Podcast na Stereochemie a optická aktivita

Kapitoly

Úvod a překvapivý fakt

Tajemství chirality

Jak se světlo otáčí?

Měření a specifická otáčivost

Co je to racemát?

Pokročilejší metody a proč na tom záleží

Co je to ORD?

Molekulární detektivka

Využití v praxi

Co je polarizace světla?

Jak funguje polarizátor?

Zpátky k molekulám

Chemické jazykolamy

Závěrečné shrnutí

Přepis

Lukáš: Většina lidí si myslí, že dvě molekuly se stejným chemickým vzorcem, stejným bodem tání a varu se musí chovat naprosto stejně. Logické, že?

Anna: Přesně tak. Jenže co když ti řeknu, že jedna z těch dvou naprosto „identických“ molekul může být lék, který zachraňuje životy, a ta druhá, její zrcadlový obraz, může způsobit vážné vrozené vady? Zní to jako sci-fi, ale je to realita.

Lukáš: Počkej, to je šílené. Jak je to vůbec možné? O tom si musíme říct víc. Posloucháte Studyfi Podcast.

Anna: Je to všechno o něčem, čemu říkáme chiralita. To je jen fancy slovo pro „leváctví“ a „praváctví“ na molekulární úrovni. Představ si svoje ruce. Jsou to zrcadlové obrazy, ale nemůžeš je dokonale překrýt. Zkus si nasadit levou rukavici na pravou ruku – nejde to.

Lukáš: Jasně, to dává smysl. Takže některé molekuly jsou jako naše ruce? Levá a pravá verze?

Anna: Přesně tak. Těmto zrcadlovým párům říkáme enantiomery. Často mají takzvaný asymetrický uhlík – to je atom uhlíku, na který jsou navázány čtyři úplně odlišné skupiny. A jak jsi říkal, mají stejné fyzikální vlastnosti… až na jednu klíčovou výjimku.

Lukáš: A to je…?

Anna: Jejich interakce s polarizovaným světlem. To je právě to, co zkoumá polarimetrie.

Lukáš: Dobře, takže jak můžeme tenhle rozdíl mezi „levou“ a „pravou“ molekulou vůbec vidět? Potřebujeme na to nějaké speciální brýle?

Anna: Skoro. Potřebujeme přístroj zvaný polarimetr. Normální světlo kmitá ve všech směrech. Ale když ho proženeme speciálním filtrem, polarizátorem, začne kmitat jen v jedné jediné rovině. A teď přichází to kouzlo.

Lukáš: Jsem napjatý…

Anna: Když tohle polarizované světlo projde roztokem chirální látky, ta látka tu rovinu kmitání pootočí. Buď doprava, nebo doleva. Jako by to světlo zatočilo na křižovatce.

Lukáš: Aha! A podle toho, kam zatočí, poznáme, jestli je to „levá“ nebo „pravá“ molekula?

Anna: Přesně! Látky, které otáčejí rovinu doprava, ve směru hodinových ručiček, označujeme jako pravotočivé, znaménkem plus. A ty, co otáčejí doleva, jsou levotočivé a mají znaménko mínus.

Lukáš: A ten úhel, o který se to světlo otočí… je vždycky stejný?

Anna: Skvělá otázka! Není. Závisí na několika věcech. Na vlnové délce světla, které použijeme – obvykle se používá specifické žluté světlo ze sodíkové výbojky. Dále na teplotě, na délce trubice s roztokem a samozřejmě na koncentraci té látky.

Lukáš: Takže čím víc molekul, tím větší otočení?

Anna: Přesně tak. Abychom mohli různé látky porovnávat, zavedla se takzvaná měrná neboli specifická otáčivost. Je to v podstatě hodnota úhlu stočení za standardizovaných podmínek. Díky tomu víme, že třeba sacharóza, náš běžný cukr, je pravotočivá s hodnotou +66,5 stupňů, zatímco cholesterol je levotočivý s hodnotou -39,5 stupňů.

Lukáš: Takže i v cukřence se mi světlo stáčí doprava. Svět je hned zajímavější.

Anna: Přesně tak to je.

Lukáš: Dobře, a co se stane, když smíchám pravotočivou a levotočivou formu jedné látky dohromady?

Anna: Když je smícháš v poměru jedna ku jedné, dostaneš něco, čemu říkáme racemát nebo racemická směs. A teď hádanka: co myslíš, že taková směs udělá s polarizovaným světlem?

Lukáš: Hmm… jestli jedna forma točí doprava a druhá o stejný úhel doleva… tak se to navzájem vyruší? Takže nic?

Anna: Bingo! Přesně tak. Racemická směs je opticky neaktivní. A to je velký problém třeba ve farmacii. Když v laboratoři syntetizuješ lék, často ti vznikne právě racemát. Ale ty potřebuješ jen tu jednu, účinnou formu.

Lukáš: Tu, která není jedovatá, ideálně.

Anna: Přesně. A oddělit je od sebe, tomu se říká štěpení racemátu, a je to docela věda. Louis Pasteur to kdysi dělal tak, že pod mikroskopem pinzetou přebíral jednotlivé krystalky, které byly svými zrcadlovými obrazy.

Lukáš: To musela být neuvěřitelná trpělivost. Dneska na to máme asi lepší metody, že?

Anna: Naštěstí ano. Používají se chemické postupy nebo enzymy, které si umí vybrat jen jeden z enantiomerů, podobně jako tvoje pravá ruka pasuje jen do pravé rukavice.

Lukáš: Existují i nějaké pokročilejší techniky než jen měření úhlu při jedné vlnové délce?

Anna: Určitě. Existuje třeba optická rotační disperze, zkráceně ORD. Tam se měří, jak se úhel otáčení mění v závislosti na vlnové délce světla. Vznikne z toho taková křivka, která je pro danou molekulu naprosto unikátní, jako otisk prstu.

Lukáš: To zní jako užitečný nástroj pro identifikaci látek.

Anna: Přesně. A s tím souvisí i cirkulární dichroismus, který měří, jak odlišně molekula pohlcuje levo- a pravotočivě polarizované světlo. Ale to už zabíháme do detailů. To nejdůležitější je si pamatovat, proč to celé děláme.

Lukáš: Kvůli tomu příkladu s lékem ze začátku?

Anna: Ano. V přírodě, v našich tělech, na chiralitě strašně záleží. Naše receptory jsou jako ty rukavice – jsou uzpůsobené jen na jeden enantiomer. Proto jeden enantiomer asparaginu chutná sladce a jeho zrcadlový obraz hořce. A proto jeden enantiomer thalidomidu léčil, zatímco druhý způsoboval tragédii.

Lukáš: Páni. Takže polarimetrie není jen nějaké abstraktní měření, ale klíčový nástroj, který nám pomáhá rozumět světu na té nejzákladnější úrovni. A doslova oddělit zrno od plev, nebo spíš lék od jedu. Děkuju, Anno, to bylo fascinující.

Anna: Rádo se stalo, Lukáši. Ale je tu ještě jedna vrstva… Ta optická otáčivost totiž není vždycky jen jedno číslo. Mění se v závislosti na vlnové délce světla, kterým vzorek prosvěcujeme.

Lukáš: Počkej, takže to není konstanta pro danou látku? To trochu komplikuje věci, ne?

Anna: Přesně tak. A právě téhle závislosti říkáme optická rotační disperze, nebo zkráceně ORD.

Lukáš: Dobře, ORD. A k čemu je nám dobré vědět, že se ta hodnota mění?

Anna: Je to neuvěřitelně užitečné. Představ si to takhle… Pokud znáš absolutní konfiguraci jedné látky, můžeš její ORD křivku porovnat s neznámou látkou. A tak určit její konfiguraci.

Lukáš: Aha! Takže je to taková… „molekulární detektivka“? Porovnávání otisků prstů molekul?

Anna: Přesně. A samozřejmě stále platí, že kladné hodnoty jsou pro látky pravotočivé a záporné pro levotočivé.

Lukáš: A kde se to reálně používá?

Anna: Všude, kde na chiralitě záleží. Třeba u sacharidů, sterolů nebo aminokyselin. Dokonce to umí odhalit i málo intenzivní absorpce v UV-VIS spektru, které jsou normálně překryté a neviditelné.

Lukáš: To zní jako superschopnost pro spektroskopii. Skoro jako rentgenové vidění pro molekuly!

Anna: Přesně tak. A právě tato technika nám pomáhá nahlédnout hlouběji do struktury látek. Ale to není jediný způsob, jak můžeme světlem zkoumat chiralitu.

Lukáš: Dobře, takže existuje víc způsobů. Jaký je ten další? Jsem opravdu napnutý!

Anna: Jmenuje se polarimetrie. Všechno to stojí na polarizaci světla. Slyšel jsi o tom někdy?

Lukáš: Matně si vzpomínám na polarizační brýle proti slunci. To s tím nějak souvisí?

Anna: Přesně! To je skvělý příklad z praxe. Běžné světlo si představ jako vlnu, která kmitá naprosto chaoticky do všech směrů.

Lukáš: Jako taková divoká, rozcuchaná vlna.

Anna: Přesně tak. A polarizátor funguje jako takový přísný vyhazovač na diskotéce. Propustí jen ty vlny, co kmitají jedním správným směrem.

Lukáš: Aha! Takže z chaosu udělá dokonalý řád. A jak takovýhle „vyhazovač“ funguje?

Anna: Často se používají speciální krystaly, třeba známý islandský vápenec. Ten má fascinující vlastnost. Když do něj světlo vstoupí, rozdělí ten paprsek na dva.

Lukáš: Počkat, jeden paprsek vejde dovnitř a dva vyjdou ven? To je nějaká optická magie?

Anna: Je to fyzika, ale působí to magicky. Jeden paprsek je „řádný“ a druhý „mimořádný“. A každý kmitá v jiné rovině, na sebe kolmé.

Lukáš: A co dál? Potřebujeme přece jen jeden.

Anna: Přesně. A proto existuje třeba Nicolův hranol. Ten je chytře seříznutý tak, aby ten řádný paprsek odrazil pryč a propustil dál jen ten mimořádný.

Lukáš: Geniální a vlastně jednoduché. A teď to nejdůležitější — jak tohle všechno souvisí s těmi našimi chirálními molekulami?

Anna: Výborná otázka. Právě tenhle jeden uspořádaný paprsek nám odhalí jejich tajemství.

Lukáš: Skvěle. Takže máme paprsek světla, který kmitá jen v jedné rovině. Jak nám to pomůže třeba… no, s konkrétní molekulou, jako je beta-sitosterol?

Anna: Přesně tam jsem mířila! Beta-sitosterol je fytosterol, v podstatě takový rostlinný cholesterol. A jeho názvosloví je kapitola sama pro sebe.

Lukáš: Jak to myslíš? Zní to docela jednoduše.

Anna: No, jeho běžný IUPAC název je Stigmast-5-en-3-beta-ol. To ještě jde, že?

Lukáš: To se ještě dá zapamatovat. Ale tuším v tom nějaký háček.

Anna: Správně tušíš. Jeho plný, systematický název zní… a teď se drž… (1R,3aS,3bS,7S,9aR,9bS,11aR)-1--9a,11a-dimethyl-2,3,3a,3b,4,6,7,8,9,9a,9b,10,11,11a-tetradecahydro-1H-cyklopentafenantren-7-ol.

Lukáš: Páni. To zní spíš jako heslo k Wi-Fi než jako název molekuly.

Anna: Přesně tak. Naštěstí mu můžeme říkat i jednodušeji, třeba 22,23-Dihydrostigmasterol nebo prostě beta-Sitosterin.

Lukáš: Takže abychom to shrnuli. Od zrcadlových obrazů našich rukou jsme se přes polarizované světlo dostali až k šíleně dlouhým názvům rostlinných sterolů.

Anna: Přesně tak. Chemie je zkrátka všude kolem nás a často je mnohem zábavnější, než se zdá na první pohled. Děkujeme, že jste poslouchali.

Lukáš: Mějte se krásně a těšíme se na vás u dalšího dílu Studyfi Podcastu!