Racemisches Gemisch

In der Chemie bezeichnet man als Racemat ( ausgesprochen / reɪˈsiːmeɪt , rə- , ˈræsɪmeɪt / [ ¹ ] ⁾ ein Gemisch , das gleiche ^Mengen (50:50) der links- und rechtsdrehenden Enantiomere eines chiralen Moleküls oder Salzes enthält . Racemische Gemische sind in der Natur selten, viele Verbindungen werden jedoch industriell als Racemate hergestellt.

Das erste bekannte Racemat war racemische Säure , die Louis Pasteur als Gemisch der beiden enantiomeren Isomere der Weinsäure identifizierte . Er trennte die Kristalle des Gemisches manuell aus einer wässrigen Lösung des Natriumammoniumsalzes der racemischen Weinsäure. Pasteur nutzte die Tatsache, dass Ammoniumtartrat bei 25 °C enantiomere Kristalle mit unterschiedlichen Kristallformen bildet. Ausgehend von der makroskopischen Ebene schloss er auf die molekulare Ebene, dass die Moleküle nicht deckungsgleiche Spiegelbilder besitzen mussten. ^{[ 2 ]} Eine Probe, die nur ein einziges Enantiomer enthält, wird als enantiomerenreine Verbindung bezeichnet . ^{[ 3 ]}

Das Wort racemisch leitet sich vom lateinischen „racemus“ ab , was so viel wie „zu einer Traube gehörig“ bedeutet . ^{[ 4 ]} Racemische Säure , die natürlich in Trauben vorkommt, ist nur die rechtsdrehende Form des Moleküls, besser bekannt als Weinsäure . In vielen germanischen Sprachen wird racemische Säure als „Traubensäure“ bezeichnet, z. B. im Deutschen „ Traubensäure“ und im Schwedischen „druvsyra“ . Carl von Linné gab dem Roten Holunder den wissenschaftlichen Namen Sambucus racemosa , da der schwedische Name „ druvfläder “ „Traubenholunder“ bedeutet und sich auf die traubenartige Anordnung der Beeren bezieht.

Ein Racemat wird durch das Präfix (±)- oder dl- (bei Zuckern kann das Präfix dl- verwendet werden ) gekennzeichnet , was auf ein 1:1-Gemisch von Dextro- und Levo-Isomeren hinweist. Alternativ werden auch das Präfix rac- (oder racem- ) oder die Symbole RS und SR (alle kursiv ) verwendet.

Ist das Verhältnis nicht 1:1 (oder unbekannt), wird stattdessen das Präfix (+)/(−) , d/l - oder d/l- (mit Schrägstrich) verwendet.

Die Verwendung von d und l wird von der IUPAC nicht empfohlen . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Ein Racemat ist optisch inaktiv ( achiral ), d. h., solche Stoffe drehen die Polarisation von linear polarisiertem Licht nicht . Obwohl die beiden Enantiomere linear polarisiertes Licht in entgegengesetzte Richtungen drehen, heben sich die Drehungen gegenseitig auf, da sie in gleichen Mengen als negative (-) gegen den Uhrzeigersinn ( linksdrehend ) und positive (+) im Uhrzeigersinn ( rechtsdrehend ) Enantiomere vorliegen . ^{[ 7 ]}

Im Gegensatz zu den beiden reinen Enantiomeren, die bis auf die Drehrichtung von polarisiertem Licht identische physikalische Eigenschaften aufweisen, kann ein Racemat andere Eigenschaften als die reinen Enantiomere besitzen. Am häufigsten treten unterschiedliche Schmelzpunkte auf, aber auch unterschiedliche Löslichkeiten und Siedepunkte sind möglich.

Arzneimittel können als Racemat oder als reines Enantiomer vorliegen, die unterschiedliche Wirkstärken aufweisen können. Da biologische Systeme viele chirale Asymmetrien besitzen, haben reine Enantiomere häufig sehr unterschiedliche biologische Wirkungen; Beispiele hierfür sind Glucose und Methamphetamin .

Es gibt vier Möglichkeiten, ein Racemate zu kristallisieren; drei davon hatte HWB Roozeboom bereits 1899 unterschieden:

Konglomerat (manchmal racemisches Konglomerat )

Besitzen die Moleküle einer Substanz eine deutlich höhere Affinität zum gleichen Enantiomer als zum jeweils anderen, entsteht ein mechanisches Gemisch enantiomerenreiner Kristalle. Das Gemisch enantiomerenreiner R- und S-Kristalle bildet ein eutektisches Gemisch. Folglich ist der Schmelzpunkt des Konglomerats stets niedriger als der des reinen Enantiomers. Die Zugabe einer geringen Menge eines Enantiomers zum Konglomerat erhöht den Schmelzpunkt. Etwa 10 % der racemischen chiralen Verbindungen kristallisieren als Konglomerate. ^{[ 8 ]}

Racemische Verbindung (manchmal auch echtes Racemat )

Besitzen Moleküle eine höhere Affinität zum jeweils anderen Enantiomer als zum gleichen, bildet die Substanz eine einkristalline Phase, in der die beiden Enantiomere in einem geordneten 1:1-Verhältnis in der Elementarzelle vorliegen. Die Zugabe einer geringen Menge eines Enantiomers zum Racemat senkt dessen Schmelzpunkt. Das reine Enantiomer kann jedoch einen höheren oder niedrigeren Schmelzpunkt als das Racemat aufweisen. Kryptoracemate stellen einen Sonderfall racemischer Verbindungen dar , deren Kristall trotz des Vorhandenseins beider Enantiomere im 1:1-Verhältnis eine Chiralität aufweist (enantiomorph ist). ^{[ 9 ]}

Pseudoracemat (manchmal auch racemische feste Lösung )

Wenn zwischen gleichen und entgegengesetzten Enantiomeren kein großer Unterschied in der Affinität besteht, liegen die beiden Enantiomere – im Gegensatz zum Racemat und dem Konglomerat – ungeordnet im Kristallgitter vor. Die Zugabe einer geringen Menge eines Enantiomers verändert den Schmelzpunkt nur geringfügig oder gar nicht.

Quasiracemate

Ein Quasiracemat ist ein Kokristall aus zwei ähnlichen, aber unterschiedlichen Verbindungen, von denen eine links- und die andere rechtsdrehend ist. Obwohl sie chemisch unterschiedlich sind, sind sie sterisch ähnlich (isoster) und können dennoch eine racemische Kristallphase bilden. Eines der ersten von Pasteur 1853 untersuchten Racemate entsteht aus einem 1:2-Gemisch des Bisammoniumsalzes der (+)- Weinsäure und des Bisammoniumsalzes der (−)- Äpfelsäure in Wasser. Bei einer erneuten Untersuchung im Jahr 2008 ^{[ 10 ]} wurden hantelförmige Kristalle gebildet, deren Kern aus Ammonium(+)-bitartrat besteht, während die äußeren Bereiche ein quasiracemisches Gemisch aus Ammonium(+)-bitartrat und Ammonium(−)-bimalat darstellen.

Die Trennung eines Racemats in seine Komponenten, die einzelnen Enantiomere, wird als chirale Racematspaltung bezeichnet . Für diese Trennung existieren verschiedene Methoden, darunter Kristallisation, Chromatographie und die Verwendung verschiedener Reagenzien.

Ohne chiralen Einfluss (beispielsweise durch einen chiralen Katalysator , ein chirales Lösungsmittel oder Ausgangsmaterial) führt eine chemische Reaktion, die ein chirales Produkt erzeugt, stets zu einem Racemat. Dies kann die Synthese eines Racemats kostengünstiger und einfacher gestalten als die Herstellung des reinen Enantiomers, da keine speziellen Bedingungen erforderlich sind. Diese Tatsache wirft auch die Frage auf, wie sich biologische Homochiralität auf der vermutlich racemischen Urerde entwickeln konnte.

Die Reagenzien und Reaktionen, die zu racemischen Gemischen führen, werden als „nicht stereospezifisch “ oder „nicht stereoselektiv “ bezeichnet, da sie keine Entscheidung bezüglich einer bestimmten Stereoisomerie treffen . Ein häufiges Szenario ist das einer planaren Spezies (wie z. B. eines sp² ^- hybridisierten Kohlenstoffatoms oder eines Carbokation- Zwischenprodukts), die als Elektrophil fungiert. Das Nukleophil hat eine 50%ige Wahrscheinlichkeit, eine der beiden Seiten der planaren Gruppe anzugreifen, wodurch ein racemisches Gemisch entsteht.

Manche Arzneistoffe sind chiral, und ihre Enantiomere haben unterschiedliche Wirkungen auf biologische Systeme. Sie können als einzelnes Enantiomer oder als Racemat verkauft werden. Beispiele hierfür sind Thalidomid , Ibuprofen , Cetirizin und Salbutamol . Ein bekanntes Medikament, dessen Wirkung vom Enantiomerenverhältnis abhängt, ist Amphetamin . Adderall ist ein ungleiches Gemisch beider Amphetamin- Enantiomere. Eine einzelne Adderall-Dosis kombiniert die neutralen Sulfatsalze von Dextroamphetamin und Amphetamin mit dem Dextro-Isomer von Amphetaminsaccharat und D/L-Amphetaminaspartat-Monohydrat. Das ursprüngliche Benzedrin war ein Racemat, und isoliertes Dextroamphetamin wurde später als Dexedrin auf den Markt gebracht. Auch das verschreibungspflichtige Schmerzmittel Tramadol ist ein Racemat.

In einigen Fällen (z. B. bei Ibuprofen und Thalidomid ) kommt es in vivo zur Enantiomerenkonversion oder Racemisierung . Daher ist die Herstellung eines reinen Enantiomers für Medikamente weitgehend sinnlos. Gelegentlich werden jedoch Proben mit reinen Enantiomeren hergestellt und zu einem höheren Preis verkauft, wenn für die Anwendung ein bestimmtes Isomer benötigt wird (z. B. für ein stereospezifisches Reagenz); vgl. Omeprazol und Esomeprazol . Die Umwandlung eines racemischen Wirkstoffs in einen chiralen spezifischen Wirkstoff kann zu einem besseren Sicherheitsprofil oder einem verbesserten therapeutischen Index führen. Dieser Prozess wird als chiraler Switch bezeichnet , und der resultierende enantiomerenreine Wirkstoff wird als chiraler Switch bezeichnet . ^{[ 11 ]} Beispielsweise ist Esomeprazol ein chiraler Switch von (±)-Omeprazol und Levocetirizin ein chiraler Switch von (±)-Cetirizin.

Obwohl häufig nur ein Enantiomer eines Arzneimittels wirksam ist, gibt es Fälle, in denen das andere Enantiomer schädlich ist, wie beispielsweise bei Salbutamol ^{[ 12 ]} und Thalidomid . Das (R)-Enantiomer von Thalidomid ist wirksam gegen Schwangerschaftsübelkeit, während das (S)-Enantiomer teratogen wirkt und Geburtsfehler verursacht. Da das Arzneimittel racemisiert, gilt es nicht als sicher für Frauen im gebärfähigen Alter ^{[ 13 ]} , und seine Anwendung ist bei der Behandlung anderer Erkrankungen streng kontrolliert. ^{[ 14 ]}

Methamphetamin ist unter dem Markennamen Desoxyn® rezeptpflichtig erhältlich . Der Wirkstoff von Desoxyn® ist Dextromethamphetaminhydrochlorid . Dies ist das rechtsdrehende Isomer von Methamphetamin. Das linksdrehende Isomer von Methamphetamin, Levomethamphetamin , ist rezeptfrei erhältlich und wirkt weniger zentral und stärker peripher. Methedrin war im 20. Jahrhundert ein 50:50-Racemat beider Methamphetamin-Isomere (Levo- und Dextromethamphetamin).

Die Wallachsche Regel (erstmals von Otto Wallach vorgeschlagen ) besagt, dass racemische Kristalle tendenziell dichter sind als ihre chiralen Gegenstücke. ^{[ 15 ]} Diese Regel wurde durch die Analyse kristallographischer Datenbanken bestätigt. ^{[ 16 ]}

• Chiraler Schalter
• Chiralität (dasselbe wie optische Isomerie )
• Deskriptor (Chemie)
• Racemische (Protein-)Kristallographie
• Racemisierung
• Skelettformel § Stereochemie , die beschreibt, wie die Stereochemie in Skelettformeln dargestellt wird