نماد D و L برای پیکربندی مطلق قندها و اسیدهای آمینه

چه چیزی “D-Glucose” را از “L-Glucose” متمایز می کند؟ یا دی آلانین از ال آلانین؟

و به هر حال این نام‌گذاری D- و L- چیست؟ در ادامه بخوانید:

1. D- و L- یک مخفف سریع برای تعیین انانتیومرها ارائه می دهد

نماد D- و L- خلاصه ای سریع برای تعیین انانتیومرها ارائه می دهد.

برای مثال D-Glucose انانتیومر L-Glucose است. از آنجایی که L-Alanine انانتیومر D-Alanine است.

به شرح زیر اختصاص داده می شود. برای قند کشیده شده در برجستگی فیشر با بیشترین کربن اکسید شده در بالا (مانند آلدهید یا کتون)

اگر OH در مرکز کایرال پایین به سمت راست باشد، به آن D- گفته می شود.
اگر OH در مرکز کایرال پایین به سمت چپ باشد، به آن L- گفته می شود.

این اصطلاح را می توان برای اسیدهای آمینه نیز به کار برد: L- و D- آلانین را در تصویر بالا ببینید.

2. چرا ما با این نامگذاری باستانی زحمت می کشیم؟

ممکن است به طور موجه بپرسید: آیا ما قبلاً سیستمی برای تخصیص پیکربندی مطلق [قوانین Cahn-Ingold-Prelog (یعنی R و S)] نداریم؟ چرا به یک سیستم جدید نیاز داریم؟

سیستم D-L یک سیستم جدید نیست، مردم. این سیستم قدیمی است – قبل از Cahn-Ingold-Prelog است.

سیستم D-L به معنای واقعی کلمه بازمانده‌ای از دوران اسب و کالسکه است و به کار امیل فیشر روی کربوهیدرات‌ها در اواخر دهه 1800 برمی‌گردد – زمانی که شیمی‌دانان آلی راهی برای تعیین پیکربندی مطلق مراکز استریوسنترها نداشتند، که فقط در سال‌های بعد ممکن شد. 1951 (thx, Bijvoet).

پس چرا هنوز استفاده می شود؟ آیا نباید همراه با قوانین اسلاید، کاست های 8 تراک و فلاپی دیسک های 5¼ اینچی به زباله دان تاریخ فرستاده شود؟

خوب، جوامع پر رونقی در بخش‌هایی از مناطق روستایی آمریکا وجود دارد که در آن‌ها کالسکه‌های اسب‌کشی همچنان ادامه دارند – اگر می‌دانید کجا را نگاه کنید. (شاید روزی کمون هایی به وجود بیایند که در آن مردم فقط از فناوری رایانه دهه 1970 و 1980 استفاده کنند؟)

به همین ترتیب، مجموعه‌ای از شیمی آلی وجود دارد که سیستم  D-L هنوز در آن کاربرد پیدا می‌کند، و این به طور خاص در حوزه قندها و اسیدهای آمینه است.

به هر حال، این یک شورش شیمیدانان آمیش علیه شرارت مدرن سیستم CIP نیست. حداقل 3 دلیل خوب، در مورد قندها و اسیدهای آمینه، برای استفاده از L- و D- وجود دارد:

اختصار. نوشتن و گفتن D-گلوکز بسیار سریعتر از (2R,3S,4R,5R)2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal است. سیستم L-/D- اجازه می دهد تا پیکربندی یک مولکول با چندین مرکز کایرال با یک حرف خلاصه شود (البته به علاوه نام رایج آن – با تشکر از Noel برای یادآوری)
اختصار بیشتر اتفاقاً این یک راه سریع برای ارجاع به انانتیومرها است. انانتیومر L-گلوکز D-گلوکز است. انانتیومر ال-تریپتوفان D-تریپتوفان است. و در حالی که می‌توانیم از پیشوندهای (+)- یا (-)- برای افتراق دو انانتیومر گلوکز و سایر قندها استفاده کنیم، علامت چرخش نوری می‌تواند با حلال، دما، غلظت و سایر عوامل متفاوت باشد که آن را کمتر از حد ایده‌آل می‌کند. . به علاوه، L- و D- به طور خاص به پیکربندی مطلق اشاره دارند، در حالی که (همانطور که قبلاً اشاره کردیم) هیچ رابطه ساده ای بین علامت چرخش نوری و پیکربندی وجود ندارد.
معلوم شد که بیشتر قندهای طبیعی D- و بیشتر اسیدهای آمینه طبیعی L- هستند. حجم عظیمی از اطلاعات در آن عبارت فشرده شده است، و هیچ سیستم رقیب (R/S، +/–) وجود ندارد که بتواند L- و D- را با یک کاراکتر جایگزین کند. توجه داشته باشید

تکرار می شود: با قندها و اسیدهای آمینه، L- و D- می توانند نام های مفیدی باشند. برای مولکول های دیگر، می توانید تا حد زیادی آن را فراموش کنید. [(به برخی از روح‌های بیچاره مورفین طبیعی به‌عنوان D- اختصاص داده شد. هر روز نام‌های R و S را به من بدهید.]

بنابراین این سیستم D-/L- چیست، و این اصطلاحات چگونه با ساختار مرتبط هستند؟

با من همراه باشید تا در زمان سفر کنیم…

3. سیستم L- و D- برای اختصاص “پیکربندی مطلق”

امیل فیشر در اواخر دهه 1880 شروع به مطالعه کربوهیدرات کرد. در آن زمان (از طریق Van’t Hoff) شناخته شده بود که کربن چهار وجهی است، و همچنین شناخته شده بود که مولکول‌های حاوی کربن با چهار جایگزین مختلف می‌توانند نور پلاریزه شده صفحه (مثلاً پاستور) را بچرخانند. چیزی که ناشناخته بود، پیکربندی مطلق هر یک از مولکول‌های کایرال بود – چیزی که امروز به‌عنوان پیکربندی‌های «R» و «S» آن‌ها یاد می‌کنیم.

ساده ترین کربوهیدرات [Cn(H2O)n] حاوی مرکز کایرال، گلیسرآلدئید، C3H6O3 است. گلیسرآلدئید دارای سه کربن است. تبدیل آن به یک «تریوز». اکسید شده ترین کربن در گلیسرآلدئید یک آلدئید است که آن را به یک “آلدوز” نیز تبدیل می کند. [این اصطلاحات اغلب با هم ترکیب می‌شوند: «آلدوتریوز» به قند 3 کربنی حاوی یک آلدئید اشاره دارد. ]

در سال 1888، دو انانتیومر گلیسرآلدئید [(+)- و (-)] جدا و مشخص شدند. اما از آنجایی که هیچ ارتباط ساده ای بین پیکربندی یک مرکز کایرال و جهت چرخش نور پلاریزه صفحه وجود ندارد، امیل فیشر هیچ راهی برای بازگرداندن چرخش نوری (+)- و (-)-گلیسرآلدئید به مطلق نداشت. پیکربندی اتم ها در اطراف مرکز کایرال

با استفاده از امروز

در اصطلاح، او راهی برای دانستن اینکه (–)-گلیسرآلدئید (R) است یا (S) نداشت.

فیشر به دلیل نداشتن این اطلاعات کلیدی، حدس زدن را انتخاب کرد.

حدس که درست بود، این بود که (–)-گلیسرآلدئید دارای پیکربندی است که ما اکنون S می‌نامیم، و (+)-گلیسرآلدئید دارای پیکربندی است که اکنون R می‌نامیم.

البته، کان، اینگولد و پریلوگ هنوز متولد نشده بودند، و سیستم CIP تنها پس از کار بیجووت در سال 1951 توسعه یافت. بنابراین فیشر نامگذاری خود را توسعه داد.

او با رسم گلیسرآلدئید در چیزی که بعداً به آن طرح فیشر می‌گویند، پیکربندی سمت چپ را به (–)-گلیسرآلدئید اختصاص داد و آن را L- (مخفف لاتین laevo) نامید. سپس پیکربندی سمت راست را به (+) -گلیسرآلدئید اختصاص داد و آن را D- (برای لاتین dextro ) نامید.

چرا این موضوع اینقدر مهم است؟

تخصیص پیکربندی مطلق برای L- و D- گلیسرآلدئید کمی شبیه تخصیص نصف النهار نخست (طول جغرافیایی 0 درجه) به رصدخانه سلطنتی در گرینویچ، انگلستان بود. درست مانند طول جغرافیایی هر مکان دیگر روی زمین اگر فواصل نسبی آن‌ها مشخص باشد، می‌توان آن را نسبت به آن نقطه تعیین کرد، در صورتی که پیکربندی آن نسبت به L- یا D- گلیسرآلدئید شناخته شده بود، پیکربندی مطلق هر استریوسنترک دیگر را می‌توان تعیین کرد.

این ممکن است واضح ترین تشبیه نباشد. بنابراین بیایید برای مثال دیگری به قندهای 4 کربنی نگاه کنیم.

4. چهار قند کربن آلدهید D و L (آلدوتتروز)

هنگامی که پیکربندی مطلق L- و D- گلیسرآلدئید پیشنهاد شد، پیکربندی مطلق سایر ترکیبات کایرال را می توان با قیاس (و بسیاری از کارهای شیمیایی خرخره) ایجاد کرد.

برای امروز مهم نیست، اما برای مثالی از این نوع استدلال، این [توجه] را ببینید. [وقتی در مورد اثبات فیشر برای ساختار گلوکز بنویسیم، دوباره آن را مرور خواهیم کرد.]

زمانی که مفهوم مراکز کایرال معرفی شد، احتمالاً متوجه شده اید که یک مولکول با n مرکز کایرال دارای 2n استریو ایزومر خواهد بود (تا زمانی که ترکیبات مزو وجود نداشته باشد).

دو آلدوز چهار کربنه ترئوز و اریتروز وجود دارد. هر کدام دو مرکز کایرال دارند. هر کدام به عنوان یک جفت انانتیومر (L- و D-) وجود دارند که در مجموع چهار استریو ایزومر را ارائه می دهند.

اینجا اند. نکته مهمی که در شکل زیر باید به آن توجه کنید این است که خانواده L قندها دارای گروه OH کربن کایرال پایینی در سمت چپ هستند و خانواده D دارای گروه OH کربن کایرال پایین در سمت راست هستند (برجسته شده) .

ببینید که چگونه L-Erythrose و L-Threose بر روی استریوسنتری که در L-گلیسرآلدئید ایجاد شده است (لایت شده)، و D-Erythrose و D-Threose بر روی استریوسنتری که در D-glyceraldehyde ایجاد شده است (لایت شده) ساخته می شوند.

قندها کمی شبیه به سیستم دوتایی ساخته می شوند. شما می توانید فکر کنید که هر مرکز فضایی یک “بیت” است که می تواند یکی از دو مقدار را داشته باشد. پیکربندی L-erythrose و L-threose تنها در یک مرکز فضایی متفاوت است. اگر بخواهیم موقعیت H و OH را برگردانیم، دیگری را بدست می آوریم. این رابطه نامی دارد که ممکن است گاهی آن را ببینید: دو مولکول که فقط در یک مرکز فضایی دارای پیکربندی مخالف هستند، اپیمر نامیده می‌شوند، به‌ویژه زمانی که یکی از اتم‌های متصل به استریوسنت، هیدروژن (H) باشد.

5. پنج کربن آلدهید D- و L- قند (آلدوپنتوز)

یک کوارتت از قندهای پنج کربنه آلدهید (آلدوپنتوزها): ریبوز، آرابینوز، زایلوز و لیکسوز وجود دارد که هر کدام به صورت یک جفت انانتیومر (D- و L-) وجود دارند.

آشناترین نام در این لیست باید ریبوز باشد، که ستون فقرات اسید ریبونوکلئیک (RNA) است.

در سمت چپ در نمودار زیر، ما L-آلدوپنتوزها را داریم که وقتی آلدئید در بالا قرار می‌گیرد، همگی از پیکربندی یکسانی در استریوسنت پایین برخوردارند.

انانتیومرهای آنها، D-آلدوپنتوزها، در سمت راست قرار دارند که همگی از پیکربندی یکسانی در مرکز استریو پایین (برجسته شده) استفاده می کنند.

در این مرحله باید به این نکته اشاره کنیم که اکثریت قریب به اتفاق قندها در شکل‌های حیات مبتنی بر زمین، قندهای D هستند، از جمله D-ریبوز به عنوان ستون فقرات RNA. اینکه چرا و چگونه همه موجودات روی زمین به قندهای D رسیدند یک راز است، زیرا فرض می‌شود که L-قندها نیز به همین خوبی عمل می‌کردند. [این موضوع برای نویسندگان داستان های علمی تخیلی مانند آرتور سی کلارک، و همچنین رمان پیشتازان فضا که تا حدودی استقبال ضعیفی از آن دریافت نکرده بود، مفید بوده است. از @Prof_West، @vancew، @RoseChem2 و @PeONor برای راهنمایی‌ها سپاسگزاریم!]

6. شش کربن آلدهید D و L- قند (آلدوهگزوز)

اگر 4 آلدوپنتوز وجود داشته باشد، هر کدام به عنوان یک جفت انانتیومر D-L-  (در مجموع 8 استریو ایزومر) پس چند آلدوهگزوز وجود دارد؟

8 جفت D-L- (در مجموع 16 استریو ایزومر) وجود دارد. آشناترین آنها گلوکز است، اما احتمالاً مانوز و گالاکتوز را می شناسید. برخی از آنها به ندرت در طبیعت یافت می شوند (دوز، کسی؟).

در اینجا D-aldohexoses هستند. توجه داشته باشید که چگونه همه آنها دارای پیکربندی یکسانی از مرکز کایرال پایینی هستند – همان چیزی که در D-glyceraldehyde دیدیم.

برخلاف قندهای D، قندهای L (در زیر) به ندرت در طبیعت یافت می شوند. جالب توجه است که ال-گلوکز به عنوان یک جایگزین قند مورد بررسی قرار گرفته است. طعم آن نامشخص است

قابل جذب از D-گلوکز طبیعی است، اما هیچ تغذیه ای ایجاد نمی کند زیرا توسط آنزیم های (کایرال) ما تجزیه نمی شود. همانطور که مشخص است تولید برای رقابت با اسپلندا، استویا، آسپارتام و غیره بسیار گران است. al.

باشه کافیه قندهای هفت کربنه (آلدوهپتوز) ساخته شده اند، اما از نظر بیولوژیکی مهم نیستند.

7. اما صبر کنید – چیزهای بیشتری وجود دارد! (آمینو اسید)

اگر آمینو اسیدها را در طرح فیشر رسم کنید که بیشترین گروه اکسید شده در بالا (اسید کربوکسیلیک) باشد، می توانید L- و D- را نیز اختصاص دهید.

از 19 اسید آمینه کایرال که در پروتئین‌ها ترکیب شده‌اند (پروتئین‌زایی اصطلاح مناسب است) همه L- هستند. (گلیسین بی رنگ است، بنابراین D- و L- اعمال نمی شود). برخی از اسیدهای آمینه D به طور طبیعی وجود دارند، اما نادر هستند (بیشتر در باکتری ها، به استثنای سم پلاتیپوس) و توسط mRNA کدگذاری نمی شوند.

جالب توجه است، اگرچه همه 19 اسید آمینه کایرال L- هستند، تنها 18 مورد از 19 اسید آمینه (S) هستند. استثنا چیست؟

(این چیزهای بی اهمیت شیمی آلی خوب است).

سیستئین آدم عجیبی است.

(اگر سلنوسیستئین را هم گفته باشید، امتیاز جایزه را داشته باشید).

8. خلاصه: علامت گذاری D و L برای قندها و اسیدهای آمینه

بنابراین این سیستم D-L- برای تخصیص پیکربندی مطلق است. برای قندها خوب عمل می‌کند، زیرا می‌توانند به‌طور سیستماتیک (مانند سیستم دوتایی) ساخته شوند. همچنین برای اسیدهای آمینه مفید است. نکته کلیدی این است که فقط به استریوسنت پایین نگاه کنید در حالی که در طرح ریزی فیشر ترسیم شده است. درست؟ د. چپ؟ L.

البته، قندها همیشه در برجستگی های فیشر به این اندازه مفید رسم نمی شوند – آنها حلقه هایی را تشکیل می دهند. ما در مورد تعیین D- و L- در قندهای حلقوی در پست آینده خواهیم نوشت.

تنها چیزی که باید بگویم این است که از هر خدایی که برای باور به آن انتخاب کردید تشکر کنید که حدس فیشر درست از آب درآمد. غربال کردن بیش از 70 سال ادبیات شیمیایی با دانستن اینکه پیکربندی اشتباهی به همه قندها و اسیدهای آمینه اختصاص داده شده است، دردسر بزرگی خواهد بود.

با تشکر از توماس استرابل برای کمک در این پست.

یادداشت

نکته 1. «مراکز ماقبل آخر در اکثر قندهای کایرال R است، در حالی که کانون در اکثر اسیدهای آمینه S است» حلقه کاملاً یکسانی ندارد، به خصوص که سیستئین R است.]

توجه داشته باشید. در اینجا یک آزمایش فکری برای تعیین پیکربندی‌های نسبی اریتروز و تریوز وجود دارد. (من می گویم “آزمایش فکری” زیرا نمی خواهم معرف های خاصی را اضافه کنم که می تواند حواس پرت کننده باشد)

اگر کسی با (+)-اریتروز خالص شروع کند و الکل اولیه را با استفاده از روش‌های شناخته شده به آلدئید اکسید کند، ترکیبی به دست می‌آید که فاقد هرگونه چرخش نوری است. همین امر در مورد (–)-اریتروز نیز صادق است که ترکیبی کاملاً یکسان را برمی گرداند. از اینجا می توان استنباط کرد که ساختار ترکیب جدید باید به گونه ای باشد که مولکول دارای یک صفحه آینه داخلی (یعنی مزو) باشد. [اکسید شدن این ترکیب بیشتر به یک اسید دی کربوکسیلیک باعث تولید اسید مزو تارتاریک می شود که ساختار آن شناخته شده بود].

در مقابل، انجام همان عملیات روی (+)-threose منجر به دی آلدئیدی می شود که چرخش نوری را حفظ می کند. ترکیبی با چرخش نوری برابر و مخالف با انجام همان عملیات روی (–)-تروز تشکیل می‌شود. این دو ترکیب انانتیومر هستند. برای اینکه درست باشد، جهت گیری نسبی گروه های هیدروکسیل در ترئوز باید ضد باشد. این ترکیبات را می توان بیشتر اکسید کرد و به ترتیب (–)- و (+)- اسید تارتاریک تولید کرد.

همین استدلال را می توان در جهت مخالف (کاهش) به کار برد. به عنوان مثال، اریتروز (+)- یا (-)- را می توان به تترا-اول اریتریتول که مزو است کاهش داد.

به همین ترتیب، کاهش (+)- و (-) ترئوز منجر به یک جفت انانتیومر از تترا-اول ها، تریتول می شود.

از این حقایق می توانیم جهت گیری نسبی گروه های OH را استنتاج کنیم.

[یک یادداشت جانبی:  در ادبیات قدیمی تر، اصطلاحات erythro-                                  گاهی اوقات  برای توصیف رابطه بین جفت دیاسترومرها با دو مرکز کایرال استفاده می‌شود. امروزه ما تمایل داریم به جای آن از Syn و Anti استفاده کنیم.

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
Über die Bezeichnung von optischen Antipoden durch die Buchstaben d und l
امیل فیشر
بر. 1907، 40 (1)، 102-106
DOI: 10.1002/cber.19070400111
این مقاله معروفی است که در آن پروفسور امیل فیشر (به طور خودسرانه!) به (-)-گلیسرآلدئید L-stereochemistry اختصاص داده است.
سنتز در گروه پورین و قند
امیل فیشر
سخنرانی نوبل، 1902
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1902/fischer/lecture/
سخنرانی نوبل فیشر، جایی که او در مورد کار خود نه تنها در مورد کربوهیدرات ها، بلکه در مورد پورین ها، که ترکیباتی مانند کافئین و تئوبرومین از اعضای آن هستند، صحبت می کند. پروفسور فیشر افزایش نوشابه های انرژی زا (مانند ردبول) را پیش بینی می کند و می گوید: «با کمی تخیل می توان روزی را پیش بینی کرد که دانه های آن دیگر برای تهیه قهوه خوب لازم نباشد: مقدار کمی پودر از یک ماده شیمیایی. کار همراه با آب یک نوشیدنی لذیذ و گوارا را به طرز شگفت انگیزی ارزان ارائه می دهد.
تعیین پیکربندی مطلق ترکیبات فعال نوری با استفاده از اشعه ایکس
BIJVOET، J.، پیردمAN، A. و ون BOMMEL، A.
طبیعت 1951، 168، 271-272
DOI: 1038/168271a0
مقاله معروفی که با استفاده از تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس ثابت کرد که “قرارداد امیل فیشر، که پیکربندی شکل 2 را به اسید دکستروتاتور اختصاص می دهد، به نظر می رسد به واقعیت پاسخ دهد”.
کشف پیکربندی گلوکز توسط امیل فیشر. نگاهی به گذشته نیم صد ساله
سی اس هادسون
مجله آموزش شیمی 1941، 18 (8)، 353
DOI: 10.1021/ed018p353
یک بررسی اولیه که کار پروفسور امیل فیشر در شیمی کربوهیدرات را پوشش می دهد.
اثبات پیکربندی قندها توسط امیل فیشر: ادای احترام به یک صدمین سالگرد
Frieder W. Lichtenthaler
آنژو. شیمی. بین المللی اد. 1992، 31 (12)، 1541-1556
DOI: 10.1002/anie.199215413
یک بررسی بسیار خواندنی از سال 1992 که کار پروفسور فیشر در شیمی کربوهیدرات ها را پوشش می دهد و به طور عمیق به وظایف استریوشیمیایی کربوهیدرات ها می پردازد.