Кристаллохимия и фазовые равновесия в хиральных системах с эквимолярными и неэквимолярными дискретными соединениями (на примере яблочной кислоты, валина и изолейцина)

Актуальность работы. Молекулы многих органических веществ являются хиральными, т. е. могут быть представлены в виде энантиомеров двух и более конфигураций, зеркальные отображения которых не совместимы друг с другом. Известные физико-химические свойства энантиомеров одинаковые, исключение – направление вращения плоскости поляризованного света. Хиральные органические вещества в разных агрегатных и фазовых состояниях повсеместно распространены в био-, гео- и техносферах.
«Хиральность (…) характерна для всей биосферы, от первичных молекул до высших организмов» (Кизель, 1985). Наиболее ярко хиральность проявляется на уровне организации компонентов клетки. Например, многообразие белков основывается на разных комбинациях двадцати основных аминокислот, девятнадцать из которых являются хиральными. В белках, однако, присутствуют только левые (L, или S) энантиомеры аминокислот, а в нуклеозидах (главных компонентах РНК и ДНК) – только правый (D, или R) энантиомер сахара рибозы. Гомохиральность живых систем тесно связывают с возникновением жизни на Земле (Avetisov, 2007; Blackmond, 2010). Фактором возникновения гомохиральности мог являться асимметрический синтез первых биомолекул на хиральной “подложке”, в качестве которой могли выступать, например, хиральные грани кристаллов кварца и других минералов (Hazen, 2004).
В геосфере хиральные органические вещества находятся, как правило, в рассеянном виде и являются участниками геологических процессов, протекающих в осадочных отложениях. Например, аминокислоты валин и изолейцин (объекты нашего исследования), оказываются литифицированными в составе окаменелостей (зубы, кости, раковины моллюсков и др.), что привлекает внимание стратиграфов, палеонтологов, геохронологов, геохимиков. Интерес обусловлен возможностями использования соотношения левых и правых молекул (L/D) аминокислот для (1) определения возраста осадка и для (2) определения усредненной температуры его формирования (Bada et al, 1975; Дроздова, 1977; Robins, 2001; и др.). После отмирания организма белки разрушаются, и молекулы аминокислот попадают в окружающую среду, в которой L- и D-молекулы термодинамически одинаково устойчивы. Происходит преобразование левых молекул в правые и наоборот – осуществляется процесс рацемизации – выравнивания в геологических масштабах времени количеств L- и D-молекул (D/L → 1). Если известны скорость рацемизации и текущее отношение D/L в некотором образце, то можно оценить, например, возраст образца (Robins et al., 2001).
В техносфере хиральные органические вещества весьма востребованы, особенно в фармацевтике, медицине, электронике, пищевой промышленности. Например, девять из десяти наиболее продаваемых медикаментов включают хиральные активные ингредиенты (Kaemmerer, 2012), причем, как правило, в виде одного из энантиомеров, а не в виде эквимолярной (рацемической) смеси энантиомеров (Murakami, 2007). Отсюда становится понятным, почему в хиральных системах особую значимость приобретает проблема очистки (разделения) энантиомеров. Разделение кристаллизационными методами основывается на знании фазовой диаграммы хиральной системы. Способы будут разными в случае эвтектических систем с конгломератом, систем с твердыми растворами, систем с эквимолярными соединениями (рацематами).
Совсем мало изученными являются системы с неэквимолярными дискретными соединениями. Эти соединения могут оказаться нежелательными «сюрпризами» при разделении энантиомеров. В данной работе приводятся результаты изучения фазовых взаимоотношений в таких системах на примере энантиомеров яблочной кислоты (дикарбоновой оксикислоты) и энантиомеров валина и изолейцина (аминокислот).
Цель исследования. Установление закономерностей формирования эквимолярных и неэквимолярных дискретных соединений в системах хиральных органических веществ на основе представлений, полученных при изучении кристаллохимии и фазовых равновесий в модельной системе энантиомеров одного вещества S-яблочная кислота ― R-яблочная кислота и в модельной системе энантиомеров разных веществ L-валин ― L-изолейцин.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ кристаллического строения соединений, формирующихся в модельных системах с учетом наших и литературных данных.
2. Установление пределов твердых растворов в изученных системах с учетом известных и выявленных соединений разных типов (энантиомеры, рацематы, неэквимолярные дискретные соединения).
3. Изучение полиморфных превращений и термических деформаций энантиомеров, рацематов и неэквимолярных дискретных соединений.
4. Определение фазовых взаимоотношений в системе энантиомеров одного соединения (S-яблочная кислота ― R-яблочная кислота) и в системе энантиомеров разных веществ (L-валин ― L-изолейцин).
Научная новизна. Система S-яблочная кислота ― R-яблочная кислота: (1) Впервые установлены неэквимолярные дискретные соединения (т. н. “аномальные рацематы”), способные кристаллизоваться в стабильной S3R (SR3) и метастабильной 3S1R (1S3R) полиморфных модификациях, что является первым обнаруженным примером полиморфизма аномального рацемата. (2) Определена кристаллическая структура неэквимолярного стабильного соединения S3R. (3) Впервые обнаружена еще одна метастабильная модификация рацемата яблочной кислоты – модификация RSIII. (4) Впервые установлены пределы твердых растворов в системе с учетом эквимолярных и неэквимолярных дискретных соединений. (5) Впервые изучены термические деформации кристаллических структур энантиомера S, рацематов модификаций RSI и RSII и неэквимолярного дискретного соединения S3R.
Система L-валин ― L-изолейцин: (1) Впервые установлено соединение V2I, которое является первым обнаруженным примером неэквимолярного дискретного соединения в системе левых энантиомеров разных аминокислот. (2) Определена кристаллическая структура неэквимолярного дискретного соединения V2I. (3) Впервые установлены пределы твердых растворов на основе валина, изолейцина и соединения V2I. (4) Впервые изучены термические деформации кристаллических структур L-валина, L-изолейцина и соединения V2I.
Практическая значимость. Обнаружение новых типов дискретных соединений в хиральной системе энантиомеров одного вещества (на примере системы S-яблочная кислота ― R-яблочная кислота) и в хиральной системе энантиомеров разных веществ (на примере системы L-валин ― L-изолейцин) способствует пониманию закономерностей структурной организации и распространения хиральных органических веществ в природе. Установленные особенности кристаллического строения неэквимолярных дискретных соединений необходимо учитывать при поиске подходов к созданию кристаллических продуктов с заданными свойствами. Данные по фазовым равновесиям в изученных системах рекомендуется использовать для инжиниринга процессов кристаллизации с целью разделения смесей оптических изомеров в хиральных системах. Материалы диссертации могут составить содержание отдельных разделов в курсах по органической минералогии и кристаллохимии.
Объекты исследования. Яблочная кислота C4H6O5: реактивы S- и R-энантиомеров и RS-рацемата (чистота 98 %, фирма-изготовитель “Merck Schuchardt OHG”) использовались для получения образцов энантиомера, рацематов разных модификаций, неэквимолярных дискретных соединений и их разнообразных смесей с разным содержанием компонентов. Валин C5H11NO2 и изолейцин C6H13NO2: реактивы L-валина и L-изолейцина (чистота 99 %, фирма-изготовитель “Alfa Aesar”) использовались для получения образцов валина, изолейцина и их разнообразных смесей с разным содержанием компонентов.
Методы исследования и кристаллизации (количество экспериментов). Методы исследования: порошковая рентгенография (более 100), терморентгенография (более 20), рентгеноструктурный анализ (4), дифференциальная сканирующая калориметрия (11), жидкостная хроматография (около 100), инфракрасная спектроскопия (5), оптическая термомикроскопия (25), сканирующая электронная микроскопия (3), атомно-силовая микроскопия (1), оптическая микроскопия (5). Методы кристаллизации в системе энантиомеров яблочной кислоты: закалка расплава (более 50), твердофазовая реакция при перетирании порошков реактивов (10), изотермическая кристаллизация из растворов воды, этанола, ацетона, ацетонитрила и изопропанола (более 50). Методы кристаллизации в системе энантиомеров валина и изолейцина: изотермическая кристаллизация из водного раствора (20) и кристаллизация из водного раствора при его охлаждении (25).