Хиральные взрывы

Филипп Хервиг с коллегами предложили новый метод идентификации стереоизомерных органических молекул (Philipp Herwig et al, «Science», 2013, 342, 1084, doi:10.1126/science.1246549). Он основан на самом простом правиле электростатики: одноименные заряды отталкиваются друг от друга. Правда, для этого нужно взорвать исследуемую молекулу.

Одна из фундаментальных проблем органической химии — хиральная чистота веществ. Хиральные пары — это предметы, подобные друг другу, как объект и его отражение в зеркале, но несовместимые в пространстве. Самый наглядный пример хиральности — наши руки: они как будто бы одинаковые, но попробуйте надеть правую перчатку на левую руку, и непреодолимое отличие сразу станет очевидным. Хиральные соединения существуют в виде пар зеркальных стереоизомеров, которые также называют энантиомерами. Зеркальные изомеры могут быть только у таких молекул, в которых имеется атом углерода с четырьмя разными заместителями, — ведь именно отсутствие симметрии придает молекуле свойство хиральности. При пропускании света через один стереоизомер плоскость поляризации светового излучения отклоняется на определенный угол, а если «просвечивать» второй стереоизомер — на тот же угол, но в другую сторону. Мы имеем две вроде бы одинаковые молекулы с близкими физическими и химическими свойствами, но вращающими плоскость поляризации света в противоположных направлениях. Такие изомеры часто называют оптическими (подробнее см. статью И.А.Леенсона в «Химии и жизни» 2009 №5).

Многие биологически активные соединения существуют в виде пары энантиомеров. Поэтому и лекарства, которые мы принимаем, часто содержат только одну форму изомера — вторая в лучшем случае неактивна. Именно в этом суть проблемы. Несмотря на одинаковые углеродные скелеты и очень похожее пространственное строение, свойства стереоизомеров могут различаться, если они взаимодействуют с хиральными молекулами. Эти различия порой имеют трагичные последствия.

Достаточно вспомнить историю с препаратом талидомидом, которая произошла в 60-х годах прошлого века. Препарат рекомендовали как успокоительное беременным женщинам. Но его выпускали в виде рацемата, то есть смеси энантиомеров, один из которых, как оказалось позже, отрицательно влиял на развитие плода. В результате за шесть лет применения талидомида было зафиксировано более десяти тысяч случаев рождения детей с уродствами.

Чтобы избежать подобных последствий, нужен надежный и простой метод определения, какой именно изомер получили химики. Сейчас для твердых веществ широко используют метод дифракции рентгеновских лучей, для жидких — метод колебательного кругового дихроизма. Сложнее со стереоизомерными молекулами в газовой фазе: для них подходящего способа не было.

Немецкие исследователи предложили метод «визуализации кулоновского взрыва». Слово «взрыв» не стоит воспринимать буквально: никакой вспышки и возгорания не происходит. Молекулу вещества разгоняют до больших скоростей, на своем пути она встречает ультратонкую углеродную фольгу, при прохождении через которую лишается электронов, образующих химические связи. Естественно, при этом молекула разваливается на фрагменты, каждый из которых из-за потери электронов приобретает положительный заряд. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, частицы разлетаются в разные стороны с очень большими скоростями — отсюда и название «взрыв». Однако, несмотря на кажущийся хаос, пространственное расположение атомов сохраняется, и его фиксирует специальный детектор. Все это происходит очень быстро — в считанные фемтосекунды (10^-15 с).

Метод опробовали на 2,3-дидейтерооксиране. Детектор зафиксировал молекулярные фрагменты, причем видно, что метод позволяет без ошибок отличать стереоизомеры от их смеси. Затемнение на проекциях однозначно характеризует положение заместителей у хирального атома углерода.

Таким образом, есть основания полагать, что визуализация кулоновского взрыва даст аналитикам новый инструмент для борьбы за хиральную чистоту веществ. Возможно, метод подойдет и для твердых и жидких веществ, если предварительно перевести их в газовую фазу, как это делают в газовой хроматографии.

Проходя сквозь фольгу, молекула теряет электроны, и ее положительно заряженные фрагменты отталкиваются. При этом их пространственное расположение сохраняется, что позволяет установить пространственную конфигурацию молекулы