تفاعلات الجزيئات الكيرالية مع الكواشف الفعالة ضوئياً. التفريق

Reactions of chiral molecules with optical active reagents. Resolution

ناقشنا حتى الآن في هذا الفصل تفاعلات المركبات الكيرالية مع الكواشف غير الفعالة ضوئياً. دعنا ندرس الآن تفاعلاتها مع كواشف فعالة ضوئياً، ثم نتفحص أحد أهم تطبيقاتها وهو تفريق resolution المزيج الراسيمي. وهذا يعني فصل المزيج الراسيمي الى متخايلات.

نحن نعرف أنه عندما نشكل المتفاعلات غير الفعالة ضوئياً مركباً كيرالياً يكون المنتج مزيجاً راسيمياً. ونعرف أن المتخايلات المكونة للمزيج الراسيمي تملك خواصاً فيزيائية متشابهة (ما عدا اتجاه تدوير مستوي الضوء المستقطب)، ولذلك كان من الصعب فصلها بالطرائق العادية كالتقطير التجزيئي والتبلور التجزيئي. ومع ذلك فقد ورد في متن هذا الكتاب إشارات عديدة لتجارب أجريت باستخدام مركبات فعالة ضوئياً مثل (+)- كحول ثانوي البوتيل، و(-)-2- برومو الأوكتان و(-) كلوريد –α- فنيل الإتيل، و(+) –a- فنيل بروبيون الأميد. فكيف أمكن الحصول على مثل هذه المركبات الفعالة ضوئياً؟

يمكن الحصول على بعض المركبات الفعالة ضوئياً من مصادر طبيعية، حيث تنتج بعض العضويات عادة واحد فقط من الزوجين المتخايلين. وهكذا يتكون (-)-2- متيل -1- البوتانول فقط من تخمر النشويات، و(+)- حمض اللبن (اللاكتيك) CH₃CHOHCOOH فقط عند تقلص العضلات، ويستحصل (-) حمض الماليك HOOCCH₂CHOHCOOH فقط من عصير الفواكه، و(-) الكينين فقط من قشور شجرة الكينا. وفي الحقيقة أننا نتعامل مع مواد فعالة ضوئياً الى درجة لا يمكننا استيعابها. فنحن نأكل الخبز الفعال ضوئياً، واللحم الفعال ضوئياً،

ونعيش في بيوت، ونلبس ملابس ونقرأ كتباً مصنوعة من السيللوز الفعال ضوئياً. والبروتينات التي تكون عضلاتنا وأنسجتنا الأخرى، والغلوكوجين في كبدنا والغلوكوز في دمنا، وكذلك الأنزيمات والهرمونات التي تساعدنا على النمو، والتي تنظم العمليات الحيوية في أجسامنا، كل هذه المواد فعالة ضوئياً. وتكون المركبات المتكونة طبيعياً فعالة ضوئياً لأن الأنزيمات التي تعمل على تكوينها (وغالباً المواد الأولية التي تصنع منها) هي نفسها فعالة ضوئياً. أما فيما يتعلق بأصل الأنزيمات الفعالة ضوئياً فليس بإمكاننا فعل أي شيء سوى التخمين. وقد ذكر أن الحموض الأمينية التي تشكل الوحدات البنائية في البروتينات، موجودة في النيازك، ولكن بكميات ضئيلة جداً مما قاد الى وضع الفرضية التالية: "ما يبدو أنه وقع أقدام سماوية، قد يكون بديلاً للبصمة الأرضية". وإن البرهان الذي اعتمده برنامبيروما Cyril Ponnamperuma من جامعة ميريلاند على أن الحموض الأمينية المستخلصة من نيازك ذات منشأ غير أرضي يعود جزئياً الى أن هذه الحموض ليست فعالة ضوئياً، أي أنها ليست مثل الملوثات الأرضية الناتجة عن المصادر الحيوية.

من هذه المركبات الطبيعية المنشأ، يمكن أن تصنع المركبات الأخرى الفعالة ضوئياً. كنا قد رأينا كيف يتحول (-) -2- متيل-1- البوتانول، مثلاً، الى كلوريد أو حمض دون أن يفقد تشكيله ، ويكن لهذه المركبات الفعالة ضوئياً أن تتحول بدورها الى مركبات أخرى كثيرة.

ويمكن الحصول على غالبية المركبات الفعالة ضوئيا من تفريق المزيج الراسيمي، وهذا يعني فصل المزيج الراسيمي الى متخايلاته. ويمكن تحقيق عمليات التفريق هذه عبر استعمال كواشف هي نفسها فعالة ضوئياً، وكواشف كهذه يمكن الحصول عليها عموماً من مصادر طبيعية.

اعتمدت معظم عمليات التفريق التي أجريت على تفاعلات الأسس العضوية مع حموض عضوية وإعطاء أملاح. لنفترض، مثلا أننا حضرنا حمض HA (+) الراسيمي. وتوجد أسس معقدة جداً تعزل من نباتات مختلفة تدعى القلويدات أو أشباه القلويدات Alkaloids (وهذا يعني أنها تشبه القلويات)، نذكر منها الكوكايين والمورفين والتريكنين والكينين. إن معظم القلويدات التي تتشكل في النباتات هي أحد شكلي المتخايلين الممكنين فقط، وبالتالي فإنها فعالة ضوئياً. لندرس أحد هذه الأسس الفعالة ضوئياً، وليكن يساري التدوير –B (-)، نمزج هذا الأساس مع الحمض (+)- HA الراسيمي. يكون الحمض موجوداً على هيئة تشكيلين، أما الأساس فيكون على هيئة تشكيل واحد. ينتج عن عملية المزيج هذه بلورات ملحين مختلفين هما [(-)-BH+ (+)- A-]  و[(-)-BH+(-)-A-].

ما هي العلاقة بين هذين الملحين. إنهما لسيا قابلين للانطباق. وهما ليسا خياليين في المرآة، حيث أن القسمين الأساسيين ليسا خياليين في المرآة. إن الملحين مماكبان فراغيان وهما ليسا متخايلين، ولذلك فهما مماكبان لا متخايلان.

يملك الملحان المتخايلان، طبعاً، خواص فيزيائية مختلفة بما فيها الذوبان في مذيب معين. ولذلك يمكن فصلهما بالتبلور التجزيئي وبعد فصل الملحين يمكن استعادة الحمض الفعال ضوئيا بإضافة حمض معدني قوي يحل محل الحمض العضوي الضعيف. فإذا نفي الملح بعناية بإعادة تبلوره عدة مرات لإزالة جميع آثار مماكبه اللامتخايل، عندها يكون الحمض الناتج عنه نقياً ضوئياً. ومن بين أشباه القلويات الشائعة الاستعمال لهذا الغرض نذكر (-)- البروسين و(-) الكينين و(-) الستريكنين و(+)- السيكونين.

ويجري تفريق الأسس العضوية بعملية معاكسة للعملية التي شرحت قبل قليل، ولذلك باستعمال الحموض الطبيعية المنشأ والفعالة ضوئياً مثل (-) حمض الماليك. أما تفريق الكحولات الذي سنجد أنه ذو أهمية خاصة في الاصطناع، فإنه يطرح مشكلة خاصة. بما أن الكحولات لسيت أساسية أو حمضية، فإنه لا يمكن تفريقها بتكوين مباشر للألماح. وهي ما تزال تفرق بطريقة بارعة شرحناها قبل قليل، وذلك بربطها (بمقبض handle) حمضي يسمح بتشكيل الأملاح، وبعد ذلك يمكن إزاحتها عندما لا تعد هناك حاجة إليها. يمكن كذلك تفريق مركبات أخرى غير الأسس والحموض والكحولات العضوية، ومع أن كيميائيتها الخاصة تختلف عن تشكيل الأملاح الذي شرحناه قبل قليل، فإن مبدأ التفريق يبقى هو نفسه: يحول المزيج الراسيمي الى مزيج من  المماكبات اللامتخايلة باستعمال كاشف فعال ضوئياً، ومن ثم يفصل.