Ρακεμικό μείγμα

Στη χημεία, ένα ρακεμικό μείγμα (racemic mixture ή racemate) είναι ένα μείγμα που έχει ίσες ποσότητες (50:50) αριστερόστροφων και δεξιόστροφων εναντιομερών ενός χειρόμορφου μορίου ή άλατος. Τα ρακεμικά μείγματα είναι σπάνια στη φύση, αλλά πολλές ενώσεις παράγονται βιομηχανικά ως ρακεμικά μείγματα.

Ιστορικό
Το πρώτο γνωστό ρακεμικό μείγμα ήταν το DL-τρυγικό οξύ, το οποίο ο Λουί Παστέρ διαπίστωσε ότι ήταν ένα μείγμα των δύο εναντιομερών ισομερών του τρυγικού οξέος. Διαχώρισε χειροκίνητα τους κρυστάλλους ενός μείγματος, ξεκινώντας από ένα υδατικό διάλυμα του άλατος αμμωνιακού νατρίου του ρακεμικού τρυγικού οξέος. Ο Pasteur επωφελήθηκε από το γεγονός ότι το τρυγικό αμμώνιο δίνει εναντιομερείς κρυστάλλους με διακριτές κρυσταλλικές μορφές (στους 77°F). Συλλογιζόμενος από τη μακροσκοπική κλίμακα έως τη μοριακή, υπολόγισε ότι τα μόρια έπρεπε να έχουν μη επικαλυπτόμενες κατοπτρικές εικόνες.
Ένα δείγμα με μόνο ένα εναντιομερές είναι μια εναντιομερώς καθαρή ή 
εναντιοκαθαρή  ένωση.

Ετυμολογία
Η λέξη ρακεμικός προέρχεται από τη λατινική λέξη , που σημαίνει τσαμπί από σταφύλι. Το σταφυλικό οξύ, όταν παράγεται φυσικά στα σταφύλια, είναι μόνο η δεξιόστροφη εκδοχή του μορίου, πιο γνωστό ως τρυγικό οξύ. Ο Κάρολος Λινναίος έδωσε στο κόκκινο σαμπούκο την επιστημονική ονομασία Sambucus racemosa, καθώς η σουηδική ονομασία, , σημαίνει «σαμπούκος σταφυλιού», που ονομάζεται έτσι επειδή τα μούρα του αναπτύσσονται σε ένα συστάδα που μοιάζει με σταφύλι.

 Ονοματολογία 
Το ρακεμικό μείγμα συμβολίζεται με το πρόθεμα (±)- ή dl- (για τα σάκχαρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί το πρόθεμα -), που υποδηλώνει ένα ίσο (1:1) μείγμα ισομερών δεξιόστροφου και αριστερόστροφου. Χρησιμοποιούνται, επίσης, τα προθέματα rac- (ή racem-) ή τα σύμβολα RS και SR (όλα με πλάγια γράμματα).

Εάν η αναλογία δεν είναι 1:1 (ή δεν είναι γνωστή), χρησιμοποιείται το πρόθεμα (+)/(−), - ή d/l- (με κάθετο)

Η χρήση των d και l αποθαρρύνεται από την IUPAC.Nomenclature of Carbohydrates (Recommendations 1996), 2-Carb-4. – Configurational symbols and prefixes

Ιδιότητες
Ένα ρακεμικό μείγμα είναι οπτικά ανενεργό (αχειρόμορφο), που σημαίνει ότι τέτοια υλικά δεν περιστρέφουν την πόλωση του επιπέδου-πολωμένου φωτός. Αν και τα δύο εναντιομερή περιστρέφουν το επίπεδο-πολωμένο φως σε αντίθετες κατευθύνσεις, οι περιστροφές αλληλοεξουδετερώνονται επειδή υπάρχουν σε ίσες ποσότητες αρνητικών (-) αριστερόστροφων και θετικών (+) δεξιόστροφων εναντιομερών.

Σε αντίθεση με τα δύο καθαρά εναντιομερή, τα οποία έχουν ίδιες φυσικές ιδιότητες εκτός από την κατεύθυνση περιστροφής του επίπεδου πολωμένου φωτός, ένα ρακεμικό μείγμα έχει μερικές φορές διαφορετικές ιδιότητες από οποιοδήποτε από τα καθαρά εναντιομερή. Διαφορετικά σημεία τήξης είναι τα πιο συνηθισμένα, αλλά είναι επίσης δυνατές διαφορετικές διαλυτότητες και σημεία βρασμού.

Τα φαρμακευτικά προϊόντα μπορεί να είναι διαθέσιμα ως ρακεμικό μείγμα ή ως καθαρό εναντιομερές, το οποίο μπορεί να έχει διαφορετική ισχύ. Επειδή τα βιολογικά συστήματα έχουν πολλές χειρόμορφες ασυμμετρίες, τα καθαρά εναντιομερή έχουν συχνά πολύ διαφορετικές βιολογικές επιδράσεις. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν τη γλυκόζη και τη μεθαμφεταμίνη.

Κρυστάλλωση
Υπάρχουν τέσσερις τρόποι κρυστάλλωσης ενός ρακεμικού μείγματος.•Τρεις από τους οποίους είχε διακρίνει μέχρι το 1899 ο H. W. B. Roozeboom:

 Συσσωμάτωμα (μερικές φορές ρακεμικό συσσωμάτωμα) Εάν τα μόρια της ουσίας έχουν πολύ μεγαλύτερη συγγένεια για το ίδιο εναντιομερές από ό,τι για το αντίθετο, θα προκύψει ένα μηχανικό μείγμα εναντιομερικά καθαρών κρυστάλλων. Το μείγμα εναντιομερικά καθαρών κρυστάλλων R και S σχηματίζει ένα ευτηκτικό μείγμα. Συνεπώς, το σημείο τήξης του συσσωματώματος είναι πάντα χαμηλότερο από αυτό του καθαρού εναντιομερούς. Η προσθήκη μιας μικρής ποσότητας ενός εναντιομερούς στο συσσωμάτωμα αυξάνει το σημείο τήξης. Περίπου το 10% των ρακεμικών χειρόμορφων ενώσεων κρυσταλλώνονται ως συσσωματώματα.
 Ρακεμική ένωση (μερικές φορές αληθινό ρακεμικό μείγμα) Εάν τα μόρια έχουν μεγαλύτερη συγγένεια για το αντίθετο εναντιομερές παρά για το ίδιο εναντιομερές, η ουσία σχηματίζει μια ενιαία κρυσταλλική φάση στην οποία τα δύο εναντιομερή υπάρχουν σε μια διατεταγμένη αναλογία 1:1 στο στοιχειώδες στοιχείο. Η προσθήκη μιας μικρής ποσότητας ενός εναντιομερούς στην ρακεμική ένωση μειώνει το σημείο τήξης. Αλλά το καθαρό εναντιομερές μπορεί να έχει υψηλότερο ή χαμηλότερο σημείο τήξης από την ένωση. Μια ειδική περίπτωση ρακεμικών ενώσεων είναι οι κρυπτορακεμικές ενώσεις, στις οποίες ο ίδιος ο κρύσταλλος έχει ιδιότητα χειρικότητας (είναι εναντιόμορφος), παρά το γεγονός ότι περιέχει και τις δύο εναντιομορφές σε αναλογία 1:1.
 Ψευδορακεμικό (μερικές φορές ρακεμικό στερεό διάλυμα) Όταν δεν υπάρχει μεγάλη διαφορά στη συγγένεια μεταξύ των ίδιων και των αντίθετων εναντιομερών, τότε σε αντίθεση με τη ρακεμική ένωση και το συσσωμάτωμα, τα δύο εναντιομερή θα συνυπάρχουν με άτακτο τρόπο στο κρυσταλλικό πλέγμα. Η προσθήκη μικρής ποσότητας ενός εναντιομερούς αλλάζει ελαφρώς ή καθόλου το σημείο τήξης.
 Σχεδόν ρακεμικό Ένα σχεδόν ρακεμικό είναι ένας συν-κρύσταλλος δύο παρόμοιων αλλά διακριτών ενώσεων, η μία εκ των οποίων είναι αριστερόστροφη και η άλλη δεξιόστροφη. Αν και χημικά διαφορετικές, είναι στερεοχημικά παρόμοιες (ισοστερικές) και εξακολουθούν να είναι ικανές να σχηματίσουν μια ρακεμική κρυσταλλική φάση. Ένα από τα πρώτα τέτοια ρακεμικά μείγματα που μελετήθηκαν, από τον Παστέρ το 1853, σχηματίζεται από ένα μείγμα 1:2 του δις αμμωνιακού άλατος του (+)-τρυγικού οξέος και του δις αμμωνιακού άλατος του (−)-μηλικού οξέος σε νερό. Επανεξετάστηκε το 2008, οι σχηματιζόμενοι κρύσταλλοι έχουν σχήμα αλτήρα, με το κεντρικό μέρος να αποτελείται από (+)-διτρυγικό αμμώνιο, ενώ τα εξωτερικά μέρη είναι ένα σχεδόν ρακεμικό μείγμα (+)-διτρυγικού αμμωνίου και (-)-διμηλικού αμμωνίου.

Ανάλυση
Ο διαχωρισμός ενός ρακεμικού μείγματος στα συστατικά του, τα μεμονωμένα εναντιομερή, ονομάζεται χειρόμορφη ανάλυση. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για αυτόν τον διαχωρισμό, όπως η κρυστάλλωση, η χρωματογραφία και η χρήση διαφόρων αντιδραστηρίων.

Σύνθεση
Χωρίς μια επιρροή χειρόμορφης (παραδείγματος χάρη έναν χειρόμορφο καταλύτη, διαλύτη ή αρχική ύλη), μια χημική αντίδραση που παράγει ένα χειρόμορφο προϊόν θα αποδίδει πάντα ένα ρακεμικό μείγμα. Αυτό μπορεί να κάνει τη σύνθεση ενός ρακεμικού μείγματος φθηνότερη και ευκολότερη από την παρασκευή του καθαρού εναντιομερούς, επειδή δεν απαιτεί ειδικές συνθήκες. Αυτό το γεγονός οδηγεί επίσης στο ερώτημα πώς εξελίχθηκε η βιολογική ομοχειρομορφία (homochirality) σε αυτό που θεωρείται ρακεμική αρχέγονη γη.

Τα αντιδραστήρια και οι αντιδράσεις που παράγουν ρακεμικά μείγματα ονομάζονται "μη στερεοειδικά" (not stereospecific) ή "μη στερεοεπιλεκτικά" (not stereoselective), λόγω της αναποφασιστικότητάς τους σε συγκεκριμένη στερεοϊσομέρεια (stereoisomerism). Ένα συχνό σενάριο είναι αυτό ενός επίπεδου είδους (όπως ένα άτομο άνθρακα sp2 ή ένα ενδιάμεσο καρβοκατιόν) που δρουν ως ηλεκτρόφιλα. Το πυρηνόφιλο θα έχει 50% πιθανότητα να "χτυπήσει" οποιαδήποτε από τις δύο πλευρές της επίπεδης ομαδοποίησης, παράγοντας έτσι ένα ρακεμικό μείγμα:

700px|frameless|center

 Ρακεμικά φαρμακευτικά προϊόντα 

Ορισμένα μόρια φαρμάκων είναι χειρόμορφα και τα εναντιομερή έχουν διαφορετικές επιδράσεις σε βιολογικές οντότητες. Μπορούν να πωληθούν ως ένα εναντιομερές ή ως ρακεμικό μείγμα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τη θαλιδομίδη, ιβουπροφαίνη, σετιριζίνη και σαλβουταμόλη. Ένα γνωστό φάρμακο που έχει διαφορετικές επιδράσεις ανάλογα με την αναλογία εναντιομερών είναι η αμφεταμίνη. Μία εφάπαξ δόση Adderall συνδυάζει τα ουδέτερα θειικά άλατα της δεξτροαμφεταμίνης και της αμφεταμίνης, με το δεξιόστροφο ισομερές της σακχαρικής αμφεταμίνης και της μονοένυδρης ασπαρτικής D/L-αμφεταμίνης. Η αρχική βενζεδρίνη ήταν ένα ρακεμικό μείγμα και η απομονωμένη δεξτροαμφεταμίνη κυκλοφόρησε αργότερα στην αγορά ως Δεξεδρίνη. Το συνταγογραφούμενο αναλγητικό τραμαδόλη είναι επίσης ρακεμικό μείγμα.

Σε ορισμένες περιπτώσεις (π.χ., ιβουπροφαίνη και θαλιδομίδη), τα εναντιομερή αλληλομετατρέπονται ή ρακεμοποιούνται εν ζωή. Αυτό σημαίνει ότι η παρασκευή ενός καθαρού εναντιομερούς για φαρμακευτική αγωγή είναι σε μεγάλο βαθμό άσκοπη. Ωστόσο, μερικές φορές δείγματα που περιέχουν καθαρά εναντιομερή μπορούν να παρασκευαστούν και να πωληθούν με υψηλότερο κόστος σε περιπτώσεις όπου η χρήση απαιτεί συγκεκριμένα ένα ισομερές (π.χ., για ένα στερεοειδικό αντιδραστήριο). συγκρίνετε ομεπραζόλη (omeprazole) και εσομεπραζόλη (esomeprazole). Η μετάβαση από ένα ρακεμικό φάρμακο σε ένα χειρόμορφο ειδικό φάρμακο μπορεί να γίνει για καλύτερο κατατομή ασφάλειας ή βελτιωμένο θεραπευτικό δείκτη. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται χειρόμορφη μεταγωγή (chiral switching) και το προκύπτον εναντιοκαθαρό φάρμακο ονομάζεται χειρόμορφη μεταγωγή. Παραδείγματος χάρη, η εσομεπραζόλη είναι ένας χειρόμορφος διακόπτης της (±)-ομεπραζόλης και η λεβοσετιριζίνη είναι ένας χειρόμορφος διακόπτης της (±)-κετιριζίνης.

Ενώ συχνά μόνο ένα εναντιομερές του φαρμάκου μπορεί να είναι δραστικό, υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες το άλλο εναντιομερές είναι επιβλαβές, όπως η σαλβουταμόλη και η θαλιδομίδη. Το (R) εναντιομερές της θαλιδομίδης είναι αποτελεσματικό κατά της πρωινής ναυτίας, ενώ το (S) εναντιομερές είναι τερατογόνο, προκαλώντας γενετικές ανωμαλίες. Δεδομένου ότι το φάρμακο ρακεμοποιείται, δεν μπορεί να θεωρηθεί ασφαλές για χρήση από γυναίκες αναπαραγωγικής ηλικίας, και η χρήση του ελέγχεται αυστηρά όταν χρησιμοποιείται για τη θεραπεία άλλων ασθενειών.

Η μεθαμφεταμίνη διατίθεται με ιατρική συνταγή με την εμπορική ονομασία Desoxyn. Το δραστικό συστατικό της Desoxyn είναι η υδροχλωρική δεξτρομεθαμφεταμίνη. Πρόκειται για το δεξιόχειρο ισομερές της μεθαμφεταμίνης. Το αριστερόχειρο ισομερές της μεθαμφεταμίνης, η λεβομεθαμφεταμίνη, είναι ένα μη συνταγογραφούμενο φάρμακο που δρα λιγότερο κεντρικά και περισσότερο περιφερειακά. Η μεθεδρίνη κατά τον 20ό αιώνα ήταν ένα ρακεμικό μείγμα 50:50 και των δύο ισομερών της μεθαμφεταμίνης (λεβο και δεξτρο).

κανόνας του Wallach 
Ο κανόνας του Wallach (που προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Otto Wallach) δηλώνει ότι οι ρακεμικοί κρύσταλλοι τείνουν να είναι πυκνότεροι από τους χειρόμορφους αντίστοιχους κρυστάλλους. Αυτός ο κανόνας έχει τεκμηριωθεί με ανάλυση κρυσταλλογραφικών βάσεων δεδομένων.

Παραπομπές

Κατηγορία:Στερεοχημεία
κατηγορία:Ρακεμικά μείγματα
Κατηγορία:Χημική ονοματολογία
Κατηγορία:Οργανική χημεία
Κατηγορία:Χημικές αντιδράσεις