Enantiomer là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Enantiomer là hai phân tử đồng phân quang học (optical isomers) có cấu trúc là ảnh gương bất đối xứng nhưng không thể chồng khít lên nhau. Mỗi enantiomer cùng công thức phân tử và liên kết nhưng khác nhau ở mọi tâm bất đối (chiral center), làm thay đổi hướng lệch của ánh sáng phân cực khi đi qua dung dịch.

Theo IUPAC, enantiomer được định nghĩa là “một trong hai cấu hình không đồng nhất hình ảnh gương của nhau, không thể trùng khít qua phép quay và tịnh tiến” (IUPAC Terminology). Tính chất bất đối quang học (optical activity) là đặc trưng nhận diện quan trọng giữa hai enantiomer.

Một phân tử có \(n\) tâm bất đối lý thuyết tạo ra tối đa \(2^n\) đồng phân quang học, trong đó mỗi cặp ảnh gương gọi là một cặp enantiomer. Ví dụ, 2-butanol với một tâm bất đối (\(n=1\)) có hai enantiomer: (R)-2-butanol và (S)-2-butanol.

Nguyên lý tính chất bất đối

Tính chất bất đối của enantiomer xuất phát từ sự hiện diện của ít nhất một carbon bất đối (chiral carbon) liên kết với bốn nhóm thế khác nhau. Khi nhìn từ một góc, hai enantiomer sẽ cho hình ảnh gương nhưng không thể trùng lên nhau do bất đối xứng không gian.

Thứ tự ưu tiên nhóm thế quanh tâm bất đối được xác định theo quy tắc Cahn–Ingold–Prelog (CIP). Quy trình gồm: xác định bốn nhóm thế khác nhau, sắp xếp theo nguyên tử đầu tiên có khối lượng nguyên tử lớn hơn, sau đó quy ước thứ tự R (Rectus, phải) hoặc S (Sinister, trái) dựa trên hướng tứ diện.

• Ví dụ – 2-butanol:
  1. Xác định nhóm thế: –OH, –CH3, –CH2CH3, –H.
  2. Sắp theo CIP: O > CH2 > CH3 > H.
  3. Quy ước thứ tự: (R) nếu chuyển động thuận chiều kim đồng hồ, (S) nếu ngược chiều.
• Ảnh hưởng của đồng phân: Hai enantiomer có cùng tính chất vật lý như điểm sôi, điểm nóng chảy nhưng tương tác khác nhau với môi trường bất đối xứng (enzyme, receptor).

Bảng minh họa số lượng đồng phân quang học theo số tâm bất đối:

Tính chất hóa học và vật lý

Các enantiomer có tính chất hóa lý gần như giống hệt nhau trong môi trường không phân cực: điểm nóng chảy, điểm sôi, độ tan và quang phổ hồng ngoại (IR) tương tự. Sự khác biệt chỉ thể hiện khi tương tác với môi trường bất đối xứng như các loại enzyme, chất hoạt tính quang học hoặc khung kim loại bất đối.

Trong phản ứng sinh học, enantiomer có thể cho kết quả hoàn toàn khác nhau. Ví dụ, (R)-ibuprofen có hoạt tính chống viêm trung bình, còn (S)-ibuprofen là dạng chính có tác dụng mạnh hơn nhiều so với dạng R trước khi được chuyển hóa thành S trong cơ thể (PubChem Ibuprofen).

• Tương tác enzyme: Enzyme bất đối xứng chỉ nhận dạng và phản ứng với một enantiomer nhất định.
• Phản ứng với chất mang chiral: Phân tích sắc ký quang học (Chiral HPLC) sử dụng giá đỡ bất đối tách riêng hai enantiomer dựa trên tương tác chọn lọc.
• Ứng dụng dược phẩm: Nhiều thuốc chỉ dùng một enantiomer để tối ưu hiệu quả và giảm độc tính (ví dụ thalidomide, thalidomide enantiomers trên PubChem).

Bảng so sánh ví dụ điểm nóng chảy và hoạt tính quang học của cặp enantiomer 2-butanol:

Hoạt tính quang học

Enantiomer có khả năng làm lệch mặt phẳng của ánh sáng phân cực đến một góc α, gọi là hoạt tính quang học. Góc lệch α đo bằng máy polarimeter ở bước sóng D (589 nm) và nhiệt độ chuẩn 20 °C.

Công thức tính quay cực riêng ([α]D):

$[\alpha]_D = \frac{\alpha}{l \times c}$

Trong đó: α là góc quay (°), l là chiều dài ống đo (dm), c là nồng độ dung dịch (g/mL). Giá trị [α]D mang dấu (+) nếu lệch phải và (–) nếu lệch trái.

Ví dụ, (R)-glyceraldehyde ([α]D = +8,7°) và (S)-glyceraldehyde ([α]D = −8,7°) là cặp enantiomer đơn giản nhất, thường dùng làm chuẩn xác định cấu hình R/S (IUPAC).