Metody separacji
enancjomerów przy użyciu
enzymów.
Metody separacji
enancjomerów przy użyciu
enzymów.
I Z O M E R I A
Jest to jest to zjawisko istnienia związków chemicznych
o identycznym wzorze sumarycznym, ale różniących się budową
strukturą cząsteczek. Izomeria występuje bardzo powszechnie w
świecie związków organicznych, np.:
CH
3
CH
2
C
O
H
CH
3
C
CH
3
O
propanal (aldehyd)
propanon (keton)
WZÓR SUMARYCZNY:
C
3
H
6
O
I Z O M E R I A
przestrzenna
(stereoizomeria)
optyczna
(enancjomeria
)
geometrycz
na (cis-
trans)
inne
diastereo-
izomeria
Enancjomery
,które są własnymi lustrzanymi
odbiciami - mniej więcej tak jak prawa i
lewa rękawiczka. Mogą istnieć tylko
dwa enancjomery danego
Nie m
a płas
zczyzn
y
symet
rii!
Enacjomery są chiralnymi
cząsteczkami
Zauważ, że prawy but jest
odbiciem lustrzanym lewego
(jeśli masz wątpliwości, to
ściągnij bambosze, podejdź do
lustra i porównaj jeden z nich z
lustrzanym odbiciem drugiego).
A czy są takie same (spróbuj
założyć np. prawy na lewą
nogę!)?
chiralne czy achiralne?
achiralne
chiralne
Forma mezo to rodzaj diastereoizomeru, który posiada płaszczyznę
symetrii. Forma mezo jest optycznie nieczynna.
Forma mezo
Oddziaływanie enancjomerów ze
spolaryzowanym światłem
Światło
niespolaryzowane
Światło
spolaryzowane
Enancjomery skręcają płaszczyznę polaryzacji (o ten sam kąt ale w
przeciwnych kierunkach) – są optycznie czynne.
Równomolowa mieszanina enacjomerów, podobnie jak substancje
achiralne są optycznie nieczynne.
To wzajemne usytuowanie podstawników określamy nazwą konfiguracji cząsteczki i przypisujemy im nazwy: konfiguracja D i konfiguracja L. Litery D i L, określające przeciwstawne konfiguracje, wzięły się z łacińskich określeń kierunków: prawy-lewy (dexter-laevus), lecz ich ewentualna zgodność z kierunkiem skręcalności jest tylko przypadkiem. Trzeba to wyraźnie powiedzieć: konfiguracja L nie ma żadnego związku ze skręcalnością ujemną, a
konfiguracja D z dodatnią. Natomiast często konfiguracja i skręcalność "plączą się" ze względu na podobieństwo nazwy i fakt, że przeciwstawne konfiguracje cząsteczek danego związku mają także przeciwne kierunki skręcalności - i tylko o takim powiązaniu skręcalności i konfiguracji powinniśmy pamiętać.
Konfiguracja (jej nazwa) bierze się z porównania konfiguracji danej cząsteczki z konfiguracją aldehydu glicerynowego, którym to konfiguracjom arbitralnie i umownie przypisano litery D i L. Jeżeli konfiguracja określanej cząsteczki jest taka, jakby cząsteczka ta powstała przez chemiczne przekształcenia cząsteczki aldehydu glicerynowego o konfiguracji D, prowadzone bez rozrywania wiązań, to uznamy, że cząsteczka ta ma konfigurację D. Jeśli wywieść ją
możemy z cząsteczki aldehydu glicerynowego o konfiguracji L - przypiszemy jej również konfigurację L. Ten sposób przypisywania konfiguracji nie jest do końca jednoznaczny, bo prowadząc przekształcenia różnymi drogami z tej samej konfiguracji wyjściowej (np. D-aldehydu glicerynowego) można dojść do przeciwstawnych konfiguracji badanej substancji - a więc jak to już nie raz bywało, czasem konfiguracja przyjęta jest zgodnie z zasadą a czasem zgodnie
z historią. Jeżeli przyjmiemy, że kwas glicerynowy to pochodna aldehydu glicerynowego, w którym utleniono grupę aldehydową, to otrzymamy przeciwną konfigurację cząsteczki tego kwasu, niż gdybyśmy uznali, że kwas ten powstał przez i utlenienie grupy CH
2
OH do karboksylowej i zredukowanie grupy aldehydowej do alkoholowej (CHO —> CH
2
OH)
Konfiguracja L i D
Konfiguracja L nie ma żadnego związku ze skręcalnością ujemną,
a konfiguracja D z dodatnią.
Konfiguracja (jej nazwa) bierze się z porównania konfiguracji danej
cząsteczki z konfiguracją aldehydu glicerynowego, którym to
konfiguracjom arbitralnie i umownie przypisano litery D i L.
Sposób przypisywania konfiguracji
nie jest jednoznaczny. Zdarza się,
że związki wyprowadzone z tej
samej konfiguracji aldehydu
glicerynowego mają przeciwne
konfiguracje, a zgodnie z regułą oba
powinny być oznaczone taką samą
konfiguracją jak wyjściowy
aldehyd .
Konfiguracja absolutna
Określanie konfiguracji R, S polega na:
ustaleniu wg tzw. reguł pierwszeństwa
kolejności podstawników w centrum chiralności,
ustawieniu cząsteczki tak, żeby podstawnik
najmniej znaczący przy atomie chiralnym
znajdował się jak najdalej.
bromo-chloro-metanol
tlen
brom
chlor
węgiel
wodór
Konfiguracja R
Konfiguracja S
Racemat - równomolowa mieszanina enancjomerów. Jeden z
enancjomerów skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w
lewo, drugi o taki sam kąt w prawo, w rezultacie mieszanina taka
jest nieczynna optycznie. W nazwie mieszanina racemiczna
oznaczana jest DL lub (R)(S).
Mieszanina racemiczna
(R)-Lomefloxacin
(S)-Lomefloxacin
Enzymy wykazują różne rodzaje
specyficzności:
substratową – w stosunku do określonego
związku chemicznego
regiospecyficzność – w stosunku do
określonego ugrupowania
w cząsteczce
stereospecyficzność
– w stosunku do
określonego stereoizomeru
Ezymy są cząsteczkami chiralnymi-
wykazują swoistość przestrzenną,
działają tylko na jeden z możliwych
stereoizomerów i syntetyzują
„symetrycznie”.
Zastosowanie enzymów
do rozdziału
racemicznych mieszanin
aminokwasów jest znane
od roku 1906, kiedy to
Warburg uzyskał z 85%
wydajnością
L-leucynę z mieszaniny
racemicznej jej estru
propylowego poddanej
działaniu ekstraktu z
trzustki – tak zwanej
pankreatyny. Reakcja ta
stanowi pierwszy przykład
biotransformacji.
Enzymatyczny rozdział kinetyczny
na enancjomery
Powszechnie stosowana metoda otrzymywania optycznie
czystych związków z racemicznych substratów w wyniku reakcji
katalizowanej chiralnym katalizatorem, takim jak enzym.
Transformacji chemicznej ulega szybciej jeden z enancjomerów
substratu. Dzięki temu możliwy jest rozdział związku na
poszczególne enancjomery.
mało wydajne
Zastosowanie związku mezo-
W tym przypadku pod
katalitycznym wpływem enzymu selektywnej reakcji może ulec
tylko jedna z dwóch identycznych grup funkcyjnych i reakcję
można przeprowadzić ze 100% wydajnością chemiczną.
W tej metodzie stosuje się takie
enzymy, jak np. acylazy, proteazy,
syntetazy, esterazy czy oksydazy.
Enzymy te katalizują reakcję na
określonym
centrum
sterycznym
(najczęściej L), pozostawiając drugie
centrum bez zmian. Produkty tych
reakcji zwykle różnią się znacznie
właściwościami
fizycznymi
i
chemicznymi,
co
ułatwia
ich
separację.
Rozdział enancjomerów za pomocą
enzymów
jeden z najczęściej wykorzystywanych w
chemii i biotransformacjach enzymów
hydrolitycznych
karboksyesteraza typu serynowego
należąca do grupy hydrolaz
bardzo stabilna, akceptuje jako substraty
duże ilości różnych reagentów
komercyjnie dostępna jako mieszanka co
najmniej sześciu izozymów
Esteraza
z wątroby
świńskiej (PLE)
Trójwymiarowy model centrum aktywnego PLE opracowany przez Jonesa
powstał na podstawie porównania stereospecyficzności wielu reakcji.
Model centrum aktywnego PLE
H
L
- duża kieszeń wiążąca hydrofobowo
H
S
- mała kieszeń wiążąca hydrofobowo
P
F
- przednia kieszeń polarna
P
R
- tylna kieszeń polarna
Ser - miejsce, w którym występuje
reszta serynowa triady katalitycznej
Model centrum
aktywnego
esterazy wątroby
wieprzowej
wg Jonesa
Zastosowanie PLE
Rozdział kinetyczny α, α -dipodstawionych estrów
aminokwasów
Powszechnie stosowaną metodą otrzymywania optycznie czynnych
związków jest poddanie racemicznych substratów enzymatycznemu
rozdziałowi kinetycznemu na enancjomery. W wyniku reakcji
katalizowanej chiralnym katalizatorem, takim jak enzym, transformacji
chemicznej ulega szybciej jeden z enancjomerów substratu. Dzięki
temu możliwy jest rozdział związku na poszczególne enancjomery.
Zastosowanie PLE
Rozdział kinetyczny enancjomerów o konfiguracji cis
Zastosowanie PLE
Selektywna hydroliza kwasów allenowych.
Zastosowanie PLE
Zastosowanie w stereoselektywnych reakcjach estryfikacji
Esterazy
Lipazy
- rozróżniają konformację przestrzennej grup acylowych.
Lipazy sterospecyficzne można podzielić na:
rozróżniające dwie odrębne cząsteczki enancjomerów
rozróżniające dwie, chemicznie identyczne, ale stereochemicznie różne
enancjomeryczne grupy wewnątrz prochiralnych cząsteczek substratu.
Acylazy
hydrolizują N-acylowane
L-aminokwasy
Proteazy
Procesy utleniania i redukcji to jedne z
najważniejszych reakcji jednostkowych w
chemii organicznej.
Oksydazy aminokwasów katalizują
enancjoselektywne reakcje utleniania
aminokwasów, w wyniku czego powstają
α-ketonokwasy.
Dehydrogenaza alkoholowa z wątroby
końskiej używana jest jako odczynnik
redukujący ketony do drugorzędowych
alkoholi lub jako katalizator reakcji
utleniania alkoholi do ketonów.
Reakcje enzymatycznego utleniania i redukcji
Klasyczne metody rozdziału
racematu
pośrednia
bezpośrednia
przeprowadzenie enancjomerów w pochodne diastereoizomeryczne
przeprowadzenie enancjomerów w pochodne diastereoizomeryczne
rozdział enancjomerów na chiralnych fazach stacjonarnych CSP's
(Chiral Stationary Phases) lub za pomocą chiralnych dodatków do
fazy ruchomej.
Klasyczne metody rozdziału
racematu
Chromatograficzne metody
rozdziału racematów
występowanie minimum trzech
oddziaływań pomiędzy enencjomerami a
chiralnym selektorem,
tworzenie się przejściowych
diastereoizomerycznych kompleksów
pomiędzy selektorem będącym
elementem faz stacjonarnych lub chiralnej
fazy ruchomej a selektandem,
wymywanie z kolumny enancjomerów
tworzących mniej trwałe kompleksy
Chromatograficzne różnicowanie
racemicznych cząsteczek na danej fazie:
Mieszanina racemiczna a
farmakologia
ifosfamid
ketamina
izomer R izomer S
esomeprazol
Przykłady leków występujących w
postaci racemicznej