Asümmeetriline süntees

Asümmeetriline süntees (ka enantioselektiivne süntees) on keemiline reaktsioon või reaktsioonide jada, mille tulemusel genereeritakse uus kiraalsuskese ja stereoisomeersed produktid (enantiomeerid või diastereomeerid) moodustuvad ebavõrdsetes kogustes. Enamik bioloogilisi molekule sisaldab asümmeetria tsentreid (kiraalsuskeskmeid), mistõttu taolised molekulid saavad esineda stereoisomeeridena, nimetatakse ka käelisteks isomeerideks. Need molekulid erinevad üksteisest ruumiliselt (konfiguratsiooni poolest) ega ole ühitatavad. Käeliste isomeeride (enantiomeeride) toime bioloogiliste molekulidega võib olla oluliselt erinev, sest "vasaku käe kinnas paremasse ei istu". Käeliste bioloogilist toimet omavate ühendite (näiteks ravimid) järeletegemine keemiku kolbides on tõsine väljakutse. Vajaliku enantiomeeri süntees lihtsatest mittekäelistest lähteühenditest nõuab spetsiifiliste asümmeetrilise sünteesi metoodikate ja võtete valdamist. Produkti soovitud konfiguratsioon tuleneb kiraalsest mõjurist, milleks on kas kiraalne reagent, kiraalne substraat, kiraalne katalüsaator või kiraalne abiühend. Enantiomeerselt puhaste ainete vajadus farmaatsias, agrokeemias ja kosmeetikas kasvab pidevalt. Puhaste enantiomeeride saamiseks on põhimõtteliselt kolm võimalust. 1) Eraldamine looduslikust materjalist – see võimalus on aga piiratud looduses toodetud struktuuridega ja seotud aeganõudvate komplitseeritud aine lahutamisprotseduuridega. 2) Eraldamine sünteesil saadud ratseemilisest segust – see meetod on seotud tülika ja kalli enantiomeeride lahutamise protsessiga ning lisaks toob kaasa asjatu lähtematerjali kulu seoses mittevajaliku isomeerse produkti tekkega. 3) Kasutatakse asümmeetrilise sünteesi spetsiifilisi meetodeid. Üldjuhul reaktsioon kahe akiraase ühendi vahel annab ratsemaadi, st stereoisomeerid esinevad võrdsetes kogustes. Et saada põhiliselt üks isomeer, peab reaktsioonis osalema mingi kiraalne mõjur, mis suunab ühe või teise isomeeri moodustumisele. Selleks kasutatakse asümmeetrilises sünteesis järgmisi lähenemisviise: kasutatakse kiraalset substraat kasutatakse kiraalset reagenti kasutatakse kiraalset abireagenti kasutatakse kiraalset katalüsaatorit võimalik on isomeeride kineetiline lahutamine reaktsioonis kiraalse reagendi, katalüsaatori või ensüümiga. Kiraalsete katalüsaatoritena kasutatakse põhiliselt kas metall-katalüsaatoreid (milles metalliaatomid on seotud kiraalsete ligandidega) või organokatalüsaatoreid (mis on kiraalsed orgaanilised molekulid). Reaktsiooni stereoselektiivsust hinnatakse leides enantiomeerse liia (enantiomeric excess, ee) või diastereomeerse liia (diastereomeric excess, de) arvulised väärtused R- ja S-konfiguratsiooniga isomeeride sisalduse alusel: ee = 100(R – S)/(R + S) de = 100(R – S)/(R + S) Aine, milles üht enantiomeeri on rohkem kui teist, nimetatakse enantiomeerselt rikastatud (või ka mitteratseemiline). Aine, mis koosneb vaid ühest enantiomeerist (määramise täpsuse piirides), nimetatakse enantiomeerselt puhas. Teaduste Akadeemia Keemia Instituudis sai asümmeetriline süntees alguse 1970. aastate lõpul, mil kuumaks teemaks tõusis prostaglandiinide pool- ja täissüntees Ülo Lille eestvedamisel. Sellest temaatikast arenes välja juba spetsiifiliste asümmeetrilise sünteesi metoodikate arendamine Margus Loppi juhendamisel. 2002. aastal kandus see temaatika TTÜ keemiainstituuti, kus orgaanilise keemia õppetoolis kujunes kõrgetasemeline teadlaste kollektiiv: Margus Lopp, Tõnis Kanger, Anne Paju, Kadri Kriis, Riina Aav jt. Selle grupi poolt on loodud ja välja arendatud uusi efektiivseid ja selektiivseid asümmeetrilise sünteesi meetodeid, mis peavad täitma keemiafirmade ootusi vajalike käeliste ühendite saamiseks. Nii näiteks võimaldab nende poolt leitud uus ketoonide otsese asümmeetrilise oksüdatsiooni reaktsioon sünteesida paljusid hapnikkusisaldavaid ühendeid nagu α-hüdroksüketoonid, laktoonid, laktoonhapped jne. Sellise struktuuriga ained on looduslike bioaktiivsete ühendite hulgas laialt levinud. Nende põhjal tehtud looduslike ühendite struktuurianaloogid (näiteks suhkrute alküül- ja süsinikanaloogid) on osutunud väga olulisteks seoses nende võimaliku kasutusega viiruse- (HIV) ning vähivastastes ravimites. Naturaalsete suhkrute analoogide süntees muutus suhteliselt lihtsaks tänu uuele ketoonide asümmeetrilise oksüdatsiooni meetodile. Mitmed sünteesitud kiraalsed molekulid on kasutatavad ka keeruliste molekulide konstrueerimisel "ehituskividena" (või tervete "ehitusplokkidena"). TTÜ keemiainstituudi organokatalüüsi grupi poolt Tõnis Kangeri juhendamisel on loodud ja arendatud uusi asümmeetrilisi reaktsioone ja selektiivseid katalüsaatoreid. Biokatalüüsi uurimisgrupp (Omar Parve, Ly Villo) kasutab stereoisomeeride kineetiliseks lahutamiseks ensüüme. Seejuures ühe enantiomeeri kiraalsuskese reageerib ensüümiga (lipaasiga) kiiremini kui teine ja nii jääb vähemaktiivne enantiomeer valdavalt reageerimata. Tartu Ülikooli Tehnoloogiainstituudis (Lauri Vares, Piret Villo) on välja töötatud bis-tetrahüdrofuraani ja atsetogeniinide analoogide stereoisomeeride süntees. Margus Lopp. Stereokeemia. Tallinna Tehnikaülikooli Kirjastus, 2014, lk 277. Stereokeemia Kiraalsus Stereoisomeerid