Optische isomerie

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Op isomer.png
Chiraliteit en symmetrie

Optische isomerie of enantiomerie is een vorm van stereo-isomerie waarbij de 2 enantiomere moleculen van een verbinding elkaars spiegelbeeld zijn. Of anders geformuleerd: wanneer het molecuul voor een spiegel gehouden wordt, kan het zo gedraaid worden, dat molecuul en spiegelbeeld identiek zijn. Zijn de moleculen niet elkaars spiegelbeeld, dan wordt gesproken van diastereomeren.

In koolstofverbindingen treedt stereo-isomerie op zodra een molecuul een chiraal centrum (vaak een asymmetrisch koolstofatoom, soms een ander atoom, soms de structuur van het molecuul) bevat: een koolstofatoom dat vier van elkaar verschillende groepen verbindt. Het plaatje toont een dergelijk molecuul en zijn spiegelbeeld.

Geschiedenis[bewerken]

Wijnsteenzuur is een van de eerste verbindingen waarbij deze soort stereo-isomerie ontdekt werd, (Louis Pasteur, 1848) omdat de stereo-isomeren van het zout natrium-ammoniumtartraat (zout van wijnsteenzuur) afzonderlijk uitkristalliseren in kristallen die elkaars spiegelbeeld zijn. Dit soort verbindingen heten conglomeraten, en die zijn handmatig met een microscoop en een pincet van elkaar te scheiden.

In 1870 publiceerde Jacobus van 't Hoff zijn model van het tetraëdisch koolstofatoom, waarmee deze bevinding een theoretische basis kreeg.

De Nederlandse kristallograaf Johannes Bijvoet ontdekte in de zestiger jaren van de twintigste eeuw dat spiegelbeeldige moleculen onder sommige omstandigheden met kristallografische methoden uit elkaar kunnen worden gehouden. Hij heeft daarbij veel onderzoek gedaan aan de stereo-isomeren van wijnsteenzuur. De verschillen in de metingen die hij ontdekte worden nu Bijvoet-verschillen genoemd. Kristallografische technieken zijn nog steeds de enige mogelijkheid om de zogenaamde absolute configuratie van stereo-isomeren vast te leggen.

Terminologie[bewerken]

Per asymmetrisch koolstofatoom wordt het aantal stereo-isomeren van een verbinding gewoonlijk verdubbeld. Twee aan twee zijn deze verbindingen elkaars spiegelbeeld; deze paren noemt men enantiomeren. Als in een verbinding met meerdere asymmetrische koolstofatomen niet alle configuraties worden omgekeerd, wordt een zogenaamde epimeer van de verbinding gevormd. Epimeren zijn niet volledig, en dus eigenlijk helemaal niet, elkaars spiegelbeeld.

Een mengsel van gelijke hoeveelheden van twee verbindingen die elkaars spiegelbeeld zijn (enantiomeren), wordt een racemisch mengsel of racemaat genoemd. Stereo-isomeren van sommige verbindingen kunnen ook bij kamertemperatuur vanzelf in elkaar overgaan. Dit wordt racemiseren genoemd.

Een stof met meerdere asymmetrische koolstofatomen, kan een stereo-isomeer hebben, dat gelijk is aan zijn spiegelbeeld. Dat heet een mesovorm, een verbinding die gelijk is aan zijn eigen spiegelbeeld en waarbij twee asymmetrische koolstofatomen chemisch identiek zijn geworden. Wijnsteenzuur is een voorbeeld van een dergelijke verbinding. Wijnsteenzuur heeft twee asymmetrische koolstofatomen. Wanneer die beide de tegengestelde configuratie hebben spreekt men van meso-wijnsteenzuur. Wijnsteenzuur heeft dus in totaal drie in plaats van vier stereo-isomeren.

Eigenschappen[bewerken]

Effect op gepolariseerd licht[bewerken]

Een opvallende eigenschap van optische isomeren, is het verschijnsel dat de polarisatierichting van gepolariseerd licht verdraaid wordt. Het ene enantiomeer draait de polarisatierichting rechtsom, de andere linksom. Dat verklaart ook de term optische isomerie.

Een oplossing die de polarisatierichting van een straal doorvallend gepolariseerd licht verandert, heet optisch actief; de oplossing (en de erin opgeloste stof) kan rechtsdraaiend of linksdraaiend zijn. Een racemisch mengsel vertoont geen optische activiteit, omdat de polarisatierichting evenveel naar links als naar rechts wordt gedraaid.

Fysisch-chemisch[bewerken]

De eenvoudige fysisch-chemische eigenschappen als smeltpunt, oplosbaarheid, en dergelijke van stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn, zijn gelijk. Ook bij eenvoudige chemische reacties zijn de enantiomeren niet van elkaar te scheiden. Het is dan ook niet mogelijk een racemisch mengsel op deze wijze te scheiden.

Anders is dat als een enantiomeer reageert met een andere asymmetrische verbinding.

Biochemisch[bewerken]

Stereoisomeren reageren op verschillende manieren met andere chemische stoffen die zelf asymmetrisch zijn: vrijwel alle enzymen in het menselijk lichaam werken verschillend op verschillende stereoisomeren van eenvoudige organische moleculen en bij de meeste natuurlijke biologische stoffen is er maar één stereo-isomeer van verschillende mogelijke aanwezig.

Ook bij geneesmiddelen is het in het algemeen zo dat van een farmacon met stereoisomeren slechts één vorm het farmacologisch gewenste effect veroorzaakt. Andere, niet werkzame vormen kunnen echter wel bijwerkingen veroorzaken. Bijvoorbeeld geldt dat bij het beruchte geval van thalidomide dat onder de handelsnaam Softenon werd verkocht. Het ene isomeer (dextro-thalidomide) zou onschadelijk zijn, terwijl het andere (laevo-thalidomide) mogelijk de oorzaak was van zeer ernstige geboorteafwijkingen. Vanwege deze verschillende werkingen van stereo-isomeren gaat de voorkeur tegenwoordig uit naar productie van slechts een van de stereo-isomeren. Indien een racemisch mengsel wordt gebruikt, dient men voor beide stoffen afzonderlijk goedkeuring aan te vragen van de gezondheidsinstanties.

Alle eiwitten in het menselijk lichaam zijn uitsluitend opgebouwd uit de L-vormen van de optisch actieve aminozuren. De uitzondering is glycine, dat geen stereo-isomeren heeft, doordat de R-groep van glycine enkel een waterstofatoom is. Het antibioticum penicilline werkt alleen op peptidebindingen van D-alanine, dat voorkomt in de celwand van bacteriën - maar niet in mensen. Het antibioticum doodt bacteriën, maar is onschadelijk voor mensen,

Nomenclatuur[bewerken]

De benaming van enantiomeren kan gebaseerd zijn op het effect op gepolariseerd licht (de 'draairichting'), of op de structuur. Helaas is er geen correspondentie tussen de drie systemen die hieronder individueel worden besproken, alle combinaties zijn mogelijk.

+ en -
d en l (kleine letters)
De aanduiding + betekent dat de stof een rechtsdraaiende invloed op gepolariseerd licht heeft. De aanduiding - betekent dat de stof een linksdraaiende invloed heeft.
D en L
D en L zijn de afkortingen van Dextro (rechts) en Laevo (links). D betekent dat de structuur rondom het asymmetrische atoom overeenkomt met rechtsdraaiend glyceraldehyde. L betekent het omgekeerde. Deze aanduidingen zijn bij suikers en aminozuren zeer gebruikelijk.
R en S
De aanduidingen R- en S- zijn gebaseerd op de prioriteitsregels van Cahn, Ingold en Prelog. De letters zijn afkortingen van de Latijnse woorden Rectus (rechts) en Sinister (links).
Om vast te stellen of een enantiomeer R- of S- is, wordt aan elke groep die aan het asymmetrisch atoom verbonden is een prioriteit toegekend. Deze prioriteit is gebaseerd op het atoomnummer (eigenlijk atoommassa, maar dat verschil is alleen bij gelabelde verbindingen belangrijk) van de atomen die aan het asymmetrisch atoom verbonden zijn. Als er meerdere gelijke atomen zijn, worden de atomen verderop in de functionele groep bepalend.
Vervolgens wordt in gedachten de groep met de laagste prioriteit naar achteren gedraaid, en een rondje gemaakt langs de overige groepen van hoge naar lage prioriteit. Als dit rondje rechtsom gaat, is de stof R, anders is de stof S.

Specifieke rotatie[bewerken]

Om experimenteel bepaalde rotatiehoeken met elkaar te kunnen vergelijken is het nodig om een norm in te voeren waarbij alle randvoorwaarden constant worden gehouden; een normalisatiecriterium. Deze specifieke rotatiehoek noemt men de specifieke rotatie en voldoet aan de volgende randvoorwaarden:

Men noteert deze hoek dan als [\alpha]_D^{20}.

Absolute structuur en polarisatierichting[bewerken]

Het is niet of nauwelijks mogelijk om de polarisatierichting van een enantiomeer te voorspellen aan de hand van de absolute ruimtelijke structuur. Stel dat men een nieuwe optisch actieve verbinding synthetiseert, dan kan men vaststellen of deze rechtdraaiend (+) of linksdraaiend (-) is, door te meten met gepolariseerd licht. Daarmee weet men nog niet of het enantiomeer R of S is.

Wel kan men aan de hand van het reactiemechanisme eventueel conclusies trekken van de vorm "Als stof X een R-structuur heeft, dan heeft stof Y ook een R-structuur.

Een analytische techniek die al sinds de jaren zeventig regelmatig wordt gebruikt om de absolute structuur van een stof te kunnen bepalen is de röntgendiffractie. Voor relatief eenvoudige en starre moleculen kan ook CD-spectroscopie uitsluitsel geven over de absolute structuur.

Zie ook[bewerken]