Изомерия органических соединений

Изомеры – соединения с одинаковым качественным и количественным

составом, но отличающиеся по строению и обладающие поэтому различными

физическими, химическими или биологическими свойствами.

Различают структурную и пространственную (стерео -) изомерию.

Три вида структурной изомерии:

1) изомерия углеродного скелета: например, пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан (рис.2); 2) изомерия положения функциональных групп или кратных связей: например, 2-бутен и 1-бутен; или 1-пропанол и 2-пропанол (рис. 3);

3) изомерия функциональной группы: например, диметиловый эфир и этанол (рис. 4):

 

                                                                       Рис. 3. Изомерия положения функциональ

                                                                                   ных групп или кратных связей

 

Рисунок 2. Изомерия углеродного скелета      Рисунок 4. Изомерия функциональной группы

 

Для карбоновых кислот изомерами по функциональной группе являются сложные эфиры, для альдегидов – кетоны, для спиртов – простые эфиры, для аминокислот – сложные эфиры, амиды гидроксикислот и нитросоединения (рис. 5).

 

 

 

Рисунок 5. Примеры изомеров по функциональной группе (межклассовых изомеров)

 

 

Стереоизомеры (пространственные изомеры) – это соединения, в молекулах которых имеется одинаковая последовательность химических связей атомов, но различное расположение этих атомов относительно друг друга в пространстве. 

К пространственным изомерам относят геометрические (цис-транс-) изомеры, например цис-2-бутен и транс-2-бутен, отличающиеся расположением заместителей относительно линии, соединяющей атомы углерода, связанные двойной связью.

Ненасыщенные кислоты – олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая присутствуют в составе липидов (в том числе в жидких жиров) в цис-форме. Углеводородный радикал кислоты в цис-конфигурации имеет изогнутый и укороченный вид, молекулы занимают больший объём, а при образовании кристаллов упаковываются менее плотно, чем транс-изомеры или предельные радикалы. Поэтому жиры, в состав которых входят, преимущественно, непредельные жирные кислоты, являются жидкими. А в составе твёрдых жиров присутствуют, в основном, остатки предельных кислот (пальмитиновой, стеариновой).

Цис-конфигурация является энергетически менее устойчивой. Возможно, это делает пищевые жиры более подверженными катаболизму, они легче перевариваются.

Линолевая кислота в организме осуществляет регуляцию свойств клеточных и субклеточных мембран, она является одним из основных компонентов таких лекарственных средств, как «Эссенциале» «Акулайв», «Фосфоглиф» и других. Только цис-изомер линолевой кислоты может использоваться организмом для синтеза арахидоновой кислоты, в то время как транс-изомеры малоактивны и могут накапливаться в органах и тканях.

В начале 90-х годов прошлого века появился ряд публикаций, указывающих на связь потребления транс-жиров и риском развития сердечно-сосудистых и других заболеваний. Современные исследования показывают, что транс-изомеры жирных кислот не вступают во все те реакции, в которые вступают цис-изомеры, и если в пище будут присутствовать только транс-изомеры, возникнет дефицит многих важнейших соединений и жизнедеятельность организма нарушится. Но обычно мы с растительным маслом едим достаточное количество цис-изомеров, так что никаких отрицательных последствий для организма не наблюдается.

Из двух возможных изомеров бутендиовой кислоты в клетках растений и животных образуется только транс-бутендиовая кислота (фумаровая), а цис-изомер (малеиновая кислота) является для человека и животных токсическим соединением.

В витамине А двойные связи, располагающиеся в боковой цепи, имеют транс- конфигурацию. Для восприятия света необходимо обратимое превращение:

цис-ретиналь ® транс-ретиналь ® транс-ретинол ® цис-ретинол ® цис-ретиналь

Энантиомерия (оптическая или зеркальная пространственная изомерия).

Признаки оптической активности органических соединений:

– наличие асимметрического атома углерода и отсутствие в молекуле симметрии.

Асимметрический атом углерода — атом, связанный с четырьмя различными атомами или группами.

Оптически активные соединения образуют два пространственных изомера, являющихся зеркальными отражениями друг друга (энантиомеры).

Энантиомеры обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами, но вращают плоскость поляризации плоскополяризованного света в противоположные стороны, они в пространстве несовместимы друг с другом. Наглядным примером несовместимости предмета и его зеркального изображения служит невозможность надеть на левую руку правую перчатку, соответствующую пространственному расположению правой руки.

Смесь, состоящая из равных мольных количеств энантиомеров, называется рацемической смесью или рацематом. Рацемат оптически не активен.

Чтобы правильно изобразить конфигурацию энантиомеров, углеродную цепь молекулы изображают вертикально, старший заместитель при этом располагается вверху; заместители у асимметрического атома углерода располагают слева и справа от углеродной оси:

 

 

Если функциональная группа (в молочной кислоте – гидроксильная) располагается слева от углеродной оси, изомер относят к L-ряду, если справа – к D-ряду Асимметрический атом углерода часто не обозначают химическим символом, он подразумевается в пересечении линий, показывающих соответствующие связи.

Несмотряна одинаковые физические и химические свойства, биологическая активность энантиомеров может быть совершенно различной.

Часто только один из энантиомеров обладает требуемым терапевтическим эффектом, второй в лучшем случае бесполезен, а в худшем вызывает нежелательные побочные эффекты или токсичен. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору, как ключ к замку, и запускает желаемую биохимическую реакцию. В 60-е годы одним из предшественников адреналина в организме – диоксифенилаланином (L -ДОФА) пытались лечить паркинсонизм. При этом выяснилось, что это вещество эффективно только в виде L -изомера. В то же время D -ДОФА вызывает серьезные побочные эффекты, в том числе заболевание крови.

Пеницилламин (3,3-диметилцистеин) применяют при острых и хронических отравлениях тяжелыми металлами, так как оно дает прочные комплексы с ионами этих металлов, и эти комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, при системной склеродермии, в ряде других случаев. При этом применяют только L -форму препарата, так как D -изомер токсичен и может привести к слепоте.

Один из энантиомеров адреналина в десятки раз более активен, чем другой, т.к. более полно соответствует активному центру белка, с которым связывается (рис. 6).

 

Рисунок 6. Пространственное соответствие молекулы адреналина и активного центра белка