Ρακεμοποίηση

Στη χημεία, η ρακεμοποίηση ή ρακεμίωση (racemization) είναι η μετατροπή, με θερμότητα ή με χημική αντίδραση, μιας οπτικά ενεργής ένωσης σε ρακεμική (οπτικά ανενεργή) μορφή. Αυτό δημιουργεί μια μοριακή αναλογία 1:1 εναντιομερών και αναφέρεται ως ρακεμικό μείγμα (δηλαδή περιέχει ίση ποσότητα (+) και (-) μορφών). Οι συν και πλην μορφές ονομάζονται περιστροφή επιπέδου πόλωσης δεξιά και αριστερά, αντίστοιχα. (dextrorotation, levorotation) Τα εναντιομερή D και L υπάρχουν σε ίσες ποσότητες, το προκύπτον δείγμα περιγράφεται ως ρακεμικό μείγμα (racemic mixture ή racemate). Η ρακεμοποίηση μπορεί να προχωρήσει μέσω διαφόρων μηχανισμών και έχει ιδιαίτερη σημασία στη φαρμακολογία, καθώς διαφορετικά εναντιομερή μπορεί να έχουν διαφορετικές φαρμακευτικές επιδράσεις.

 Στερεοχημεία 
Δύο εναντιομερή ενός γενικού αμινοξέος που είναι χειρόμορφο |thumbnail
Τα χειρόμορφα μόρια έχουν δύο μορφές (σε κάθε σημείο ασυμμετρίας), οι οποίες διαφέρουν στα οπτικά τους χαρακτηριστικά: Η αριστερόστροφη μορφή (η (−)-μορφή) θα περιστρέψει αριστερόστροφα το επίπεδο πόλωσης μιας δέσμης φωτός, ενώ η δεξιόστροφη μορφή (η (+)-μορφή) θα περιστρέψει δεξιόστροφα το επίπεδο πόλωσης μιας δέσμης φωτός. Οι δύο μορφές, οι οποίες δεν είναι επικαλυπτόμενες όταν περιστρέφονται σε τρισδιάστατο χώρο, ονομάζονται εναντιομερή. Η σημειογραφία δεν πρέπει να συγχέεται με την ονομασία D και L των μορίων, η οποία αναφέρεται στην ομοιότητα στη δομή με την D-γλυκεριναλδεΰδη και την L-γλυκεριναλδεΰδη. Επίσης, τα (R)- και (S)- αναφέρονται στη χημική δομή του μορίου με βάση τους κανόνες προτεραιότητας ονομασίας Cahn–Ingold–Prelog και όχι στην περιστροφή του φωτός. Ο συμβολισμός R/S είναι ο κύριος συμβολισμός που χρησιμοποιείται για το +/- τώρα, επειδή οι συμβολισμοί D και L χρησιμοποιούνται κυρίως για σάκχαρα και αμινοξέα.

Η ρακεμοποίηση συμβαίνει όταν μια καθαρή μορφή ενός εναντιομερούς μετατρέπεται σε ίση αναλογία και των δύο εναντιομερών, σχηματίζοντας ένα ρακεμικό μείγμα. Όταν υπάρχουν ίσοι αριθμοί δεξιόστροφων και αριστερόστροφων μορίων, η καθαρή οπτική στροφή ενός ρακεμικού μείγματος είναι μηδέν. Τα εναντιομερή θα πρέπει επίσης να διακρίνονται από τα διαστερεομερή, τα οποία είναι ένας τύπος στερεοϊσομερούς που έχουν διαφορετικές μοριακές δομές γύρω από ένα στερεοκέντρο και δεν είναι κατοπτρικές εικόνες.

Η μερική έως πλήρης ρακεμοποίηση της στερεοχημείας σε διαλύματα είναι αποτέλεσμα μηχανισμών SN1. Ωστόσο, όταν συμβαίνει πλήρης αναστροφή της στερεοχημείας σε μια αντίδραση υποκατάστασης, υπεύθυνη είναι μια αντίδραση SN2.

 Φυσικές ιδιότητες 
Στη στερεά κατάσταση, τα ρακεμικά μείγματα μπορεί να έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες από οποιοδήποτε από τα καθαρά εναντιομερή λόγω των διαφορικών διαμοριακών αλληλεπιδράσεων (βλ. ενότητα Βιολογική Σημασία). Η αλλαγή από ένα καθαρό εναντιομερές σε ένα ρακεμικό μείγμα μπορεί να αλλάξει την πυκνότητα, το σημείο τήξης, τη διαλυτότητα, τη θερμότητα σύντηξης, τον δείκτη διάθλασης και τα διάφορα φάσματά του. Η κρυστάλλωση (Crystallization) ενός ρακεμικού μείγματος μπορεί να οδηγήσει σε ξεχωριστές (+) και (-) μορφές ή σε μία μόνο ρακεμική ένωση. Ωστόσο, σε υγρή και αέρια κατάσταση, τα ρακεμικά μείγματα θα συμπεριφέρονται με φυσικές ιδιότητες που είναι ίδιες ή σχεδόν ίδιες με τα καθαρά εναντιομερή τους.

 Βιολογική σημασία 
Γενικά, οι περισσότερες βιοχημικές αντιδράσεις είναι στερεοεκλεκτικές, επομένως μόνο ένα στερεοϊσομερές θα παράγει το επιδιωκόμενο προϊόν, ενώ το άλλο απλώς δεν συμμετέχει, ή μπορεί να προκαλέσει παρενέργειες. Αξίζει να σημειωθεί ότι η μορφή L των αμινοξέων και η μορφή D των σακχάρων (κυρίως γλυκόζη) είναι συνήθως η βιολογικά αντιδραστική μορφή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι πολλά βιολογικά μόρια είναι χειρόμορφα και έτσι οι αντιδράσεις μεταξύ συγκεκριμένων εναντιομερών παράγουν καθαρά στερεοϊσομερή. Αξιοσημείωτο είναι επίσης το γεγονός ότι όλα τα υπολείμματα αμινοξέων υπάρχουν σε μορφή L. Ωστόσο, τα βακτήρια παράγουν υπολείμματα D-αμινοξέων που πολυμερίζονται σε μικρά πολυπεπτίδια, τα οποία μπορούν να βρεθούν στα βακτηριακά κυτταρικά τοιχώματα. Αυτά τα πολυπεπτίδια είναι λιγότερο εύπεπτα από τις πεπτιδάσες και συντίθενται από βακτηριακά ένζυμα αντί για μετάφραση mRNA, η οποία κανονικά θα παρήγαγε L-αμινοξέα.

Η στερεοεπιλεκτική φύση των περισσότερων βιοχημικών αντιδράσεων σήμαινε ότι διαφορετικά εναντιομερή μιας χημικής ουσίας μπορεί να έχουν διαφορετικές ιδιότητες και επιπτώσεις σε ένα άτομο. Πολλά ψυχοτρόπα φάρμακα εμφανίζουν διαφορετική ενεργότητα ή αποτελεσματικότητα μεταξύ των ισομερών, π.χ. η αμφεταμίνη χορηγείται συχνά ως ρακεμικά άλατα, ενώ η πιο δραστική δεξτροαμφεταμίνη προορίζεται για ανθεκτικές περιπτώσεις ή πιο σοβαρές ενδείξεις. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η μεθαδόνη, της οποίας το ένα ισομερές έχει δραστικότητα ως αγωνιστής οπιοειδών και το άλλο ως ανταγωνιστής NMDA.

Η ρακεμοποίηση των φαρμάκων μπορεί να συμβεί εν ζωή. Η θαλιδομίδη ως το (R) εναντιομερές είναι αποτελεσματική κατά της πρωινής ναυτίας (morning sickness), ενώ το (S) εναντιομερές είναι τερατογόνο, προκαλώντας γενετικές ανωμαλίες όταν λαμβάνεται κατά το πρώτο τρίμηνο της εγκυμοσύνης. Εάν χορηγηθεί μόνο ένα εναντιομερές σε έναν άνθρωπο, και οι δύο μορφές μπορεί να βρεθούν αργότερα στον ορό του αίματος. Συνεπώς, το φάρμακο δεν θεωρείται ασφαλές για χρήση από γυναίκες σε αναπαραγωγική ηλικία και, ενώ έχει και άλλες χρήσεις, η χρήση του ελέγχεται αυστηρά. Η θαλιδομίδη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία του πολλαπλού μυελώματος.

Ένα άλλο φάρμακο που χρησιμοποιείται συχνά είναι η ιβουπροφαίνη, η οποία είναι αντιφλεγμονώδης μόνο ως ένα εναντιομερές, ενώ το άλλο είναι βιολογικά αδρανές. Ομοίως, το στερεοϊσομερές (S) είναι πολύ πιο δραστικό από το εναντιομερές (R) στην σιταλοπράμη (Celexa), ένα αντικαταθλιπτικό που αναστέλλει την επαναπρόσληψη σεροτονίνης, είναι δραστικό. Η σταθερότητα της διαμόρφωσης ενός φαρμάκου αποτελεί επομένως πεδίο ενδιαφέροντος στην φαρμακευτική έρευνα. Η παραγωγή και ανάλυση εναντιομερών στη φαρμακευτική βιομηχανία μελετάται στον τομέα της χειρόμορφης οργανικής σύνθεσης.

 Σχηματισμός ρακεμικών μειγμάτων 
Η ρακεμοποίηση μπορεί να επιτευχθεί απλώς με ανάμειξη ίσων ποσοτήτων δύο καθαρών εναντιομερών. Η ρακεμοποίηση μπορεί επίσης να συμβεί με χημική αλληλομετατροπή. Παραδείγματος χάρη, όταν η (R)-3-φαινυλ-2-βουτανόνη διαλύεται σε υδατική αιθανόλη που περιέχει NaOH ή HCl, σχηματίζεται ρακεμικό μείγμα. Η ρακεμοποίηση συμβαίνει μέσω μιας ενδιάμεσης μορφής ενόλης στην οποία το προηγούμενο στερεοκέντρο γίνεται επίπεδο και επομένως αχειρόμορφο. Μια εισερχόμενη ομάδα μπορεί να πλησιάσει και από τις δύο πλευρές του επιπέδου, επομένως υπάρχει ίση πιθανότητα η πρωτονίωση πίσω στην χειρόμορφη κετόνη να παράγει είτε μια μορφή R είτε μια S, με αποτέλεσμα ρακεμικό μείγμα.

Η ρακεμοποίηση μπορεί να συμβεί μέσω ορισμένων από τις ακόλουθες διεργασίες:
 Οι αντιδράσεις υποκατάστασης που προχωρούν μέσω ενός ελεύθερου ενδιάμεσου καρβοκατιόντος, όπως οι μονομοριακές αντιδράσεις υποκατάστασης, οδηγούν σε μη στερεοειδική προσθήκη υποκαταστατών που οδηγεί σε ρακεμοποίηση.
. Αν και οι μονομοριακές αντιδράσεις απόσπασης προχωρούν επίσης μέσω ενός καρβοκατιόντος, δεν έχουν ως αποτέλεσμα ένα χειρόμορφο κέντρο. Αντίθετα, έχουν ως αποτέλεσμα ένα σύνολο γεωμετρικών ισομερών στα οποία παράγονται μορφές trans/cis (E/Z), αντί για ρακεμικά μείγματα.
 Σε μια μονομοριακή αλειφατική ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση αντίδραση, εάν το καρβανιόν είναι επίπεδο ή εάν δεν μπορεί να διατηρήσει μια πυραμιδική δομή, τότε θα πρέπει να συμβεί ρακεμοποίηση, αν και όχι πάντα. 
 Σε μια αντίδραση υποκατάστασης ελεύθερων ριζών, εάν ο σχηματισμός της ελεύθερης ρίζας λαμβάνει χώρα σε έναν χειρόμορφο άνθρακα, τότε παρατηρείται σχεδόν πάντα ρακεμοποίηση.

Ο ρυθμός ρακεμοποίησης (από L μορφές σε ένα μείγμα L μορφών και D μορφών) έχει χρησιμοποιηθεί ως τρόπος χρονολόγησης βιολογικών δειγμάτων σε ιστούς με αργούς ρυθμούς ανανέωσης, σε ιατροδικαστικά δειγμάτων και σε απολιθώματα σε γεωλογικές αποθέσεις. Αυτή η τεχνική είναι γνωστή ως χρονολόγηση αμινοξέων.

 Ανακάλυψη οπτικής ενεργότητας 
Το 1843, ο Λουί Παστέρ ανακάλυψε οπτική ενεργότητα στο παρατρυγικό ή σταφυλικό οξύ που βρίσκεται στο κρασί από σταφύλια. Ήταν σε θέση να διαχωρίσει δύο εναντιομερείς κρυστάλλους που περιστρέφουν το πολωμένο φως σε αντίθετες κατευθύνσεις.

 Αναφορές 

Κατηγορία:Χημικές αντιδράσεις
Κατηγορία:Στερεοχημεία
Κατηγορία:Δομή της πρωτεΐνης
Κατηγορία:Μεταμεταφραστική τροποποίηση