Вклад в историю развития стереохимии Л. Пастера, Я. Вант-Гоффа, Ле Беля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: «Вклад в историю развития стереохимии Л.Пастера, Я.Вант-Гоффа, Ле Беля»

Содержание

Введение

Глава 1. Вклад Луи Пастера в развитие стереохимии

Глава 2. Теория Вант-Гоффа и ЛеБеля

Заключение

Список литературы

Введение

Стереохимия - наука о пространственном строении молекул и влиянии его на физические, химические свойства, на направление и скорость химических реакций.

Обьекты стереохимии - органические вещества, неорганические (чаще всего - комплексные соединения), химия высокомолекулярных синтетических и природных соединений, биохимия, фармхимия и др. Физиологическая активность большинства веществ связана с их пространственным строением. Так например, L - лейцин имеет горький вкус, а его изомер D - лейцин - сладкий, только один из восьми пространственных изомеров 1,2,3,4,5,6 - гексахлорциклогексанов обладает сильной инсектицидной активностью, (+) - изопропилнорадреналин обладает в 800 раз более сильным бронхорасширяющим действием чем его (-) - изомер и таких примером можно привести много.

Стереохимический подход помогает также в решении проблем теоретической органической и неорганической химии. Давно известный пример из этой области -- вальденовское обращение как критерий механизма реакций замещения; более новый -- использование результатов изучения асимметрического синтеза оптически активных веществ для глубокого проникновения в процессы химических превращений.

Физические методы исследования дали возможность с большой точностью определять геометрические параметры молекул: межатомные расстояния (длины связей), валентные углы, двугранные углы (называемые также диэдральными или торсионными). Эти параметры зависят прежде всего от природы атомов и типа связи между ними, однако определенное влияние (иногда весьма сильное) оказывает и ближайшее окружение -- соседние атомы и связи. Точные определения геометричеких параметров молекул позволяют заметить индивидуальные различия у разных соединений. Эти различия определенным образом связаны со строением и являются выражением взаимного влияния атомов, понимаемого как проявление пространственных и электронных эффектов.

Современная стереохимия включает в себя четыре основные раздела. Статическая или конфигурационая стереохимия. Главная задача - определение пространственной конфигурации энантиомеров хиральных молекул, установление зависимости знака и величины оптического вращения от структуры молекулы.

Конформационный анализ исследует «внутренную жизнь» молекул в отсутствии реакций, конформации молекул, их устойчивость, зависимость реакционной способности молекул от их конформации.

Динамическая стереохимия - стереохимическая часть современной теории механизмов органических реакций.

Теоретическая стереохимия исследует основные понятия и концепции стереохимии математическими основаниями, описывает формальные стороны стереохимических процессов, которые мало связаны с химической природой частных молекулярных объектов. Теоретическая стереохимия базируется на теории групп, матричной алгебре, геометрической топологии позволяющих описывать молекулярную структуру веществ.

Глава 1. Вклад Луи Пастера в развитие стереохимии

Луи Пастер был человеком с большим чувством юмора и об открытиях, якобы сделанных случайно, он говорил так: «Счастье улыбается только хорошо подготовленному уму» «Этот человек, который зажег на небосклоне науки целое созвездие ярчайших открытий, должен был всю жизнь отстаивать свои истины в бесполезных, утомительных, иссушающих мозг спорах». Мало кто знает, что французский учёный, известный всему миру как основоположник микробиологии и иммунологии, начинал свою деятельность как химик. Своё первое открытие Пастер сделал еще в студенческие годы, обнаружив оптическую асимметрию молекул. Объектом исследования стала виннокаменная кислота. Своё название виннокаменная (диоксиянтарная) кислота получила потому, что впервые из её изомеров был выделен химиком и фармацевтом Шееле из так называемого винного камня - осадка, выпадающего в бочках при приготовлении виноградного вина путём брожения виноградного сока.

Пастер, занимаясь кристаллизацией двойной аммонийно - натриевой соли виноградной кислоты обратил внимание на то, что при этом получаются кристаллы не одинаковые, но похожие друг на друга, как похожи предмет и его зеркальное изображение. Пастер отобрал отдельно те и другие кристаллы. Отделив друг от друга две кристаллические формы винной кислоты, он показал, что они представляют собой оптические антиподы (право - и левовращающие формы). Антиподами или энантиомерами являются изомеры, которые вращают плоскость поляризации в разные стороны, но на один и тот же угол [3]. В начале ХIХ столетия французский физик Жан-Батист Био обнаружил, что некоторые органические вещества в жидком или растворённом состоянии могут вращать плоскость поляризации света. Из курса физики всем известно, что свет имеет волновую природу. Световое излучение представляет собой поперечные волны, для которых характерно, что колеблющиеся частицы совершают движения, перпендикулярные направлению распространения волн. Простым и наглядным примером поперечных волн являются волны на поверхности жидкости. Они распространяются по горизонтали, а частицы жидкости перемещаются вверх и вниз, т.е. по вертикали. Колебания в луче обыкновенного света, будучи всегда перпендикулярными направлению распространению света (лучу), происходят в пространстве во всевозможных плоскостях, как это схематически показано на рисунке. Если световой луч пропустить через так называемую призму Николя, то из этой призмы луч выйдет поляризованным, т.е. колебания в нём будут происходить в одной определённой плоскости. Плоскость,перпендикулярная плоскости колебаний в поляризованном луче, называют плоскостью поляризации.

Способность некоторых веществ вращать плоскость поляризации луча называется оптической активностью. Оптическая активность связана с асимметрией молекулы - с наличием различных групп атомов, которые могут быть различным образом расположены в пространстве. И, чтобы показать относительное расположение заместителей асимметрического атома углерода в пространстве, Пастер вводит буквенное обозначение D и L(и знак «+» или «-», обозначающие соответственно правое или левое вращение и ставятся перед формулой оптического изомера). Если атом не имеет элементов симметрии, то он асимметричен [3]. Позднее Пастер высказал мысль о том, что существование «правого» и «левого» изомеров оптически активных соединений связано с наличием асимметрии молекулы, причём совмещение этих двух изомеров невозможно. Такая молекула несовместима со своим зеркальным изображением. Можно привести примеры предметов быта, например, перчатки, которые тоже не совмещаются в пространстве, в чём убеждаешься, попытавшись надеть на правую руку левую перчатку. Обе модели очень похожи одна на другую, как похожи правая и левая рука. Таким образом, при исследовании винной кислоты, Пастер увидел, что растворы одних кристаллов вращают плоскость поляризованного света вправо, а растворы других кристаллов, имеющих форму зеркального изображения, - влево. Раствор из смеси двух типов кристаллов в соотношении 1:1 не обладал оптической активностью. И называются такие вещества рацематами. Эти исследования легли в основу стереохимии - нового направления структурной химии, изучающая пространственное строение молекул. Стереохимия подразделяется на статическую стереохимию, которая изучает влияние пространственного строения на физические свойства, и динамическую стереохимию, которая рассматривает влияние пространственного строения на направление и скорость реакций. Одним из видов динамической стереохимии является зеркальная изомерия - это вид пространственной изомерии, характеризующийся различным расположением в пространстве четырёх различных групп вокруг асимметрического атома углерода и тем. Это открытие дало возможность глубже заглянуть в тайны строения материи. Изучение оптической изомерии необходимо при рассмотрении многих реакций, протекающих в организме. Большинство этих реакций идёт под действием ферментов - биологических катализаторов. Молекулы этих веществ должны подходить к молекулам соединений, на которые они действуют, как ключ к замку, следовательно, пространственное строение, взаимное расположение участков молекул и другие пространственные факторы имеют для течения этих реакций большое значение, так как лежат в основе важнейшего свойства всех живых организмов - обмена веществ [3]. Учение Луи Пастера, по вопросам стереохимии, имеет огромное значение в фармации, биотехнологии и не только. Вот например несколько фактов влияния изомеров D и L ряда на организм человека: Всем нам известный аспартам - заменитель сахара, обладает очень сладким вкусом (примерно в 200 раз слаще сахарозы). Он нетоксичен, малокалориен и применяется в качестве подсластителя пищевых продуктов, включая напитки. Получены многочисленные синтетические аналоги аспартама, Так как аспартам является сложным эфиром Глутаминовой кислоты. И выяснилось, что если заменить L- глутаминовую кислоту на её D - изомер, то получается безвкусное соединение. б - аминокислоты, относящиеся к разным стереохимическим рядам, различаются по вкусу. Так, D - глутаминовая кислота безвкусна, а L - глутаминовая кислота имеет вкус мяса. Поэтому L - глутаминовую кислоту, получаемую путём гидролиза клейковины пшеницы, применяют в виде глутамата натрия в качестве вкусовой добавки к пищевым концентратам. Сладкий вкус имеют, как правило, б - аминокислоты D -ряда: валин, лейцин, аспарагиновая кислота, тирозин, гистидин, а так же треонин, метионин триптофан. В то же время их энантиомеры либо безвкусны, либо обладают горьким вкусом. Из изомеров L - ряда сладким вкусом обладают лишь аланин, пролин, серин. В этом отношении б - аминокислоты привлекают внимание как возможные заменители сладких веществ углеводной природы в связи с проблемой диабета. Бывают случаи, когда из нескольких стереоизомеров активностью обладает лишь один. Изопропиладреналин проявляет в 800 раз более сильное бронхорасширяющее действие, чем его левовращающий изомер. Аналогичная картина характерна для ряда антибиотиков. Например, хлоромицетин физиологически активен только в L- форме и мы знаем этот антибиотик как левомецетин [3]. Во многих случаях стереоизомеры проявляют совершенно разную биологическую активность. В 1960 - е годы на фармацевтическом рынке Германии появилось новое снотворное средство талидомид, приобретшее впоследствии печальную известность. Препарат помимо основного действия оказывал сильное тератогенное действие, вызывал ненормальное развитие плода у беременных женщин. А причина скрывалась в том, что из двух энантиомеров, тератогенным действием обладал только L-изомер, а D-форма обладала снотворным действием. Как уже отмечалось, биологическая активность химических соединений, зависит от их пространственного строения. И здесь хочется сказать, что б-аминокислоты, а именно L-энантиомеры участвуют в построении белков человеческого организма, имеет важнейшее значение для формирования пространственной структуры белков. б-аминокислоты D ряда называют иногда «неприродными», так как они не используются для построения белков человеческого организма. Однако D-б-аминокислоты встречаются в составе пептидов, продуцируемых микроорганизмами, например в антибиотиках (грамицидин, актиномицин, полимиксин), а также в составе клеточной стенки бактерий. Таким образом, биологическое действие биорегуляторов(гормоны, витамины, антибиотики и др.) и лекарственных средств связаны с пространственным строением их молекул. Можно предположить, что вряд ли сам Луи Пастер, мог предугадать гениальность своего исследования. Считается, что только одно это открытие обеспечило ему почетное место в пантеоне науки. [1][2]

Глава 2 Теория Вант-Гоффа и ЛеБеля Вант-Гофф и ЛеБель рассматривали как предпосылку появления оптической активности наличие атома углерода с четырьмя различными заместителями -- асимметрического атома углерода.

При этом Вант-Гофф принял в качестве модели правильный тетраэдр, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах -- четыре заместителя. Обе активные формы относятся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению, их нельзя совместить друг с другом (оптические антиподы) [5].

стереохимия молекула реакция

Они вращают плоскость поляризации света на одинаковую величину, но в противоположном направлении, в то время как, например, температуры плавления их совпадают. После фундаментальных работ Вант-Гоффа и ЛеБеля началось победное шествие представлений о пространственном, тетраэдрическом строении атома углерода. Теория позволяет четко предсказать число стереоизомеров, возможных для соединений, имеющих более одного асимметрического атома углерода. Она была блестяще подтверждена исследованиями Э. Фишера о пространственном строении сахаров. С применением ее к проблемам образования циклов и напряжения в них. Позднее это модельное представление было с успехом использовано и для таких элементов, как азот и сера. Оно нашло свое окончательное экспериментальное подтверждение в рентгенографическом определении строения алмаза, а теоретическое обоснование -- в современной квантовой теории связи. Все последующие опыты вновь и вновь подтверждали правильность взглядов Вант-Гоффа и ЛеБеля. Даже наилучшие и наиболее современные физические методы и не изменили, а лишь уточнили их. Вальден считал идею о пространственном расположении атомов важнейшей теорией органической химии. Творческая мысль Вант-Гоффа и ЛеБеля дала всей органической химии новую, важную точку опоры. [4]

Заключение

Значение стереохимии органических молекул и реакций трудно переоценить, но, вероятно, еще существеннее влияние пространственных факторов в ферментативных процессах. Открытие того факта, что практически все белки нашего организма состоят только из левых аминокислот, помогло ученым прояснить ряд серьезных вопросов: почему многие синтезированные лекарственные средства, например гормон инсулин, неэффективны, почему некоторые лекарства вдруг начинают вместо пользы приносить вред организму больного и т.д.

Список литературы

1. Лауреаты Нобелевской премии. Энциклопедия. Пер. с англ. М.: Прогресс, 1992.

2. 100 великих научных открытий. М.: Вече-2000, 2002; Потапов В.М. Стереохимия. М.: Химия, 1988.

3. Вклад Луи Пастера в развитие стереохимии [Электронный ресурс]: URL: https://studylib.ru/doc/446205/vklad-lui-pastera-v-razvitie-stereohimii (дата обращения 27.03.2020).

4. Зачернюк А. / Развитие представлений о стереохимии ферментативных процессов [Электронный ресурс]: URL: https://him.1sept.ru/article.php?ID=200602101 (дата обращения 27.03.2020).

5. Теория Вант-Гоффа и Лебеля [Электронный ресурс]: URL: https://www.chem21.info/article/607227/ (дата обращения 27.03.2020).

Размещено на Allbest.ru