Cząsteczki posiadające tę samą budowę chemiczną mogą różnić się budową przestrzenną, tj. istnieją w postaci izomerów przestrzennych - stereoizomery.
Struktura przestrzenna cząsteczek to względne rozmieszczenie atomów i grup atomowych w przestrzeni trójwymiarowej.
Stereoizomery- związki, w których cząsteczkach występuje taka sama sekwencja wiązań chemicznych atomów, ale inny układ tych atomów względem siebie w przestrzeni.
Z kolei stereoizomery mogą być konfiguracja I izomery konformacyjne, tj. różnią się odpowiednio konfiguracją i konformacją .
Konfiguracja- jest to porządek ułożenia atomów w przestrzeni bez uwzględnienia różnic wynikających z rotacji wokół wiązań pojedynczych.
Izomery konfiguracyjne mogą przechodzić w siebie, rozrywając niektóre i tworząc inne wiązania chemiczne oraz mogą występować oddzielnie w postaci pojedynczych związków. Dzielą się na dwa główne typy – enancjomery i diastereoizomery .
Enancjomery- stereoizomery powiązane ze sobą, jak obiekt i niezgodne odbicie lustrzane.
Mogą istnieć tylko jako enancjomery chiralny Cząsteczki.
Chiralność- jest to właściwość przedmiotu, który jest niezgodny ze swoim lustrzanym odbiciem. Chiral (z greckiego. chór- dłoń) lub asymetryczne, obiekty to lewa i prawa ręka, a także rękawiczki, buty itp. Te sparowane obiekty reprezentują przedmiot i jego lustrzane odbicie (ryc. 8, a). Takich elementów nie można ze sobą całkowicie łączyć.
Jednocześnie wokół nas znajduje się wiele przedmiotów, które są zgodne ze swoim lustrzanym odbiciem, czyli są achiralne (symetryczne), np. talerze, łyżki, szklanki itp. Przedmioty achiralne posiadają co najmniej jedną płaszczyznę symetrii , który dzieli obiekt na dwie lustrzanie identyczne części (patrz rys. 8, B).
Podobne zależności obserwuje się także w świecie cząsteczek, czyli cząsteczki dzielą się na chiralne i achiralne. Cząsteczki achiralne mają płaszczyzny symetrii, cząsteczki chiralne nie.
Cząsteczki chiralne mają jedno lub więcej centrów chiralności. W związkach organicznych asymetryczny atom węgla najczęściej pełni rolę centrum chiralności .
Ryż. 8. Odbicie w zwierciadle obiektu chiralnego (a) i płaszczyzna symetrii przecinająca obiekt achiralny (b)
Asymetryczny atom węgla to taki, który jest związany z czterema różnymi atomami lub grupami.
Przedstawiając wzór stereochemiczny cząsteczki, zwykle pomija się symbol „C” oznaczający asymetryczny atom węgla.
Aby określić, czy cząsteczka jest chiralna czy achiralna, nie ma potrzeby przedstawiania jej wzorem stereochemicznym, wystarczy dokładnie rozważyć wszystkie zawarte w niej atomy węgla. Jeżeli występuje co najmniej jeden atom węgla z czterema różnymi podstawnikami, to ten atom węgla jest asymetryczny, a cząsteczka, z nielicznymi wyjątkami, jest chiralna. Zatem z dwóch alkoholi - propanolu-2 i butanolu-2 - pierwszy jest achiralny (dwie grupy CH3 przy atomie C-2), a drugi jest chiralny, ponieważ w jego cząsteczce przy atomie C-2 wszystkie cztery podstawniki są różne (H, OH, CH3 i C2H5). Asymetryczny atom węgla jest czasami oznaczony gwiazdką (C*).
W konsekwencji cząsteczka 2-butanolu może istnieć jako para enancjomerów, które nie są kompatybilne w przestrzeni (ryc. 9).
Ryż. 9. Enancjomery chiralnych cząsteczek butanolu-2 nie są kompatybilne
Właściwości enancjomerów. Enancjomery mają te same właściwości chemiczne i fizyczne (temperatura topnienia i wrzenia, gęstość, rozpuszczalność itp.), ale wykazują inną aktywność optyczną, tj. e. zdolność do odchylania płaszczyzny światła spolaryzowanego.
Kiedy takie światło przechodzi przez roztwór jednego z enancjomerów, płaszczyzna polaryzacji odchyla się w lewo, a druga w prawo o ten sam kąt α. Wartość kąta α, sprowadzona do warunków standardowych, jest stałą substancji optycznie czynnej i nazywa się dokładny obrót[α]. Skręt w lewo jest oznaczony znakiem minus (-), obrót w prawoskrętem znakiem plus (+), a enancjomery nazywane są odpowiednio lewoskrętnymi i prawoskrętnymi.
Inne nazwy enancjomerów są związane z przejawem aktywności optycznej - izomery optyczne lub antypody optyczne.
Każdy związek chiralny może mieć także trzecią, optycznie nieaktywną formę - racemat. W przypadku substancji krystalicznych zwykle nie jest to tylko mechaniczna mieszanina kryształów dwóch enancjomerów, ale nowa struktura molekularna utworzona przez enancjomery. Racematy są optycznie nieaktywne, ponieważ lewostronny obrót jednego enancjomeru jest kompensowany przez prawoskrętny obrót równej ilości drugiego. W takim przypadku przed nazwą związku czasami umieszcza się znak plus lub minus (?).
Chiralna czystość istot żywych. W kwestii pochodzenia życia jedną z tajemniczych pozostaje fakt istnienia absolutnej czystości chiralnej (od greckiego cheir - ręka): u istot żywych zawartość w cząsteczkach białka wyłącznie „leworęcznych” aminokwasów i „praworęczne” cukry w kwasach nukleinowych. Zjawisko takie mogło powstać jedynie w wyniku utraty symetrii zwierciadła pierwotnego w środowisku prebiologicznym (jednakowa zawartość prawych i lewych izomerów aminokwasów i cukrów). Przyroda nieożywiona ma tendencję do ustanawiania symetrii lustrzanej (racemacja).
Eksperymenty ostatnich lat wykazały, że jedynie w chiralnie czystych roztworach może nastąpić biologicznie istotne wydłużenie łańcucha polinukleotydowego i proces samoreplikacji. Racemiczny polinukleotyd nie jest zdolny do replikacji, ponieważ jego zasady są skierowane w różnych kierunkach i nie ma organizacji helikalnej. Systemy żywe są zorganizowane w taki sposób, że tRNA z cukrów prawoskrętnych przyłączają tylko aminokwasy lewoskrętne. Dlatego pojawienie się życia było najwyraźniej wykluczone aż do zniszczenia lustrzanej symetrii środowiska prebiologicznego (V. Goldansky, L. Morozov) i pojawienia się systemów samoreplikujących się. Wszystkie żywe organizmy zachowują swoją chiralną czystość, a ewolucja nie zapewniła im środków do życia w środowisku racemicznym.
Pojawienie się kodu genetycznego. Aminokwasy i nukleotydy w roztworze są losowo łączone ze sobą za pomocą wiązań peptydowych (w przypadku aminokwasów) lub fosfodiestrowych (w przypadku nukleotydów) w struktury liniowe - duże polimery. W ten sposób powstają polipeptydy (białka) i polinukleotydy (kwas rybonukleinowy i dezoksyrybonukleinowy). Gdy polimer utworzy się, będzie on stymulował tworzenie innych polimerów. Polinukleotydy stają się wówczas matrycą dla reakcji polimeryzacji i w ten sposób wyznaczają sekwencję nukleotydów w nowych polinukleotydach. Przykładowo polimer składający się z nukleotydów kwasu poliuredylowego (poli U) okazuje się matrycą do syntezy polimeru składającego się z nukleotydów kwasu poliadenylowego (poli A) w wyniku komplementarnego wiązania odpowiednich podjednostek. Nowa cząsteczka okazuje się kopią pierwotnej matrycy. Według D. Watsona mechanizm komplementarnego kopiowania matrycy jest „elegancki i prosty”.
Nie jest do końca jasne, dlaczego właśnie uracyl, adenina, cytozyna i guanina okazały się tymi literami alfabetu genetycznego, które mogły kodować informacje o wszystkich żywych istotach. Być może jest to czysty przypadek i zamiast tych czterech nukleotydów mogą istnieć inne. Cząsteczka RNA ma także indywidualność chemiczną - sekwencja nukleotydów określa charakter fałdowania (konformacji) cząsteczki w roztworze, a trójwymiarowe zagięcia makrocząsteczki są różne dla każdej sekwencji nukleotydów.
Cząsteczka RNA jest jednoniciowa, podczas gdy cząsteczka DNA ma dwie nici. Dwuniciowa struktura jest zdolna do naprawy (korygowania) uszkodzeń jednej z nici, dlatego DNA jest bardziej niezawodnym narzędziem do przechowywania i przekazywania informacji genetycznej.W ciągu milionów lat ewolucji przedbiologicznej tę zdolność DNA zauważyli m.in. wybór. Kiedy wyłonił się wystarczająco złożony system, DNA nabyło właściwość przechowywania informacji, białka stały się katalizatorami reakcji, a RNA zachowało funkcję pośrednika między DNA a białkami.
Możliwość utrwalania i przekazywania informacji poprzez matrycową zasadę reduplikacji doprowadziła do możliwości stworzenia genotypu i kodu genetycznego; unikalna struktura przestrzenna cząsteczki (analog fenotypu) determinowała możliwość naturalnej selekcji najodpowiedniejszych makrocząsteczek dla konkretnej sytuacji.
Natura „znalazła” mechanizm kodu genetycznego, wypróbowując niewyobrażalną liczbę różnych kombinacji przez co najmniej miliard lat. Bez takiego mechanizmu, który pozwala na przechowywanie informacji i jednocześnie (w wyniku nieuniknionych błędów kopiowania – mutacji) otrzymywanie materiału w celu jej zmiany, życie nigdy nie powstałoby w takiej formie, w jakiej jest prezentowane na Ziemi.
Wszystko powyższe to nic innego jak prawdopodobne hipotezy dotyczące możliwych sposobów powstania życia i tutaj możemy spodziewać się nowych interesujących odkryć. Tym samym w ostatnich latach wykazano, że znane od dawna bakterie żyjące w gorących źródłach, na dnie oceanów, w żołądkach niektórych przeżuwaczy, pochłaniając dwutlenek węgla, wodór i uwalniając metan (bakterie metanotwórcze), mają zachował wiele cech protobiontów.
Wciąż pozostaje wiele niejasności dotyczących pochodzenia życia na Ziemi. Czy życie zostało sprowadzone na Ziemię, czy też tutaj powstało? Odkrycie pod koniec XX wieku. ślady skamieniałych prokariotów (najwyraźniej cyjanobakterii) w meteorytach ożywiły zainteresowanie hipotezą panspermii, wysuniętą pod koniec XIX wieku. S. Arrheniusa i wspierany przez V.I. Wernadskiego (uważał życie za „fenomen wieczny”), a w naszych czasach przez słynnego mikrobiologa G.A. Zawarzin. Biorąc jednak pod uwagę, że coraz więcej faktów i obliczeń wskazuje, że cały nasz Wszechświat powstał w wyniku „Wielkiego Wybuchu” 12–20 miliardów lat temu, hipoteza panspermii nie rozwiązuje problemu pochodzenia życia, a jedynie przenosi miejsca jego pochodzenia z Ziemi do innego ciała kosmicznego i nieznacznie opóźnia pojawienie się życia.
Kolejną nierozwiązaną zagadkę z zakresu pochodzenia życia na Ziemi formułuje w przenośni N.N. Woroncow: „Wydaje się, że dosłownie natychmiast po ostygnięciu skorupy ziemskiej na naszej planecie pojawiło się życie. To tak, jakby wystarczyło przyłożyć zapałkę do planety, aby rozbłysnął na niej płomień życia!”. Istotny był nie tylko czysto chemiczny, ale także ekologiczny aspekt wyglądu istot żywych. Życie natychmiast musiało zaistnieć w postaci ekosystemów. Nieunikniony wzrost różnorodności biologicznej (na przestrzeni setek milionów lat - „mikrobiologiczny”) powinien był doprowadzić do wzrostu stabilności takich prymitywnych ekosystemów, szybkiego wzrostu ich bioproduktywności i biomasy na planecie. Kiedy powstało (nieważne w jaki sposób), życie powinno (w skali czasu geologicznego – natychmiast) pokryć całą planetę.
Oczywiście istnieje (i zawsze będzie) wiele pytań dotyczących pochodzenia życia. Czy metabolizm biologiczny przebiega w stanie koacerwatu, czy też początkowo powstaje kod genetyczny? Dlaczego niektóre rzadkie pierwiastki w skorupie ziemskiej (molibden, magnez) zaczęły odgrywać większą rolę w metabolizmie biologicznym niż zwykłe pierwiastki (krzem, wapń)? Podobnych pytań jest wiele i czekają na wyjaśnienie. Jednak możliwość powstania życia z substancji nieorganicznych w wyniku działania fizycznych czynników środowiskowych i działania selekcji prebiologicznej pozostaje naukowo wiarygodna. Naukowo udowodniono możliwość coraz bardziej złożonych interakcji między cząstkami elementarnymi i cząsteczkami, prowadzących do powstania samouczących się makrocząsteczek.
Jak asymetria objawia się w żywej przyrodzie? Jakie specyficzne cechy ma chiralność w białkach i kwasach nukleinowych? Dlaczego chiralność wskazuje, że życie zaczęło się tylko raz? Na te i inne pytania odpowiada doktor nauk fizycznych i matematycznych Maxim Frank-Kamenetsky.
Jedną z niezwykłych cech życia, jakie znamy, i żywych cząsteczek, które izolujemy od żywych organizmów, jest ich asymetria. Co mamy na myśli? „Asymetria” to słowo bardzo dwuznaczne, dlatego potrzebne jest doprecyzowanie. Mówimy o asymetrii w stosunku do prawej i lewej strony. Każda z naszych dłoni jest asymetryczna. Jeśli je złożymy, zobaczymy, że jedna dłoń jest lustrzanym odbiciem drugiej. Jednego nazywamy prawym, drugiego lewym. Jeśli przyłożymy lewą dłoń do lustra, to w lustrze otrzymamy jego lustrzane odbicie, które będzie identyczne z naszą prawą dłonią. Można je całkowicie połączyć - odbicie lewej dłoni w lustrze i prawej dłoni.
Ta właściwość asymetrii nazywana jest chiralnością od dłoni, ponieważ greckie słowo χείρ oznacza „dłoń”. To stąd narodziła się jedna z szarlatanerii nieodłącznie związanych z naszym społeczeństwem - chiropraktyka, odgadywanie losu lub choroby z dłoni. Ale słowo „chiralność” weszło do nauki. Kiedy mówimy „chiralność”, od razu wiadomo, o jakim rodzaju asymetrii mówimy - asymetrii względem odbicia lustrzanego.
Ciało ludzkie jest asymetryczne, chociaż nie jest to od razu oczywiste. Jeśli staniemy w pozycji symetrycznej, będzie nam się wydawało, że mamy płaszczyznę symetrii, a jeśli odbijemy się w tej płaszczyźnie, to nic się nie zmieni. Ale to wrażenie zewnętrzne. Wiemy, że nasze narządy wewnętrzne takie nie są, wiemy, że nasze serce jest przesunięte w lewą stronę, więc taka refleksja nie doprowadzi do tego samego rezultatu.
Ta asymetria naszego ciała ma swoje źródło na najgłębszym poziomie molekularno-atomowym – od asymetrycznego atomu węgla. Węgiel jest czterowartościowy i w jednej z dwóch najpowszechniejszych form jest czworościenny. Co to znaczy? Oznacza to, że atom węgla znajduje się w środku regularnego czworościanu. Czworościan to figura, która ma cztery wierzchołki. A węgiel znajduje się w środku, więc odległość do wszystkich czterech wierzchołków jest taka sama, a wiązania węgla z grupami znajdującymi się na wierzchołkach są wiązaniami chemicznymi, jest ich cztery, więc węgiel jest czterowartościowy.
Jeśli wszystkie grupy znajdujące się na wierzchołkach są różne, wówczas węgiel będzie chiralny, czyli asymetryczny, a jego odbicia w lustrze nie da się połączyć ze sobą. Jeśli co najmniej dwie grupy są takie same, wówczas węgiel przestaje być chiralny i nazywa się go achiralnym lub symetrycznym. Ta właściwość węgla jest niezwykle ważna dla zrozumienia cząsteczek biologicznych i asymetrii biologicznej.
Dwa główne składniki chemiczne komórki to białka i kwasy nukleinowe (DNA i RNA). Białka składają się z aminokwasów, natomiast DNA i RNA składają się z nukleotydów. Aminokwasy są związkami bardzo prostymi, składają się z trzech grup: grupy aminowej NH2, następnie jest węgiel, który łączy się z tą grupą i łączy się z trzecią grupą - grupą karboksylową COOH. W środku aminokwasu ten zasadowy węgiel oprócz dwóch wiązań – z grupą aminową i grupą karboksylową – zawsze ma też wodór. A czwarte wiązanie trafia do grupy, która określa indywidualność aminokwasu.
W kanonicznych, czyli biologicznych aminokwasach tworzących białka, istnieje dokładnie dwadzieścia takich grup.
W skład białek wchodzi dokładnie dwadzieścia różnych aminokwasów. W najprostszym z nich czwarta grupa, o której mówiliśmy, to także wodór, więc ten aminokwas nazywa się glicyną i jest achiralny. Jest to na ogół jedyny achiralny aminokwas. Wszystkie pozostałe dziewiętnaście są chiralne, ponieważ ich czwarta grupa różni się od pozostałych trzech. Dlatego wszystkie aminokwasy z wyjątkiem glicyny są asymetryczne.
Jeśli zsyntetyzujemy chemicznie dowolny chiralny aminokwas, zawsze otrzymamy mieszaninę tej samej liczby cząsteczek, która będzie miała jedną chiralność i przeciwną chiralność - będziemy mieli połowę cząsteczek tego samego typu, a połowa cząsteczek będzie zwierciadłem obraz pierwszej połowy. I tak będzie zawsze, jeśli będziemy syntetyzować czysto chemicznie.
Jeśli potniemy białka na poszczególne aminokwasy i zobaczymy, co otrzymamy, otrzymamy tylko jeden rodzaj aminokwasów. Drugiego typu w ogóle nie zobaczymy. Wszystkie aminokwasy we wszystkich żywych organizmach mają tę samą chiralność, jest to tylko jeden z dwóch możliwych stereoizomerów - te dwa różne typy, tak różne jak nasze dwie dłonie, nazywane są stereoizomerami. Jest tylko jeden stereoizomer. Nazywa się to lewicą. To jest konwencja. Ważne, żeby był sam. Jest to wspólna właściwość wszystkich żywych organizmów - wszystkie aminokwasy są tylko jednego rodzaju.
Tę niezwykłą właściwość istot żywych, jej asymetrię, odkrył po raz pierwszy wielki francuski naukowiec XIX wieku, Louis Pasteur, jeden z gigantów w historii nauki. Od niego zaczęła się współczesna mikrobiologia, od niego zaczęła się współczesna immunologia i on jako pierwszy przekonująco pokazał raz na zawsze, że istoty żywe nie mogą powstać z materii nieożywionej, obalił wielowiekowe przesądy, że życie może powstać z materii nieożywionej. I pokazał, że żywe cząsteczki, cząsteczki żywych organizmów, mają asymetrię.
Ta sama asymetria w stosunku do prawej i lewej strony jest nieodłączna nie tylko dla aminokwasów, ale także dla nukleotydów tworzących DNA i RNA. Nukleotydy również składają się z trzech pierwiastków, ale pierwiastki te to grupa fosforanowa, cukier i zasada azotowa. Grupa fosforanowa i zasada azotowa są achiralne, są symetryczne, ale cukier jest asymetryczny. Cukier zawsze ma co najmniej dwa atomy węgla, które są achiralne i dlatego cukier jest achiralny. I tak jak w przypadku aminokwasów, wszystkie cukry w naturalnym DNA i RNA mają tę samą chiralność. W tym przypadku nazywa się je właściwymi - to znowu konwencja.
Z powodu tej chiralności na poziomie cukru, chiralność powstaje na poziomie struktury DNA. DNA ma rację. Kiedy mówimy o spirali prawoskrętnej, mamy na myśli, że jest to linia helikalna, która jest skręcona w taki sam sposób, jak śruby, których używamy. Kiedy wkręcamy śrubę, ma ona gwint prawoskrętny, czyli gdy odsuwamy palec od nas, idzie ona zgodnie z ruchem wskazówek zegara, w prawo, dlatego nazywa się ją gwintem prawoskrętnym. Dokładnie ta sama prawoskrętna helisa jest podwójną helisą DNA. I to jest przejawem faktu, że tylko jeden z możliwych cukrów, stereoizomery cukru, jest nieodłączny od biologii, nieodłącznie związany z naturą.
Jest to rzecz absolutnie zdumiewająca, świadczy o tym – mamy inne dowody – że. Ponieważ jeśli chemicznie zsyntetyzujemy te związki, zawsze otrzymamy mieszaninę. Fakt, że we wszystkich przejawach życia, gdziekolwiek spojrzymy, widzimy tylko jeden stereoizomer, oznacza, że wszystkie te przejawy życia są ze sobą powiązane, to znaczy wszystkie zaczęły się od jednego przodka, który dał początek całej znanej nam różnorodności życia . Dlatego nie mamy życia z inną chiralnością - tylko z jedną.
Chiralność to niezgodność obiektu z jego lustrzanym odbiciem poprzez dowolną kombinację obrotów i translacji w przestrzeni trójwymiarowej. Mówimy tylko o idealnym zwierciadle płaskim. W nim praworęczny zamienia się w leworęcznego i odwrotnie.
Chiralność jest typowa dla roślin i zwierząt, a samo określenie pochodzi z języka greckiego. χείρ - ręka.
W krzyżodziobach występują prawe i lewe muszle, a nawet prawy i lewy dziób (ryc. 1).
„Odbicie” jest powszechne także w przyrodzie nieożywionej (ryc. 2).
Ryż. 2. Zdjęcie z scienceblogs.com („Opcja Trójcy” nr 24(218), 12.06.2016)" border="0">
Ostatnio modne stały się zegarki „chiralne”, czyli lustrzane (zwróć uwagę na napis na tarczy) (ryc. 3).
I nawet w językoznawstwie jest miejsce na chiralność! Są to palindromy: słowa i zdania, które są odwrócone, np.: UDERZĘ WUJKA, CIOTĘ SZCZĘŚLIWĄ, UDERZĘ ciotkę, Wujek SZCZĘŚLIWY lub LENSON TO POJEMNIK NA BOA, ALE ON W PIEKLE NIE ZJEDŁ TWOJEGO NOSA!
Chiralność jest bardzo ważna dla chemików i farmaceutów. Chemia zajmuje się obiektami w nanoskali (modne słowo „nano” pochodzi z języka greckiego. νάννος - krasnolud). Monografia poświęcona chiralności w chemii, na której okładce (na zdjęciu) po prawej) - chiralne kolumny i dwie chiralne cząsteczki heksagelicenu (z spirala- spirala).
A znaczenie chiralności dla medycyny symbolizuje okładka czerwcowego numeru amerykańskiego magazynu Dziennik Edukacji Chemicznej za rok 1996 (ryc. 4). Wzór strukturalny penicylaminy przedstawiono na boku dobrodusznego psa machającego ogonem. Pies patrzy w lustro, a stamtąd patrzy na niego straszna bestia z obnażonymi kłami, oczami płonącymi ogniem i sterczącymi włosami. Z boku bestii przedstawiono ten sam wzór strukturalny, co lustrzane odbicie pierwszego. Nie mniej wymowny jest tytuł artykułu o lekach chiralnych opublikowanego w tym numerze: „Kiedy cząsteczki leku patrzą w lustro”. Dlaczego „odbicie lustrzane” tak radykalnie zmienia wygląd cząsteczki? A jak odkryłeś, że dwie cząsteczki są „lustrzanymi antypodami”?
Polaryzacja światła i aktywność optyczna
Od czasów Newtona w nauce toczy się debata na temat tego, czy światło jest falą, czy cząsteczkami. Newton uważał, że światło składa się z cząstek o dwóch biegunach - „północnym” i „południowym”. Francuski fizyk Etienne Louis Malus wprowadził koncepcję światła spolaryzowanego, z jednym kierunkiem „biegunów”. Teoria Malusa nie została potwierdzona, ale nazwa pozostała.
W 1816 roku francuski fizyk Augustin Jean Fresnel wyraził nietypowy jak na tamte czasy pogląd, że fale świetlne są poprzeczne, podobnie jak fale na powierzchni wody.
Fresnel wyjaśnił także zjawisko polaryzacji światła: w zwykłym świetle drgania zachodzą chaotycznie, we wszystkich kierunkach prostopadłych do kierunku wiązki. Ale po przejściu przez niektóre kryształy, takie jak drzewce islandzkie czy turmalin, światło nabiera specjalnych właściwości: fale w nim wibrują tylko w jednej płaszczyźnie. Mówiąc obrazowo, wiązka takiego światła przypomina wełnianą nić przeciąganą przez wąską szczelinę pomiędzy dwoma ostrymi żyletkami. Jeśli drugi kryształ tego samego typu zostanie umieszczony prostopadle do pierwszego, światło spolaryzowane nie przejdzie przez niego.
Światło zwykłe od światła spolaryzowanego można odróżnić za pomocą przyrządów optycznych - polarymetrów; Używają ich na przykład fotografowie: filtry polaryzacyjne pomagają pozbyć się na zdjęciu odblasków, które powstają, gdy światło odbija się od powierzchni wody.
Okazało się, że gdy światło spolaryzowane przechodzi przez niektóre substancje, płaszczyzna polaryzacji obraca się. Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte w 1811 roku przez francuskiego fizyka Francois Dominique Arago w kryształach kwarcu. Wynika to ze struktury kryształu. Naturalne kryształy kwarcu są asymetryczne i występują w dwóch rodzajach, które różnią się kształtem, niczym obiekt w swoim lustrzanym odbiciu (ryc. 5). Kryształy te obracają płaszczyznę polaryzacji światła w przeciwnych kierunkach; nazywano ich prawo- i leworęcznymi.
W 1815 roku francuski fizyk Jean Baptiste Biot i niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck odkryli, że niektóre substancje organiczne, takie jak cukier i terpentyna, również mają zdolność obracania płaszczyzny polaryzacji, nie tylko w stanie krystalicznym, ale także w cieczy, rozpuszczonej, a nawet stany gazowe. Okazało się, że każdy „promień koloru” światła białego obraca się pod innym kątem. Płaszczyzna polaryzacji obraca się najbardziej w przypadku promieni fioletowych, najmniej w przypadku promieni czerwonych. Dlatego bezbarwna substancja może zabarwić się w świetle spolaryzowanym.
Podobnie jak w przypadku kryształów, niektóre związki chemiczne mogą występować w odmianach prawoskrętnych lub leworęcznych. Nie było jednak jasne, z jaką właściwością cząsteczek wiąże się to zjawisko: najdokładniejsza analiza chemiczna nie wykazała między nimi żadnych różnic! Tego typu substancje nazwano izomerami optycznymi, a same związki nazwano optycznie czynnymi. Okazało się, że substancje optycznie czynne posiadają także trzeci rodzaj izomerów – optycznie nieaktywne. Zostało to odkryte w 1830 roku przez słynnego szwedzkiego chemika Jonsa Jakoba Berzeliusa: kwas winogronowy C 4 H 6 O 6 jest optycznie nieaktywny, a kwas winowy o dokładnie takim samym składzie ma w roztworze prawoskrętną rotację. Nikt jednak nie wiedział, czy istnieje niewystępujący w naturze „lewoskrętny” kwas winowy, antypoda kwasu prawoskrętnego.
Odkrycie Pasteura
Fizycy powiązali aktywność optyczną kryształów z ich asymetrią; całkowicie symetryczne kryształy, takie jak sześcienne kryształy soli kuchennej, są optycznie nieaktywne. Przyczyna aktywności optycznej cząsteczek przez długi czas pozostawała całkowicie tajemnicza. Pierwszego odkrycia, które rzuciło światło na to zjawisko, dokonał w 1848 roku nieznany wówczas francuski naukowiec Louis Pasteur. Jeszcze na studiach zainteresował się chemią i krystalografią, pracując pod kierunkiem wspomnianego Jeana Baptiste'a Biota i wybitnego francuskiego chemika organicznego Jeana Baptiste'a Dumasa. Po ukończeniu Ecole Normale Supérieure w Paryżu młody (miał zaledwie 26 lat) Pasteur pracował jako asystent laboratoryjny u Antoine’a Balarda. Balar był już znanym chemikiem, który 22 lata wcześniej zasłynął z odkrycia nowego pierwiastka – bromu. Dał swojemu asystentowi temat z krystalografii, nie spodziewając się, że doprowadzi to do wybitnego odkrycia.
Podczas badań Pasteur przygotował roztwór soli sodowo-amoniowej optycznie nieaktywnego kwasu winogronowego i poprzez powolne odparowywanie wody uzyskał piękne pryzmatyczne kryształy tej soli. Kryształy te, w odróżnieniu od kryształów kwasu winogronowego, okazały się asymetryczne. Niektóre z kryształów miały jedną charakterystyczną twarz po prawej stronie, inne po lewej, a kształtem oba rodzaje kryształów były względem siebie lustrzanym odbiciem.
Liczba obu kryształów była równa. Wiedząc, że w takich przypadkach kryształy kwarcu wirują w różnych kierunkach, Pasteur postanowił sprawdzić, czy zjawisko to będzie można zaobserwować również na otrzymanej przez niego soli. Uzbrojony w szkło powiększające i pincetę Pasteur ostrożnie rozdzielił kryształy na dwa stosy. Ich roztwory, jak można było się spodziewać, miały przeciwną skręcalność optyczną, a mieszanina roztworów była optycznie nieaktywna (polaryzacja prawa i lewa były wzajemnie kompensowane). Pasteur na tym nie poprzestał. Z każdego z dwóch roztworów za pomocą mocnego kwasu siarkowego wyparł słabszy kwas organiczny. Można przypuszczać, że w obu przypadkach uzyskany zostanie oryginalny kwas winogronowy, który jest optycznie nieczynny. Okazało się jednak, że z jednego roztworu powstał nie kwas winogronowy, a dobrze znany prawoskrętny kwas winowy, a z innego roztworu również otrzymano kwas winowy, tyle że obracający się w lewo! Kwasy te nazywane są D-wino (od łac. zręczność- prawda) i ja- wino (od łac. laevus- lewy). Następnie kierunek rotacji optycznej zaczęto oznaczać znakami (+) i (–), a absolutną konfigurację cząsteczki w przestrzeni - literami R I S. Zatem nieaktywny kwas winogronowy okazał się mieszaniną równych ilości znanego „prawego” kwasu winowego i nieznanego wcześniej „lewego”. Dlatego równa mieszanina ich cząsteczek w krysztale lub w roztworze nie ma aktywności optycznej. Dla takiej mieszaniny zaczęto używać nazwy „racemat”, od łac. racemus- winogrono. Dwie antypody, które po zmieszaniu w równych ilościach dają optycznie nieaktywną mieszaninę, nazywane są enancjomerami (z greckiego. έναντίος - naprzeciwko).
Zdając sobie sprawę ze znaczenia swojego eksperymentu, Pasteur wybiegł z laboratorium i spotkawszy asystenta laboratoryjnego w sali fizyki, podbiegł do niego i wykrzyknął: „Właśnie dokonałem wielkiego odkrycia!” Swoją drogą Pasteur miał dużo szczęścia z tą substancją: później chemicy odkryli tylko kilka podobnych przypadków krystalizacji w określonej temperaturze mieszaniny optycznie różnych kryształów, na tyle dużych, że można je było rozdzielić pod lupą za pomocą pęsety.
Pasteur odkrył jeszcze dwie metody rozdzielania racematu na dwie antypody. Metoda biochemiczna opiera się na selektywnej zdolności niektórych mikroorganizmów do asymilacji tylko jednego z izomerów. Podczas wizyty w Niemczech jeden z farmaceutów podarował mu starą butelkę kwasu winogronowego, w której wyrosła zielona pleśń. W swoim laboratorium Pasteur odkrył, że niegdyś nieaktywny kwas stał się lewoskrętny. Okazało się, że to zielona pleśń Penicillum glaucum„zjada” tylko prawy izomer, pozostawiając lewy bez zmian. Pleśń ta ma taki sam wpływ na racemat kwasu migdałowego, tyle że w tym przypadku „zjada” izomer lewoskrętny, nie dotykając izomeru prawoskrętnego.
Trzecia metoda rozdzielania racematów była czysto chemiczna. Do tego konieczne było posiadanie substancji optycznie czynnej, która wchodząc w interakcję z mieszaniną racemiczną, będzie wiązać się inaczej z każdym z enancjomerów. W rezultacie dwie substancje w mieszaninie nie będą antypodami (enancjomerami) i można je rozdzielić jako dwie różne substancje. Można to wytłumaczyć takim modelem na samolocie. Weźmy mieszaninę dwóch antypodów - I i R. Ich właściwości chemiczne są takie same. Dodajmy do mieszaniny składnik niesymetryczny (chiralny), np. Z, który może reagować z dowolnym miejscem w tych enancjomerach. Otrzymujemy dwie substancje: РЗ i ZR (lub ЖZ i RZ). Struktury te nie są lustrzanie symetryczne, dlatego takie substancje będą się różnić czysto fizycznie (temperatura topnienia, rozpuszczalność itp.) i można je rozdzielić.
Pasteur dokonał wielu innych odkryć, w tym szczepień przeciwko wąglikowi i wściekliźnie oraz wprowadził metody aseptyczne i antyseptyczne.
Badania Pasteura, które wykazały możliwość „rozszczepienia” optycznie nieaktywnego związku na antypody – enancjomery, wzbudziły początkowo nieufność wielu chemików, jednak podobnie jak jego późniejsze prace wzbudziły największe zainteresowanie naukowców. Wkrótce francuski chemik Joseph Achille Le Bel, stosując trzecią metodę Pasteura, rozłożył kilka alkoholi na optycznie aktywne antypody. Niemiecki chemik Johann Wislicenus ustalił, że istnieją dwa kwasy mlekowe: optycznie nieaktywny, powstający w kwaśnym mleku (kwas mlekowy fermentacyjny) i prawoskrętny, który pojawia się w pracującym mięśniu (kwas mlekowy). Podobnych przykładów było coraz więcej i potrzebna była teoria, aby wyjaśnić, w jaki sposób cząsteczki antypodów różnią się od siebie.
Teoria Van't Hoffa
Teorię tę stworzył młody holenderski naukowiec Jacob Hendrik van't Hoff, który w 1901 roku otrzymał pierwszą w historii Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Według jego teorii cząsteczki, podobnie jak kryształy, mogą być chiralne – „praworęczne” i „leworęczne”, będąc wobec siebie lustrzanym odbiciem. Najprostszym przykładem są cząsteczki posiadające tzw. asymetryczny atom węgla otoczony czterema różnymi grupami. Można to wykazać na przykładzie najprostszego aminokwasu alaniny. Dwie pokazane cząsteczki nie mogą być połączone w przestrzeni poprzez żaden obrót (ryc. 6, góra).
Wielu naukowców nie ufało teorii Van't Hoffa. A słynny niemiecki chemik organiczny, wybitny eksperymentator, profesor Uniwersytetu w Lipsku, Adolf Kolbe, wybuchł nieprzyzwoicie ostrym artykułem w Journal für praktische Chemie ze złośliwym tytułem „Zeiche der Zeit” („Znaki czasu”). Porównał teorię Van't Hoffa do „szumowiny ludzkiego umysłu”, do „kokoty ubranej w modne ciuchy i zakrywającej twarz bielą i różem, aby dostać się do porządnego społeczeństwa, w którym nie ma dla niej miejsca”. Kolbe napisał, że „ niejaki doktor Van't Hoff, który pracuje w Szkole Weterynaryjnej w Utrechcie, najwyraźniej nie lubi precyzyjnych badań chemicznych. Uznał, że przyjemniej jest usiąść na Pegazie (prawdopodobnie pożyczonym ze szkoły weterynaryjnej) i opowiedzieć światu, co zobaczył z chemicznego Parnasu... Prawdziwi badacze są zdumieni, jak prawie nieznani chemicy podejmują się tak pewnie oceniać najwyższy problem chemii - kwestia położenia przestrzennego atomów, która być może nigdy nie zostanie rozwiązana... Takie podejście do zagadnień naukowych nie jest dalekie od wiary w czarownice i duchy. I takich chemików należy wykluczyć z szeregów prawdziwych naukowców i włączyć do obozu filozofów przyrody, niewiele różniących się od spirytualistów».
Z biegiem czasu teoria van't Hoffa zyskała pełne uznanie. Każdy chemik wie, że jeśli mieszanina zawiera taką samą liczbę cząsteczek „praworęcznych” i „leworęcznych”, substancja jako całość będzie optycznie nieaktywna. To właśnie te substancje powstają w kolbie w wyniku konwencjonalnej syntezy chemicznej. I tylko w organizmach żywych, przy udziale czynników asymetrycznych, takich jak enzymy, powstają związki asymetryczne. Zatem w naturze dominują aminokwasy i cukry tylko jednej konfiguracji, a tworzenie ich antypodów jest tłumione. W niektórych przypadkach różne enancjomery można rozróżnić bez użycia żadnego sprzętu – gdy inaczej oddziałują z asymetrycznymi receptorami w naszym organizmie. Uderzającym przykładem jest aminokwas leucyna: jej izomer prawoskrętny jest słodki, a izomer lewoskrętny jest gorzki.
Oczywiście od razu pojawia się pytanie, jak pojawiły się na Ziemi pierwsze optycznie aktywne związki chemiczne, na przykład ten sam naturalny prawoskrętny kwas winowy, czy też jak pojawiły się „asymetryczne” mikroorganizmy, które żywią się tylko jednym z enancjomerów. Rzeczywiście, pod nieobecność człowieka nie było komu przeprowadzić ukierunkowanej syntezy substancji optycznie czynnych, nie było komu rozdzielać kryształów na prawy i lewy! Pytania te okazały się jednak na tyle złożone, że do dziś nie ma na nie jednoznacznej odpowiedzi. Naukowcy są zgodni co do tego, że istnieją asymetryczne czynniki nieorganiczne lub fizyczne (asymetryczne katalizatory, spolaryzowane światło słoneczne, spolaryzowane pole magnetyczne), które mogłyby dać początkowy impuls asymetrycznej syntezie substancji organicznych. Podobne zjawisko obserwujemy w przypadku asymetrii „materia – antymateria”, gdyż wszystkie ciała kosmiczne składają się wyłącznie z materii, a selekcja zachodziła już na najwcześniejszych etapach powstawania Wszechświata.
Leki chiralne
Chemicy często traktują enancjomery jako jeden związek, ponieważ ich właściwości chemiczne są identyczne. Jednak ich aktywność biologiczna może być zupełnie inna. Człowiek jest istotą chiralną. I dotyczy to nie tylko jego wyglądu. Leki „praworęczne” i „leworęczne” w interakcji z chiralnymi cząsteczkami w organizmie, takimi jak enzymy, mogą działać odmiennie. „Właściwy” lek pasuje do swojego receptora jak klucz do zamka i wywołuje pożądaną reakcję biochemiczną. Działanie „niewłaściwego” antypoda można porównać do próby potrząśnięcia prawą ręką lewej ręki gościa. Zapotrzebowanie na optycznie czyste enancjomery tłumaczy się także tym, że często tylko jeden z nich daje pożądany efekt terapeutyczny, podczas gdy drugi antypod może w najlepszym przypadku być bezużyteczny, a w najgorszym powodować niepożądane skutki uboczne lub nawet być toksyczny. Stało się to oczywiste po sensacyjnej, tragicznej historii talidomidu, leku przepisywanego kobietom w ciąży w latach 60. XX wieku jako skuteczny środek nasenny i uspokajający. Jednak z biegiem czasu jego teratogenne skutki uboczne (z gr. τέρας - potwór) i wiele dzieci urodziło się z wadami wrodzonymi. Dopiero pod koniec lat 80. stało się jasne, że tylko jeden z enancjomerów talidomidu, enancjomer prawoskrętny, jest odpowiedzialny za nieszczęścia i tylko izomer lewoskrętny jest silnym środkiem uspokajającym (ryc. 6, na dole). Niestety, ta różnica w działaniu postaci dawkowania nie była wcześniej znana, dlatego sprzedawany talidomid był mieszaniną racemiczną obu antypodów. Różnią się względnym położeniem w przestrzeni dwóch fragmentów cząsteczki.
Jeszcze jeden przykład. Penicylamina, której budowę narysowano na okładce magazynu psa i wilka, jest dość prostą pochodną aminokwasu cysteiny. Substancję tę stosuje się przy ostrych i przewlekłych zatruciach miedzią, rtęcią, ołowiem i innymi metalami ciężkimi, gdyż ma zdolność tworzenia silnych kompleksów z jonami tych metali; powstałe kompleksy są usuwane przez nerki. Penicylaminę stosuje się także w leczeniu różnych postaci reumatoidalnego zapalenia stawów oraz w wielu innych przypadkach. W tym przypadku stosuje się tylko „lewą” formę leku, ponieważ „prawa” jest toksyczna i może prowadzić do ślepoty.
Zdarza się również, że każdy enancjomer ma swój specyficzny efekt. Tak, leworęczny S-tyroksyna (lek lewotroidowy) jest naturalnym hormonem tarczycy. Prawoskrętny R-tyroksyna (dekstroid) obniża poziom cholesterolu we krwi. Niektórzy producenci dla takich przypadków wymyślają palindromiczne nazwy handlowe, na przykład odpowiednio darvon i novrad dla syntetycznego narkotycznego środka przeciwbólowego i leku na kaszel.
Obecnie wiele leków produkowanych jest w postaci związków optycznie czystych. Otrzymuje się je trzema metodami: rozdzielaniem mieszanin racemicznych, modyfikacją naturalnych związków optycznie czynnych i bezpośrednią syntezą. To ostatnie wymaga również źródeł chiralnych, ponieważ inne tradycyjne metody syntezy dają racemat. Nawiasem mówiąc, jest to jedna z przyczyn bardzo wysokich kosztów niektórych leków, ponieważ ukierunkowana synteza tylko jednego z nich jest trudnym zadaniem. Nic więc dziwnego, że spośród wielu syntetycznych leków chiralnych produkowanych na całym świecie tylko niewielka część jest optycznie czysta, reszta to racematy.
Na temat chiralności cząsteczek zobacz także:
Rozdział Pochodzenie czystości chiralnej z książki Michaiła Nikitina
Nazywa się cząsteczki, które mają co najmniej jeden atom węgla przyłączony do czterech różnych podstawników asymetryczny Lub chiralny. Innymi słowy, są to cząsteczki, które nie mają ani środka, ani płaszczyzny symetrii.
Chiralność(starogrecki χειρ - ręka) - właściwość cząsteczki, która nie pozwala na łączenie się w przestrzeni z jej lustrzanym odbiciem. Termin ten opiera się na starożytnej greckiej nazwie najbardziej rozpoznawalnego przedmiotu chiralnego, czyli dłoni. Zatem lewa i prawa ręka są odbiciami lustrzanymi, ale nie można ich łączyć ze sobą w przestrzeni.
Teraz musimy zapoznać się z koncepcją światła spolaryzowanego, ponieważ zjawisko to wykorzystuje się do badania i opisu cząsteczek chiralnych. Światło staje się spolaryzowane płasko w wyniku przejścia zwykłego światła przez polaryzator.
Jeśli światło spolaryzowane płasko przejdzie przez roztwór substancji chiralnej, płaszczyzna, w której występują drgania, zaczyna się obracać. Substancje powodujące taką rotację nazywane są optycznie aktywny. Kąt obrotu mierzy się za pomocą instrumentu zwanego polarymetrem (lub analizatorem).
Zdolność substancji do obracania płaszczyzny polaryzacji światła charakteryzuje się swoistą rotacją. Dokładny obrót definiuje się jako kąt obrotu płaszczyzny polaryzacji przez roztwór zawierający 1 ml 1 g substancji optycznie czynnej w rurce o długości 0,1 m. Obserwowany kąt obrotu zależy od długości rurki (im dłuższa , im większa rotacja) i od stężenia (zwykle im niższe stężenie, tym mniejsza rotacja).
Jeśli płaszczyzna polaryzacji obraca się w prawo (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) od obserwatora, połączenie nazywa się prawoskrętnym, a obrót właściwy zapisuje się znakiem (+). Przy obrocie w lewo (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) staw nazywa się lewoskrętnym, a obrót właściwy zapisywany jest znakiem (-).
Zobaczmy, jak aktywność optyczna jest powiązana ze strukturą molekularną substancji. Poniżej znajduje się przestrzenna reprezentacja chiralnej cząsteczki i jej lustrzanego odbicia:
Izomery optyczne (enancjomery)
Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że to ta sama cząsteczka, przedstawiona inaczej. Jeśli jednak zbierzesz modele obu form i spróbujesz je połączyć tak, aby wszystkie atomy pokrywały się ze sobą, szybko przekonasz się, że jest to niemożliwe, czyli okaże się, że cząsteczka nie jest kompatybilna ze swoim lustrzanym odbiciem.
Zatem dwie chiralne cząsteczki powiązane ze sobą jako obiekt i jego lustrzane odbicie nie są identyczne. Te cząsteczki (substancje) nazywane są izomerami enancjomery Lub izomery optyczne. Większość właściwości chemicznych i fizycznych pary enancjomerów jest identyczna. Odnosi się to do temperatury wrzenia i topnienia, gęstości, napięcia powierzchniowego, rozpuszczalności, stabilności i reaktywności z większością odczynników.
Enancjomery różnią się jednak między sobą pod dwoma względami.
1) Zachowują się inaczej w przypadku światła spolaryzowanego płasko. Jeden enancjomer obraca płaszczyznę polaryzacji światła w jednym kierunku o pewną wartość. Drugi enancjomer obróci płaszczyznę polaryzacji dokładnie o tę samą wielkość, ale w przeciwnym kierunku.
2) Enancjomery odmiennie reagują z innymi cząsteczkami chiralnymi, w szczególności z substancjami pochodzenia naturalnego powstającymi w obiektach biologicznych. Na przykład, jeśli jeden z enancjomerów jest toksyczny, drugi może nie mieć tej właściwości. Jeśli jeden z enancjomerów jest witaminą, to drugi nie ma takich właściwości. Te różnice we właściwościach biochemicznych enancjomerów wynikają z faktu, że procesy biochemiczne w żywym organizmie są katalizowane przez enzymy. Enzymy są związkami chiralnymi o charakterze białkowym. Aby związek był biologicznie aktywny, jego geometria musi odpowiadać strukturze określonego regionu enzymu.
Podsumujmy więc:
Cząsteczki, które nie mają elementów symetrii, nazywane są chiralnymi. Cząsteczki te mają niezwykłą właściwość - zdolność do obracania płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego płasko.
Izomery, których cząsteczki są chiralne i stanowią względem siebie lustrzane odbicie, nazywane są enancjomerami.
Enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne i chemiczne, różnią się jedynie kierunkiem obrotu płaszczyzny polaryzacji światła oraz charakterem ich oddziaływania z innymi substancjami chiralnymi, takimi jak enzymy.
