racemizzazione

In chimica, la racemizzazione è una conversione, per calore o per reazione chimica, di un composto otticamente attivo in una forma otticamente inattiva la cui metà della sostanza otticamente attiva diventa la sua immagine speculare (enantiomero) indicata come miscele racemiche (ovvero contengono uguale quantità di " + 'e' - 'forme). Se la racemizzazione si traduce in una miscela in cui gli enantiomeri D e L sono presenti in quantità uguali, il campione risultante viene descritto come una miscela racemica o racemata. La racemizzazione può procedere attraverso numerosi meccanismi diversi e ha un significato particolare in farmacologia poiché diversi enantiomeri possono avere effetti farmaceutici diversi.

stereochimica

Le molecole chirali hanno due forme (in ciascun punto di asimmetria), che differiscono nelle loro caratteristiche ottiche: la forma levorotatoria (la (-) - forma ) ruoterà il piano di polarizzazione di un raggio di luce a sinistra, mentre la forma destrorotatoria (la (+) - forma ) ruoterà il piano di polarizzazione di un raggio di luce verso destra. Le due forme, che non sono sovrapponibili quando ruotate nello spazio tridimensionale, si dice che siano enantiomeri . La notazione non deve essere confusa con la denominazione D e L delle molecole che si riferisce alla somiglianza nella struttura con D-gliceraldeide e L-gliceraldeide. Inoltre, ( R ) - (+) e ( S ) - (-) si riferiscono alla struttura chimica della molecola basata sulle regole di priorità di denominazione di Cahn – Ingold – Prelog piuttosto che sulla rotazione della luce.

La racemizzazione si verifica quando una forma pura di un enantiomero viene convertita in uguale proporzione di entrambi gli enantiomeri, formando un racemato. Quando ci sono entrambi uguali numeri di molecole destrorotanti e levorotanti, la rotazione ottica netta di un racemato è zero. Gli enantiomeri dovrebbero anche essere distinti dai diastereomeri che sono un tipo di stereoisomero che ha diverse strutture molecolari attorno a uno stereocentro e non sono immagini speculari.

Proprietà fisiche

Racemate può avere proprietà fisiche diverse da uno dei due enantiomeri puri a causa delle interazioni intermolecolari differenziali (vedere la sezione Significato biologico). Il passaggio da un enantiomero puro a un racemato può cambiare la sua densità, il punto di fusione, la solubilità, il calore di fusione, l'indice di rifrazione e i suoi vari spettri. La cristallizzazione di un racemo può provocare forme separate (+) e (-) o un singolo composto racemico.

Significato biologico

In generale, la maggior parte delle reazioni biochimiche sono stereoselettive, quindi solo uno stereoisomero produrrà il prodotto previsto mentre l'altro semplicemente non partecipa o può causare effetti collaterali. Da notare che la forma L di aminoacidi e la forma D di zuccheri (principalmente glucosio) sono generalmente la forma biologicamente reattiva. Ciò è dovuto al fatto che molte molecole biologiche sono chirali e quindi le reazioni tra specifici enantiomeri producono stereoisomeri puri. Notevole anche il fatto che tutti i residui di amminoacidi esistono in forma di L. Tuttavia, i batteri producono residui di D-aminoacidi che polimerizzano in brevi polipeptidi che possono essere trovati nelle pareti cellulari batteriche. Questi polipeptidi sono meno digeribili dalle peptidasi e sono sintetizzati da enzimi batterici invece della traduzione dell'mRNA che normalmente produrrebbe L-aminoacidi.

La natura stereoselettiva della maggior parte delle reazioni biochimiche significava che diversi enantiomeri di una sostanza chimica possono avere proprietà ed effetti diversi su una persona. Molti farmaci psicotropi mostrano attività o efficacia diverse tra gli isomeri, ad es. L'anfetamina viene spesso dispensata come sali racemici mentre la destrosampetetamina più attiva è riservata a casi refrattari o indicazioni più gravi; un altro esempio è il metadone, di cui un isomero ha attività come agonista degli oppioidi e l'altro come antagonista del NMDA.

La racemizzazione di farmaci può avvenire in vivo . La talidomide come enantiomero ( R ) è efficace contro la nausea mattutina, mentre l'enantiomero ( S ) è teratogena, causando difetti alla nascita se assunta nel primo trimestre di gravidanza. Se viene somministrato un solo enantiomero a un soggetto umano, entrambe le forme possono essere trovate successivamente nel siero del sangue. Pertanto, il farmaco non è considerato sicuro per l'uso da parte di donne in età fertile e, sebbene abbia altri usi, il suo uso è strettamente controllato. La talidomide può essere usata per trattare il mieloma multiplo. Un altro farmaco comunemente usato è l'ibuprofene che è solo antinfiammatorio come un enantiomero mentre l'altro è biologicamente inerte. Allo stesso modo, lo stereoisomero ( S ) è molto più reattivo dell'enantiomero ( R ) nel citalopram (Celexa), un antidepressivo che inibisce il reuptake della serotonina, è attivo. La stabilità configurazionale di un farmaco è quindi un'area di interesse nella ricerca farmaceutica. La produzione e l'analisi degli enantiomeri nell'industria farmaceutica sono studiate nel campo della sintesi organica chirale.

Formazione di miscele racemiche

La racemizzazione può essere ottenuta semplicemente miscelando uguali quantità di due enantiomeri puri. La racemizzazione può verificarsi anche in un'interconversione chimica. Ad esempio, quando ( R ) -3-fenil-2-butanone viene sciolto in etanolo acquoso contenente o HCl, si forma un racemato. La racemizzazione avviene per mezzo di una forma enol intermedia in cui l'ex stereocentro diventa planare e quindi achirale. Un gruppo in arrivo può avvicinarsi da entrambi i lati del piano, quindi c'è un'eguale probabilità che la protonazione al chetone chirale produca una forma R o S , risultando in un racemato.

La racemizzazione può avvenire attraverso alcuni dei seguenti processi:

• Le reazioni di sostituzione che procedono attraverso un intermedio carbocolico libero, come le reazioni di sostituzione unimolecolare, portano all'aggiunta non stereospecifica di sostituenti che si traduce in racemizzazione.
• Sebbene le reazioni di eliminazione unimolecolare procedano anche attraverso un carbocatione, non danno luogo a un centro chirale. Si traducono invece in un insieme di isomeri geometrici in cui vengono prodotte forme trans / cis ( E / Z ), piuttosto che racemates.
• In una reazione elettrofila alifatica unimolecolare, se il carbanione è planare o se non è in grado di mantenere una struttura piramidale, dovrebbe verificarsi una racemizzazione, sebbene non sempre.
• In una reazione di sostituzione dei radicali liberi, se la formazione del radicale libero ha luogo in un carbonio chirale, si osserva quasi sempre una racemizzazione.

Il tasso di racemizzazione (dalle forme L a una miscela di forme L e forme D) è stato usato come un modo per datare campioni biologici nei tessuti con tassi di turnover lenti, campioni forensi e fossili nei depositi geologici. Questa tecnica è nota come datazione degli aminoacidi.

Scoperta dell'attività ottica

Nel 1843, Louis Pasteur scoprì l'attività ottica nell'acido paratartarico o racemico trovato nel vino d'uva. Era in grado di separare due cristalli di enantiomero che ruotavano la luce polarizzata in direzioni opposte.