Đặc điểm chính của Enantiomer
- Trung tâm chirality (Trung tâm bất đối xứng): Enantiomer tồn tại khi một phân tử có ít nhất một trung tâm chirality. Trung tâm này thường là một nguyên tử cacbon (C) liên kết với bốn nhóm thế khác nhau. Nó được ký hiệu bằng dấu sao (). Ví dụ: $CH_3C^H(OH)COOH$ (Axit lactic). Sự hiện diện của trung tâm chiral là điều kiện cần để một phân tử có đồng phân đối ảnh.
- Tính chất vật lý: Hầu hết các tính chất vật lý của enantiomer, như điểm nóng chảy, điểm sôi, mật độ và độ hòa tan, là giống hệt nhau. Điều này khiến việc tách riêng các enantiomer trở nên khó khăn, thường đòi hỏi kỹ thuật sắc ký chiral.
- Tính chất hóa học: Enantiomer phản ứng giống nhau với các chất achiral (không có trung tâm chirality). Tuy nhiên, chúng phản ứng khác nhau với các chất chiral. Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống sinh học, vì nhiều phân tử sinh học, như enzyme và thụ thể, là chiral. Tương tác khác nhau của enantiomer với các phân tử sinh học chiral có thể dẫn đến sự khác biệt đáng kể về hoạt tính sinh học, ví dụ như trong dược lý.
- Hoạt tính quang học: Enantiomer có khả năng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực phẳng. Một enantiomer quay mặt phẳng ánh sáng phân cực phẳng theo chiều kim đồng hồ (dextrorotatory, ký hiệu (+)) và enantiomer kia quay theo chiều ngược kim đồng hồ (levorotatory, ký hiệu (-)). Góc quay của hai enantiomer có cùng độ lớn nhưng ngược chiều. Hỗn hợp racemic (hỗn hợp hai enantiomer với tỉ lệ 1:1) không có hoạt tính quang học.
- Danh pháp: Hệ thống danh pháp R/S được sử dụng để phân biệt enantiomer. Hệ thống này dựa trên thứ tự ưu tiên của bốn nhóm thế gắn với trung tâm chirality. Việc xác định cấu hình R hoặc S cho phép phân biệt rõ ràng giữa hai enantiomer.
Ví dụ về Enantiomer
Axit lactic có hai enantiomer: (+)-axit lactic và (-)-axit lactic. (+)-Axit lactic được tìm thấy trong cơ bắp, trong khi (-)-axit lactic được sản xuất bởi một số vi khuẩn. Sự khác biệt về hoạt tính sinh học của hai enantiomer này minh họa tầm quan trọng của việc hiểu rõ về tính chất của chúng. Ví dụ khác bao gồm hai enantiomer của carvone: (+)-carvone tạo mùi thì là, trong khi (-)-carvone tạo mùi bạc hà.
Ứng dụng của Enantiomer
Sự hiểu biết về enantiomer rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
- Dược phẩm: Hai enantiomer của một loại thuốc có thể có tác dụng sinh học rất khác nhau. Ví dụ, một enantiomer có thể có tác dụng chữa bệnh, trong khi enantiomer kia có thể độc hại. Thalidomide là một ví dụ điển hình về tầm quan trọng của việc xem xét các enantiomer trong dược phẩm.
- Hóa học hữu cơ: Kiểm soát sự hình thành enantiomer là một thách thức quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Các phương pháp tổng hợp bất đối xứng được phát triển để tạo ra một enantiomer mong muốn với độ chọn lọc cao.
- Sinh học: Nhiều phân tử sinh học, như amino acid và đường, là chiral. Sự tương tác đặc hiệu giữa các enantiomer với các hệ thống sinh học đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sống.
Phân loại đồng phân
Enantiomer là một dạng của đồng phân lập thể (stereo isomer), cụ thể hơn là đồng phân cấu hình (configurational isomer). Đồng phân lập thể khác với đồng phân cấu trúc (constitutional isomer) ở chỗ chúng có cùng công thức phân tử và trật tự liên kết của các nguyên tử, nhưng khác nhau về sự sắp xếp không gian của các nguyên tử. Ngoài enantiomer, một dạng đồng phân lập thể khác là diastereomer. Diastereomer là các đồng phân lập thể không phải là hình ảnh phản chiếu trong gương của nhau. Diastereomer có thể có tính chất vật lý và hóa học khác nhau.
Phân tử Chiral và Achiral
Một phân tử được coi là chiral nếu nó có một trung tâm chirality và không thể chồng lên hình ảnh phản chiếu của nó. Nói cách khác, một phân tử chiral không có mặt phẳng đối xứng. Ngược lại, một phân tử achiral có thể chồng lên hình ảnh phản chiếu của nó. Phân tử achiral có thể có mặt phẳng đối xứng. Sự hiện diện hay vắng mặt của trung tâm chiral là yếu tố quyết định tính chiral của một phân tử.
Diastereomer
Như đã đề cập, diastereomer là các đồng phân lập thể không phải là hình ảnh phản chiếu trong gương của nhau. Chúng có thể phát sinh khi một phân tử có nhiều hơn một trung tâm chirality. Ví dụ, một phân tử có hai trung tâm chirality có thể có tối đa bốn đồng phân lập thể: hai cặp enantiomer. Các đồng phân không phải là enantiomer của nhau được gọi là diastereomer. Diastereomer có các tính chất vật lý và hóa học khác nhau, giúp việc tách chúng dễ dàng hơn so với enantiomer.
Hỗn hợp Racemic
Hỗn hợp racemic là hỗn hợp của hai enantiomer với tỉ lệ 1:1. Hỗn hợp racemic không có hoạt tính quang học vì hoạt tính của hai enantiomer triệt tiêu lẫn nhau. Việc tách riêng các enantiomer từ hỗn hợp racemic được gọi là phân giải racemic (resolution). Phân giải racemic là một bước quan trọng trong tổng hợp và sản xuất các hợp chất chiral tinh khiết.
Phương pháp phân giải Racemic
Có một số phương pháp để phân giải racemic, bao gồm:
- Sử dụng chất chiral phụ trợ: Chuyển đổi hỗn hợp racemic thành diastereomer bằng cách phản ứng với một chất chiral. Các diastereomer có thể được tách riêng bằng các phương pháp vật lý như kết tinh phân đoạn. Sau khi tách, chất chiral phụ trợ có thể được loại bỏ để thu được enantiomer tinh khiết.
- Sắc ký chiral: Sử dụng pha tĩnh chiral để tách các enantiomer. Pha tĩnh chiral tương tác khác nhau với hai enantiomer, cho phép chúng được tách ra.
- Enzyme phân giải: Sử dụng enzyme chiral để chuyển hóa chọn lọc một enantiomer. Enzyme xúc tác phản ứng với một enantiomer cụ thể, để lại enantiomer kia không bị ảnh hưởng.