Расщепление рацематов

52 задания

Через диастереомерные соли

linkОпора

Урок 64. Рацематы — понимать, когда образуется рацемат и почему он не вращает свет
Урок 57. Энантиомеры или диастереомеры — определять отношение двух стереоизомеров по конфигурациям

В уроке 56 мы видели, что энантиомеры одинаковы по всем обычным физическим свойствам, а диастереомеры различаются температурами плавления и растворимостью. На этом различии и построено классическое расщепление рацемата (урок 64): энантиомеры временно превращают в диастереомеры, которые уже можно разделить, а потом возвращают обратно.

Как расщепить рацемическую кислоту

Добавьте один энантиомер хирального основания, например (R)-1-фенилэтиламин или бруцин.
Получатся две соли: (R-кислота·R-основание) и (S-кислота·R-основание) — диастереомеры.
Разделите их кристаллизацией: у них разная растворимость.
Обработайте каждую соль сильной кислотой — выделятся чистые энантиомеры кислоты.

\[\begin{aligned}&(\pm)\text{-}\ce{RCOOH} + (R)\text{-}\ce{B} \longrightarrow\\ &(R)\text{-}\ce{RCOO-}\cdot(R)\text{-}\ce{BH+}\\ &{}+ (S)\text{-}\ce{RCOO-}\cdot(R)\text{-}\ce{BH+}\end{aligned}\]

Две соли справа — диастереомеры.

Примеры

1. Рацемическая молочная кислота и (R)-1-фенилэтиламин. Кислота отдаёт протон амину, и получаются две соли: (R)-лактат·(R)-аммоний и (S)-лактат·(R)-аммоний. У них по два стереоцентра, и совпадает только один — это диастереомеры с разной растворимостью, их разделяют кристаллизацией. Затем каждую соль подкисляют сильной кислотой и получают чистые (R)- и (S)-молочные кислоты.

(R)-молочная кислота — Один хиральный амин даёт с двумя энантиомерами кислоты две разные (диастереомерные) соли

(S)-молочная кислота — Один хиральный амин даёт с двумя энантиомерами кислоты две разные (диастереомерные) соли

2. Рацемический амин и (R,R)-винная кислота. Для расщепления аминов берут энантиомерно чистую кислоту: получаются два диастереомерных тартрата, которые разделяют кристаллизацией, а затем амин вытесняют щёлочью.

(2R,3R)-винная кислота: расщепляющий агент для аминов — Природная винная кислота доступна в одном энантиомере — поэтому её так часто используют

3. Опыт Пастера (1848). Тартрат натрия-аммония \(\ce{NaNH4C4H4O6}\) при кристаллизации из рацемата даёт два сорта кристаллов, зеркальных друг другу. Пастер разобрал их пинцетом под лупой и получил первые чистые энантиомеры; растворы двух сортов вращали свет в противоположные стороны. Такое самопроизвольное разделение — редкость: обычно рацемат кристаллизуется в виде одного сорта кристаллов.

errorРасщепляющий реагент должен быть энантиомерно чистым

Если взять рацемическое основание, каждый энантиомер кислоты даст по две соли, и всего получится четыре соли — две пары энантиомеров. Энантиомеры по растворимости не различаются, поэтому кристаллизация ничего не разделит. Работает только один энантиомер расщепляющего реагента.

edit_noteПопробуйте сами

Чем можно расщепить рацемический 1-фенилэтиламин?

expand_moreПоказать решение

Энантиомерно чистой кислотой, например (R,R)-винной: получатся две диастереомерные соли.

Хроматография и кинетическое расщепление

Диастереомерные соли из первой части урока — классический, но трудоёмкий способ. Современные методы обходятся без кристаллизации: хиральный партнёр (неподвижная фаза колонки, реагент или фермент) связывает два энантиомера с разной прочностью или превращает их с разной скоростью.

Как ещё разделяют энантиомеры

Хиральная хроматография: неподвижная фаза хиральна; энантиомеры связываются с ней по-разному и выходят в разное время.
Кинетическое расщепление: хиральный реагент или фермент превращает один энантиомер быстрее; остаётся избыток другого.
Ферменты: липазы ацилируют один энантиомер спирта; оксидазы окисляют одну форму аминокислоты.

\[(\pm)\text{-}\ce{ROH} \xrightarrow[\text{липаза}]{\ce{CH3COOCH=CH2}} (R)\text{-}\ce{ROCOCH3} + (S)\text{-}\ce{ROH}\]

Примеры

1. Липаза и рацемический спирт. В присутствии винилацетата фермент ацилирует только (R)-спирт, а (S)-спирт остаётся непрореагировавшим. В смеси теперь два разных вещества — сложный эфир и спирт, и их легко разделить обычной хроматографией.

Кинетическое расщепление: фермент превращает только один энантиомер

2. Оксидаза D-аминокислот. Фермент окисляет только D-форму аминокислоты, а L-форма остаётся нетронутой — так из рацемата получают чистую L-аминокислоту.

\[\text{D,L-аминокислота} \xrightarrow{\text{оксидаза D-аминокислот}} \text{L-аминокислота} + \text{кетокислота}\]

3. Хроматография на хиральной колонке. Энантиомеры по-разному удерживаются хиральной неподвижной фазой и выходят из колонки в разное время; по площадям двух пиков находят \(ee\) (урок 65).

\[ee = \frac{S_1 - S_2}{S_1 + S_2} \cdot 100\,\%\]

errorРезультат кинетического расщепления зависит от степени превращения

Чем дальше зашла реакция, тем выше энантиомерный избыток оставшегося вещества, но тем меньше его остаётся. При идеальной селективности после 50 % превращения непрореагировавший энантиомер чист, а выход его не превышает 50 % от исходного рацемата.

edit_noteПопробуйте сами

Фермент ацилирует только (R)-спирт. Что останется в смеси после полного превращения (R)?

expand_moreПоказать решение

(S)-спирт (не прореагировал) и (R)-сложный эфир — их легко разделить, это разные вещества.

push_pinГлавное

Энантиомеры нельзя разделить обычными методами. Рацемат превращают в пару диастереомеров действием одного энантиомера хирального реагента (кислоты или основания — соли), разделяют их кристаллизацией и возвращают исходные энантиомеры. Другие способы — хиральная хроматография и кинетическое (например, ферментативное) расщепление: один энантиомер реагирует быстрее. Максимальный выход одного энантиомера при расщеплении — 50 %.

Закрепите теорию: 52 задания с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.