Рацемат

Рацема́т — эквимолярная смесь двух энантиомеров. Рацематы не обладают оптической активностью, а также отличаются по свойствам от индивидуальных энантиомеров.

Изображение в структурной формуле рацемата амфетамина — связь с метильной группой хирального центра дана волнистой линией.

Термин «рацемат» ввёл в 1848 году Луи Пастер, разделивший пинцетом под микроскопом кристаллики лево- и правовращающих изомеров виноградной кислоты по их внешнему виду (от лат. raсеmus — виноград, acidum racemicum — виноградная кислота), природная виноградная кислота является рацематом — смесью этих изомеров.

Рацематы являются продуктами нестереоселективных реакций, ведущих к образованию хирального центра — sp³-гибридизованного атома углерода с четырьмя различными заместителями либо в процессе рацемизации энантиомера, когда sp³-гибридизованный углерод хирального центра обратимо переходит в sp²-гибридизированное состояние, например, при таутомеризации кетона с хиральным центром у карбонильной группы в енольную форму с обратным переходом ахирального енола в рацемат кетона.

Номенклатура

В номенклатуре ИЮПАК для обозначения рацематов используются приставки (±)-, или rac- (либо racem-), или RS либо SR. Использование приставки dl- не рекомендуется.

Типы рацематов

В твёрдой фазе различают три типа рацематов:

• Рацемический конгломерат представляет собой механическую смесь кристаллов двух энантиомеров соотношением 1:1, при этом каждый кристалл состоит из молекул только одного энантиомера.
• Рацемическое соединение (истинный рацемат) состоит из кристаллов, в каждом из которых находятся молекулы обоих энантиомеров и их соотношение равно 1:1. Такое соотношение энантиомеров в рацемических соединениях сохраняется до уровня кристаллической решётки.
• Псевдорацемат является твёрдым раствором двух энантиомерных соединений, то есть представляет собой гомогенную разупорядоченную смесь энантиомеров соотношением 1:1.

В случае органических соединений наиболее распространёнными являются истинные рацематы (~90 %), а в форме конгломератов существует лишь ~10 % рацематов. Третий тип является наиболее редким. Установлено, что частота образования конгломератов в 2—3 раза больше для солей, чем для ковалентных хиральных соединений.

Известны примеры соединений, которые могут образовывать рацематы двух типов, например, 1,1'-бинафтил кристаллизуется в виде истинного рацемата (т. пл. 154 °С), а при нагревании превращается в рацемический конгломерат (т. пл. 159 °С).

Определить тип рацемата можно по виду его двойной фазовой диаграммы: для рацемических конгломератов на диграмме присутствует минимум в точке эквивалентности (А), для истинных рацематов наблюдаются эвтектические точки и максимум, соответствующий соотношению энантиомеров 1:1 (Б). Твёрдые растворы энантиомеров имеют постоянную температуру плавления (В).

Фазовые диаграммы рацематов разных типов

Выделяют также квазирацематы — эквимолярные смеси энантиомерных форм родственных соединений, например, (+)-хлорянтарной и (-)-бромянтарной кислот. Диаграммы плавления квазирацематов имеют такую же форму, как и диаграммы для истинных рацематов, однако половины кривой состояния обычно несимметричны.

Физические свойства

• Оптическая активность. Рацематы не проявляют оптической активности, то есть не вращают плоскость поляризации света. Данное явление объясняется тем, что для энантиомеров оптическое вращение противоположно по знаку, но равно по величине. Поскольку вращение является аддитивной величиной, в случае рацемата из-за компенсации вкладов энантиомеров оно равняется нулю.
• Форма кристаллов. Поскольку энантиомеры образуют энантиоморфные кристаллы, рацемические конгломераты существуют в виде двух типов кристаллов, которые по форме являются зеркальными отражениями друг друга. Именно этот факт позволил Л. Пастеру вручную разделять кристаллы рацемических тартратов.
• Плотность. Согласно правилу Валлаха, сформулированному в 1895 году, кристаллы рацематов имеют более высокую плотность, чем кристаллы индивидуальных энантиомеров. Это связывают как с термодинамическими факторами, так и с кинетикой нуклеации и роста кристаллов рацемического соединения. Данное правило было подтверждено анализом кристаллографической базы данных.
• Температура плавления. Для рацемического конгломерата температура плавления всегда ниже температуры плавления индивидуальных энантиомеров, что видно по его диаграмме состояния. Например, энантиомерно чистый гексагелицен плавится при 265—267 °С, а рацемат — при 231—233 °С.

Если рацемат является истинным, что характерно для большинства органических рацематов, то температура его плавления может быть как выше, так и ниже температуры плавления энантиомеров. Так, в случае диметилтартрата температуры плавления чистого энантиомера и рацемата равны соответственно 43,3 °С и 86,4 °С. Рацемат миндальной кислоты, напротив, плавится при более низкой температуре, чем энантиомерно чистое вещество (118,0 °С и 132,8 °С соответственно). Добавление индивидуального энантиомера к истинному рацемату всегда приводит к понижению температуры плавления, в отличие от того, что наблюдается для конгломератов.

В редких случаях, когда рацематы проявляют свойства твёрдых растворов, они плавятся при той же температуре, что и индивидуальные энантиомеры (для камфоры — ≈178 °С).

• Растворимость. Для большинства хиральных соединений характерны различия в растворимости рацемата и индивидуальных энантиомеров. Растворимость рацемических конгломератов выше растворимости чистых энантиомеров. Эмпирическое правило Мейерхоффера, применимое к недиссоциирующим органическим соединениям, гласит, что растворимость рацемата вдвое больше растворимости энантиомеров. Для истинных рацематов растворимость может быть больше или меньше растворимости энантиомеров.

Получение

Если химическая реакция приводит к образованию нового стереоцентра в молекуле, то в отсутствие стереодифференцирующих факторов (хиральный катализатор или растворитель, облучение циркулярнополяризованным светом и др.) продукт получается в рацемическом виде. Это объясняется тем, что образование каждого из энантиомеров протекает через одинаковые по энергии переходные состояния. Для получения продукта с преобладающим содержанием одного из энантиомеров необходимо пользоваться подходами стереоселективного синтеза.

Разделение

Основная статья: Расщепление рацемата

Разделение рацематов на нерацемические компоненты называют расщеплением рацематов. Методы расщепления могут включать физические процессы или химические реакции. В качестве продуктов расщепления могут образовываться как чистые энантиомеры, так и их смеси в неравном количестве — энантиообогащённые соединения. Среди методов расщепления можно выделить кристаллизацию, разделение через диастереомеры, хиральную хроматографию, кинетическое расщепление и др.

Литература

• Илиел Э., Вайлен С., Дойл М. Основы органической стереохимии = Basic Organic Stereochemistry / Пер. с англ. З. А. Бредихиной, под ред. А. А. Бредихина. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. — 703 с. — ISBN 978-5-94774-370-8.
• Потапов В. М. Стереохимия. — М.: Химия, 1988. — ISBN 5-7245-0376-X.
• Brock C. P., Schweizer W. B., Dunitz J. D. On the validity of Wallach's rule: on the density and stability of racemic crystals compared with their chiral counterparts (англ.) // J. Am. Chem. Soc. — 1991. — Vol. 113, no. 26. — P. 9811–9820. — doi:10.1021/ja00026a015.