Жизнь замечательных веществ - Аркадий Курамшин

Мята, леденцы «Взлетные», пастилки от кашля, дамские сигареты – все эти предметы объединяет одно замечательное вещество – ментол. Ментол – это тривиальное (исторически сложившееся) название, в соответствии с номенклатурой оно называется 2-изопропил– 5-метилциклогексанол. Несмотря на кажущуюся простоту и распространенность ментола, эта молекула не так уж и проста – в ней содержится три асимметрических (хиральных) атома углерода, и она может образовать 23, то есть восемь оптических изомеров.

Маленькое отступление для тех, кто не знает слов «оптические изомеры», «зеркальные изомеры» и «хиральность».

Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными атомами или атомными группами, то возможно существование двух соединений с одинаковой структурной формулой, но отличающихся пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и являются пространственными изомерами.

Молекулы оптических изомеров несовместимы в пространстве (как левая и правая руки – отсюда ещё один термин для оптически активных соединений «хиральные» – от греческого «хирос» – рука), в них отсутствует плоскость симметрии. Таким образом, оптическими изомерами называются пространственные изомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптические изомеры имеют одинаковые физические (температура плавления, кипения, растворимость в оптически неактивных растворителях) и химические свойства (реакции с оптически неактивными веществами), но различаются отношением к поляризованному свету. Такие изомеры обладают оптической активностью (один из них вращает плоскость поляризованного света влево, а другой – на такой же угол вправо). Различия в химических свойствах наблюдаются только в реакциях с оптически активными реагентами.

Оптическая изомерия проявляется в органических веществах различных классов и играет очень важную роль в химии природных соединений.

«Когда молекулы лекарства смотрятся в зеркало» (When Drug Molecules Look in the Mirror) – это заголовок статьи, опубликованной в июньском номере за 1996 год американского журнала Journal of Chemical Education. На первой странице обложки этого номера был следующий рисунок. На боку добродушно виляющего хвостом пса была изображена структурная формула пеницилламина. Пес смотрел в зеркало, а оттуда на него глядел страшный зверь с оскаленной клыкастой пастью и вставшей дыбом шерстью. На боку зверя была изображена та же самая структурная формула в виде зеркального отображения первой. Почему же фактически одно и то же вещество имеет столь разные обличья?

Дело в том, что часто только один из зеркальных изомеров обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может вызвать нежелательные побочные эффекты или даже быть токсичным. Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, S(—) – тироксин («левотроид») – это природный гормон щитовидной железы. А правовращающий R(+) – тироксин («декстроид») понижает содержание холестерина в крови.

Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например, Darvon и Novrad. Но это, скажем так, ещё хороший вариант – хуже бывает, когда один из зеркальных изомеров проявляет фармакологическую активность, а его отражение является токсином или мутагеном.

Чем же объясняется различное действие энантиомеров? Человек – существо хиральное, то есть асимметричное. Асимметрично и его тело, и молекулы биологически активных веществ, из которых оно состоит. Молекулы хиральных лекарств, взаимодействуя с определенными хиральными центрами организма, например ферментами, могут действовать по-разному в зависимости от того, каким именно энантиомером является лекарство. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору, как ключ к замку, и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке пожать правой рукой левую руку своего гостя.

Из восьми приведенных на картинке оптических изомеров ментола в природных условиях – в растениях мяты – генерируется только один оптический изомер (собственно сам ментол), конфигурация которого по номенклатуре обозначается как (1R,2S,5R), в то время как все остальные семь соединений можно получить в лаборатории (иной раз не желая того – очистка препарата от «ненужных» зеркальных изомеров не всегда проста и иногда является чуть ли не единственным фактором, определяющим стоимость синтетического препарата, которому посчастливилось быть оптически активным). Ментол и семь его «зеркальных двойников» имеют достаточно близкие температуры плавления и кипения, растворимость в простейших органических растворителях, однако различаются запахом. Наши обонятельные рецепторы представляют собой белки, которые образованы хиральными аминокислотными остатками, из-за чего они по-разному взаимодействуют с различными оптическими изомерами, предоставляя мозгу различное сообщение о запахе.

Если запах природного изомера ментола из мяты описывается определениями «свежий, мятный, сладковатый, холодный, освежающий», то другие оптические изомеры хотя и обладают похожим запахом, но при этом содержащим меньше мятных нот, горьким, травянистым или даже фенольным (фенольный запах легче всего себе представить, восстановив в памяти запах свежих железнодорожных шпал).

Хотя большая часть ментола в настоящее время до сих пор получается путём переработки мяты, синтетическая версия также находит своё применение, при этом существуют способы получения исключительно одного из оптических изомеров. Так, японская корпорация «Такасаго» ежегодно синтезирует три тысячи тонн ментола из углеводорода мирцена, а единственный интересующий продукт образуется благодаря хиральному родийсодержащему катализатору, разработанному Риедзи Нойори, лауреату Нобелевской премии по химии за 2001 год, получившему её совместно с Уильямом Ноулзом и Барри Шарплессом с формулировкой «за исследования, используемые в фармацевтической промышленности – создание хиральных катализаторов окислительно-восстановительных реакций».

Основное применение ментола – пищевая промышленность, где он применяется для изготовления жвачки и конфет. Свойства ментола также оказались полезными для изготовления зубных паст и жидкостей для полоскания рта, он входит в состав бальзамов и противоотечных средств, а также препаратов для снятия мышечных болей.