Американские ученые научились получать оптические изомеры соединений на основе альдегидов, осуществив наконец важную реакцию, над которой химики работали многие годы. В эксперименте они объединили два катализатора, работающие по разным принципам. В результате совместного действия этих катализаторов образуются две активных органических молекулы, которые объединяются в требуемое вещество. На примере этой реакции показана возможность синтеза целого класса биологически важных органических соединений.

Когда Алиса оказалась в собственной, но «зазеркальной» комнате, то удивилась: комната вроде похожа, но всё же совсем другая. Точно так же различаются и зеркальные изомеры химических молекул: внешне похожи, но ведут себя по-разному. Важнейшей областью органической химии является разделение и синтез этих зеркальных вариантов. (Иллюстрация Джона Тенниела к книге Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье»)

В повести Ирвина Уэлша «И вечно прячется судьба» из его сборника «Экстази» рассказывается о судьбе безрукой девушки, посвятившей свою жизнь зверской мести тем, по чьей вине она оказалась тяжелым инвалидом. Она родилась без обеих рук потому, что ее мать во время беременности принимала препарат талидомид. И такими жертвами талидомида в 60-е годы прошлого века стали тысячи новорожденных по всему миру. Талидомидная трагедия будет вечным предостережением против внедрения непроверенных лекарственных препаратов.

Причины столь ужасающих побочных действий талидомида теперь хорошо изучены. В этом препарате смешаны два идентичных по составу, но структурно различных, зеркально симметричных варианта химического вещества. Речь идет об оптических изомерах, называемых еще хиральными изомерами или лево- и правовращающими: растворы отделенных изомеров по-разному поляризуют свет. В живой клетке большинство соединений присутствуют в виде одного из оптических изомеров и синтезируется только этот изомер. Оптические изомеры по-разному ведут себя в живой клетке: так, один из изомеров талидомида оказывает лечебное действие, другой, напротив, нарушает нормальный синтез белков, прерывая транскрипцию ДНК. Но тогда, в середине XX века, химики не слишком много знали о различной биохимической активности оптических вариантов органических молекул, не умели их как следует разделять, а уж синтезировать в чистом виде один из вариантов тем более не могли.

С тех пор изучение хиральных молекул существенно продвинулось. Найдены катализаторы, которые выборочно проводят синтез одного из оптических изомеров. В 2001 году трое ученых получили Нобелевскую премию по химии за открытие простых и пригодных для производства катализаторов гидрирования и окисления при синтезе оптических изомеров органических молекул лекарственных препаратов. Разработка таких катализаторов позволила наладить производство важных синтетических антибиотиков, таких как левофлоксацин — ведь лечебным действием обладает только один из его оптических изомеров.

Сейчас известно уже не менее 130 реакций органического синтеза, в которых получаются более или менее чистые хиральные изомеры. Если сам катализатор обладает хиральными свойствами, то из оптически неактивного субстрата получится оптически активный продукт. Это правило было выведено еще в начале XX века и остается базовым и на сегодняшний день.

Принцип выборочного действия катализатора по отношению к оптическим изомерам похож на рукопожатие: катализатору «удобно» связываться только с одним из хиральных изомеров, поэтому и катализируется предпочтительно только одна из реакций. Кстати, термин «хиральный» произошел от греческого chéir — рука. Рис. с сайта nobelprize.org

Для разных случаев используются разные катализаторы, в том числе и светозависимые катализаторы (фотокатализаторы), органические и неорганические соединения. Активно изучаются и естественные природные катализаторы типа глинистых минералов. Ведущий специалист в области органического катализа Дэвид Макмиллан (David W. C. MacMillan), возглавляющий Центр катализа в Принстонском университете, год назад опубликовал результаты исследований по использованию новых органических катализаторов для получения оптических изомеров.

Теперь в той же лаборатории предложили новый и перспективный метод получения стереоизомеров альдегидов с алкильными группами — важнейшего класса органических соединений. Этот метод заключается в объединении фотокатализатора и органического катализатора. В экспериментальную колбу помещаются четыре реагента: альфа-бромкетон, альдегид и два катализатора. Один из катализаторов, рутений-бипиридин Ru(bpy)3(2+), — фотозависимый. Поэтому если включить лампочку и осветить колбу, то этот катализатор активируется и начинается реакция. Ru(bpy)3(2+) возбуждается , переходит в форму *Ru(bpy)3+ и передает лишний электрон альфа-бромкетону. В растворе оказывается кетон, у которого из-за отделения брома оказались незаполненными электронные орбитали. В это же самое время органический катализатор реагирует с молекулой альдегида. В этой реакции получается нестабильный комплекс катализатор–альдегид с избыточными электронами на орбиталях. Именно в этой точке и объединяются в единый комплекс кетон и альдегид.

В этом синтезе ключевым моментом является одновременное создание двух нестабильных активных центров. Получение оптически активного продукта определяется использованием хирального органического катализатора. В ходе экспериментов удалось подобрать такой катализатор ((R)-2-malonyloctanal), который обеспечивал бы 90-процентное доминирование одного из оптических изомеров алкил-альдегида. Эту реакцию, актуальную для органического и биологического синтеза, химикам не удавалось провести в течение многих лет. Авторы публикации подчеркивают тем более замечательную легкость, с которой она проведена: нужны недорогие реагенты, обычная флюоресцентная лампочка и комнатная температура — и в течение одного дня в простом стеклянном сосуде само собой синтезируется нужное соединение. Если лампочку не включать, то реакция не пойдет. Если изъять фотокатализатор, то эффективность процесса составит всего 10%. То есть сам по себе органический катализатор не может обеспечить эффективное взаимодействие. Правда, эффективность реакции резко увеличивается (до 80%) и в отсутствие фотокатализатора, но при включении очень интенсивного ультрафиолетового излучения.

За этим открытием лежит глубокое понимание механизмов хирального катализа. Опробованная технология должна быть не уникальна для участвовавших в данном синтезе альдегида и кетона. В действительности, открыта технология проведения целого класса каталитических реакций, который позволяет получать оптические изомеры. Это важно и в практическом и в теоретическом смысле. Практики получат при некоторой адаптации возможность синтеза необходимых лекарственных препаратов, а для биохимиков это демонстрация вероятных путей синтеза хиральных биологических молекул в организме. Ведь и у одноклеточных существ, и у многоклеточных многие реакции активируются одновременно светом и стереоизомерными ферментами.

Источник: http://elementy.ru/news?newsid=430865