Enantiomeeri

Enantiomeerit eli peilikuvaisomeerit ovat isomeerejä, joiden molekyylit ovat toistensa peilikuvia, mutta joilla ei ole muuta rakenteellista eroa. Aine, jolla on enantiomeereja, on "kiraalinen". Jos kemiallinen reaktio tuottaa vain toista enantiomeeria, sitä sanotaan "enantioselektiiviseksi". Seos, missä molempia enantiomeereja on yhtä paljon, on "raseeminen seos". Kiraalisia aineita ovat monet luonnon molekyylit, esimerkiksi sokerit ja aminohapot (glysiiniä lukuun ottamatta), joista luonnossa esiintyy yleensä vain toista enantiomeeria, joten erityisesti lääkeainekemiassa enantioselektiivinen synteesi on tärkeää.
Enantiomerian löytäminen.
Louis Pasteur, joka oli opiskellut kristallografiaa aiemmin, perehtyi tutkimaan 1847 Pariisin École normale supérieuressa aiemmin tutkittuja viinihapon natriumammoniumtartraattisuoloja. Viinihapon suolojen optisen aktivisuuden oli aiemmin jo 1832 todennut Jean-Baptiste Biot. Pasteur havaitsi natriumammoniumtartraattisuolanäytteen sisältävän kahta eri kiderakennetta, jotka olivat peilikuvia toisistaan. Pasteur kykeni luuppia ja pinsettiä kärsivällisesti käyttäen poimimaan kiderakenteet erilleen toisistaan omiin näyteastioihinsa. Pasteur havaitsi toisella kidenäytteellä olevan oikeakätinen kiderakenne ja toisella vasenkätinen kiderakenne kuten on laita oikean käden ja vasemman käden sormikkaissa. Vaikka alkuperäinen tartraattisuola ei ollut optisesti aktiivinen, näyteastioiden puhtaat kidenäytteet olivat vesiliuoksessaan optisesti aktiivisia. Lisäksi kidenäytteeseen suunnatun monokromaattisen tasopolaroidun valon ominaiskierto (spesifinen rotaatio) oli molemmilla kidenäytteillä yhtä suuri, mutta vastakkaismerkkinen. Pasteur päätteli tämän ominaisuuden johtuvan molekyylistä, koska havaittu ero oli todettu samassa liuottimessa. Nämä molekyylit ovat siis toistensa peilikuvia kiderakenteeltaan, ja ne ovat eri enantiomeerejä. Nämä peilikuvaisomeerit eroavat toisistaan vain tasopolaroidun valon kierron suhteen.
Enantiomeerien nimeäminen ja ominaisuudet.
Kun tetraedriseen hiiliatomiin on kiinnittynyt neljä erilaista substituenttia (A, B, C ja D), ne voidaan sijoittaa hiiliatomiin kahdella eri tavalla, jolloin molekyylillä on kaksi eri isomeeria. Rakenteeltaan nämä isomeerit eroavat toisistaan vain siinä, että atomien keskinäinen avaruudellinen sijoittuminen on niissä erilainen. Enantiomeereissa isomeerit ovat toistensa peilikuvia mutta eivät yhteneviä peilikuvansa kanssa, siten ne eivät ole päällekkäin asetettuna samanlaisia. Samoin suhtautuvat toisiinsa kaikki epäsymmetriset kappaleet, esimerkiksi vasen ja oikea käsi. Enantiomeerejä voidaan kutsua oikea- tai vasenkätisiksi – kemiassa "S"- ja "R"-enantiomeereiksi (latinan sanoista "sinister", ’vasen’ ja "rectus", ’oikea’). Nimitykset perustuvat Cahn–Ingold–Prelog-prioriteettisääntöihin. R- ja S-konfiguraatiosta ei voi päätellä, kääntääkö yhdiste tasopolarisoitua valoa vasemmalle vai oikealle. Enantiomeerien aiheuttamaa tasopolarisoidun valon värähtelysuunnan muutosta voidaan mitata polarimetrillä. Jos yhdiste kiertää tasopolarisoidun valon värähtelysuuntaa myötäpäivään, on kyseessä (+)-enantiomeeri, ja jos värähtelysuunta kiertyy vastapäivään, on kyseessä (−)-enantiomeeri.
Yhdisteet, jotka eivät ole identtisiä peilikuvansa kanssa ja joilla on kaksi enantiomeeria, ovat kiraalisia. Jos yhdisteellä on symmetriataso, se ei ole kiraalinen. Epäsymmetrisillä molekyyleillä ei ole symmetriatasoa. Yhdisteille, joilla esiintyy peilikuvaisomeriaa, on tyypillistä molekyylin epäsymmetrisyys eli kiraalisuus. Esimerkiksi propaanihappo ei ole kiraalinen, koska se sisältää symmetriatason. Vastaavasti maitohappo on kiraalinen, koska se ei sisällä symmetriatasoa.
Jos aineet eroavat vain atomiryhmien keskinäisen avaruudellisen sijainnin mukaan mutta eivät ole toistensa peilikuvia, niitä ei sanota enantiomeereiksi vaan yleisesti diastereomeereiksi. Muiden diastereomeerien kuin enantiomeerien kemialliset ominaisuudet saattavat erota selvästi. Jos reaktio tuottaa vain toista diastereomeeria, sitä kutsutaan "stereoselektiiviseksi", mitä termiä käytetään yleensä myös "enantioselektiivisen" sijasta.
Enantiomeerien kemialliset ominaisuudet ovat samat lukuun ottamatta kiraalisuutta ja ne voidaan erottaa toisistaan ainoastaan toisten kiraalisten aineiden avulla. Kromatografiaan voidaan käyttää luonnonsokeria (eli vain yhtä enantiomeeria) sisältävää putkea, jossa eri enantiomeerit liikkuvat eri nopeudella. Enantiomeerien fysikaaliset ominaisuudet ovat muutoin samat, mutta puhdas enantiomeeri saa valonsäteen polarisaation kiertymään muutamalla asteella eli se on optisesti aktiivinen, mikä voidaan havaita esimerkiksi sokeriliuoksesta. Eri enantiomeerit kiertävät valon polarisaatiotasoa vastakkaisiin suuntiin.
Enantiomeerit voidaan erottaa toisistaan myös resoluution avulla. Yleensä tämä perustuu siihen, että jo puhdas yhtä enantiomeeriä sisältävä kiraalinen yhdiste muodostaa suolan raseemisen seoksen kanssa. Tällöin raseemisesta seoksesta enantiomeerit muodostavat diastereomeeriset suolat. Näillä suoloilla on erilaisia ominaisuuksia, esimerkiksi erilaiset liukoisuudet. Näin sopivaa liuotinta käyttämällä voidaan kiteyttää toinen diastereomeereista toisen jäädessä liuokseen. Toivottu enantiomeeri voidaan vapauttaa suolastaan käyttämällä sopivaa kemikaalia.
Enantiomeerit luonnossa ja lääkeaineissa.
Elävissä olennoissa olevat kiraaliset aineet ovat järjestään puhtaasti vain toista enantiomeeria. Esimerkiksi aminohapot ovat niin sanottua vasenkätistä muotoa. Tämän vuoksi esimerkiksi ihmisen makuaisti on enantioselektiivinen: saman aineen, karvonin, toinen enantiomeeri on piparmintun makuaine, toinen taas tillin. Saman aineen vaikutus elävään olentoon on usein aivan toinen riippuen enantiomeerista. Lääkeaineissa on usein niin, että vain toinen enantiomeeri vaikuttaa, toinen taas korkeintaan aiheuttaa epämiellyttäviä sivuvaikutuksia, mistä tunnetuin esimerkki on talidomidi.