реактив и получают оптически активный энантиомер. Таким образом, разделение рацемических смесей на оптические антиподы с помощью метода диастереомеров включает три стадии:

• 1) образование пары диастереомеров;
• 2) разделение этой пары путем использования появившихся различий в свойствах;
• 3) разрушение чистых диастереомеров и выделение оптически активных энантиомеров.

Образование диастереомеров возможно только в том случае, когда разделяемое вещество имеет какую-либо группу, способную реагировать с оптически активным реактивом. Кроме того, важно, чтобы при реакции не затрагивались связи асимметрического центра. Практически наиболее часто используют реакцию солеобразования. Так, при взаимодействии рацемической виноградной кислоты, представляющей собой смесь (+) — и (-)-винных кислот, с оптически активным основанием, например бруцином, вращающим плоскость поляризации света вправо, образуются диастереомерные соли в равных количествах. Эти соли имеют различную растворимость, и одна из них сразу выпадает из бензольного раствора. Разложив далее щелочью разделенные таким способом соли, получают натриевые соли (+) — и (-)-винных кислот, из которых действием неорганической кислоты выделяют свободные винные кислоты.

2. Некоторые микроорганизмы в процессе жизнедеятельности потребляют лишь один антипод, оставляя другой. Так, при выращивании чернильной плесени на растворах виноградной кислоты потребляется D антипод, и через некоторое время из раствора может быть выделена чистая L кислота.

Недостаток этого метода разделения состоит в том, что один из энантиомеров не удается выделить из реакционной смеси.

• 3. Широко используется метод разделения с помощью ферментативных реакций. Обычно ферменты катализируют реакции с веществами лишь одной конфигурации. Следовательно, если рацемическую смесь обрабатывают ферментом, то можно выделить оба энантиомера (один в виде производного, другой в первоначальном виде). Так, если амид рацемического лейцина обработать L лейциноамидопепсидазой, то гидролизуется только амид L-формы, a D форма остается в виде амида. Недостатком метода является возможность работы лишь с природными соединениями, так как подходящие ферменты в других случаях отсутствуют.
• 4. При кристаллизации натрийаммониевой соли виноградной кислоты NaOOC—СН (ОН)—СН (ОН)—COONHj • 4Н₂0 при температурах ниже 28 °C кристаллизуется не рацемическое соединение, а смесь солей (+) — и (-)-винных кислот, представляющих собой кристаллы двух разных типов, относящихся друг к другу как предмет и его зеркальное отображение (энантиоморфные). Эти кристаллы могут быть легко разделены вручную и затем превращены в энантиомеры винной кислоты действием сильной кислоты. Этот метод может привести к успеху лишь в очень редких случаях.
• 5. Для расщепления рацемических смесей применяются также хроматографические методы. Обычный способ разделения состоит в пропускании раствора рацемического соединения через оптически активный адсорбент, в результате один из энантиомеров адсорбируется более эффективно, чем другой. Этот метод приводит к частичному или даже полному разделению.

Сравнительно недавно В. Л. Да ван ков и С. В. Рогожин разработали новый, весьма перспективный метод разделения рацемических смесей а-аминокислот. Они обнаружили, что в образовании медных хелатов участвуют молекулы L и D форм а-аминокислот. Константа устойчивости таких хелатов намного выше, чем симметричных LL- и DD хелатов:

Если на ионообменной смоле в качестве функции находится L пролин, то при пропускании рацемического пролина через колонку, предварительно насыщенную ионами Си²⁻⁴, D пролин будет связываться в хелат c L пролином смолы, a L пролин будет выходить из колонки. Связанный D-пролин можно затем легко вытеснить аммиаком:

Для пролина метод дает возможность получать энантиомеры с очень высоким выходом и с почти 100%-й степенью оптической чистоты.

Принцип устойчивости хелатов с двумя лигандами противоположной конфигурации является общим и для хелатов никеля, цинка, кобальта (И), железа (П) и ряда других металлов. В качестве лигандов также могут быть взяты и другие бифункциональные производные.