Podcast o Stereochemia a aktywność optyczna

Přepis

Lukáš: Większość ludzi myśli, że dwie molekuły o tym samym wzorze chemicznym, tej samej temperaturze topnienia i wrzenia muszą zachowywać się absolutnie tak samo. Logiczne, prawda?

Anna: Dokładnie. Ale co jeśli ci powiem, że jedna z tych dwóch absolutnie „identycznych” molekuł może być lekiem ratującym życie, a druga, jej lustrzane odbicie, może powodować poważne wady wrodzone? Brzmi jak science fiction, ale to rzeczywistość.

Lukáš: Czekaj, to szalone. Jak to w ogóle możliwe? Musimy o tym powiedzieć więcej. Słuchacie Studyfi Podcast.

Anna: Wszystko sprowadza się do czegoś, co nazywamy chiralnością. To tylko takie wymyślne słowo na „leworęczność” i „praworęczność” na poziomie molekularnym. Wyobraź sobie swoje ręce. Są lustrzanymi odbiciami, ale nie możesz ich idealnie nałożyć na siebie. Spróbuj założyć lewą rękawiczkę na prawą rękę – nie da się.

Lukáš: Jasne, to ma sens. Czyli niektóre molekuły są jak nasze ręce? Lewa i prawa wersja?

Anna: Dokładnie tak. Te lustrzane pary nazywamy enancjomerami. Często mają tak zwany asymetryczny atom węgla – to atom węgla, do którego przyłączone są cztery zupełnie różne grupy. I jak mówiłeś, mają takie same właściwości fizyczne… z jednym kluczowym wyjątkiem.

Lukáš: A to jest…?

Anna: Ich interakcja ze światłem spolaryzowanym. To właśnie bada polarymetria.

Lukáš: Dobrze, więc jak w ogóle możemy zobaczyć tę różnicę między „lewą” a „prawą” molekułą? Potrzebujemy do tego jakichś specjalnych okularów?

Anna: Prawie. Potrzebujemy urządzenia zwanego polarymetrem. Normalne światło drga we wszystkich kierunkach. Ale kiedy przepuścimy je przez specjalny filtr, polaryzator, zaczyna drgać tylko w jednej, jedynej płaszczyźnie. I teraz nadchodzi magia.

Lukáš: Jestem w napięciu…

Anna: Kiedy to spolaryzowane światło przechodzi przez roztwór substancji chiralnej, ta substancja obraca płaszczyznę drgań. Albo w prawo, albo w lewo. Jakby to światło skręciło na skrzyżowaniu.

Lukáš: Aha! I po tym, w którą stronę skręci, poznajemy, czy to „lewa” czy „prawa” molekuła?

Anna: Dokładnie! Substancje, które obracają płaszczyznę w prawo, zgodnie z ruchem wskazówek zegara, oznaczamy jako prawoskrętne, znakiem plus. A te, które obracają w lewo, są lewoskrętne i mają znak minus.

Lukáš: A ten kąt, o jaki to światło się obróci… jest zawsze taki sam?

Anna: Świetne pytanie! Nie jest. Zależy od kilku rzeczy. Od długości fali światła, którego użyjemy – zazwyczaj używa się specyficznego żółtego światła z lampy sodowej. Dalej, od temperatury, od długości rurki z roztworem i oczywiście od stężenia tej substancji.

Lukáš: Czyli im więcej molekuł, tym większy obrót?

Anna: Dokładnie tak. Abyśmy mogli porównywać różne substancje, wprowadzono tak zwaną skręcalność właściwą. Jest to w zasadzie wartość kąta skręcenia w standaryzowanych warunkach. Dzięki temu wiemy, że na przykład sacharoza, nasz zwykły cukier, jest prawoskrętna z wartością +66,5 stopnia, podczas gdy cholesterol jest lewoskrętny z wartością -39,5 stopnia.

Lukáš: Czyli nawet w cukierniczce światło skręca mi w prawo. Świat od razu staje się ciekawszy.

Anna: Dokładnie tak jest.

Lukáš: Dobrze, a co się stanie, gdy zmieszam prawoskrętną i lewoskrętną formę jednej substancji razem?

Anna: Kiedy zmieszasz je w stosunku jeden do jednego, otrzymasz coś, co nazywamy racematem lub mieszaniną racemiczną. A teraz zagadka: co myślisz, że taka mieszanina zrobi ze światłem spolaryzowanym?

Lukáš: Hmm… jeśli jedna forma skręca w prawo, a druga o ten sam kąt w lewo… to się wzajemnie zniesie? Czyli nic?

Anna: Bingo! Dokładnie tak. Mieszanina racemiczna jest optycznie nieaktywna. A to jest duży problem na przykład w farmacji. Kiedy w laboratorium syntetyzujesz lek, często powstaje właśnie racemat. Ale ty potrzebujesz tylko tej jednej, skutecznej formy.

Lukáš: Tę, która nie jest trująca, najlepiej.

Anna: Dokładnie. A oddzielenie ich od siebie, to nazywamy rozdzielaniem racematu, i to jest całkiem nauka. Louis Pasteur kiedyś robił to tak, że pod mikroskopem pęsetą wybierał pojedyncze kryształki, które były swoimi lustrzanymi odbiciami.

Lukáš: To musiała być niewiarygodna cierpliwość. Dzisiaj mamy na to chyba lepsze metody, prawda?

Anna: Na szczęście tak. Używa się chemicznych procesów lub enzymów, które potrafią wybrać tylko jeden z enancjomerów, podobnie jak twoja prawa ręka pasuje tylko do prawej rękawiczki.

Lukáš: Czy istnieją też jakieś bardziej zaawansowane techniki niż tylko mierzenie kąta przy jednej długości fali?

Anna: Oczywiście. Istnieje na przykład optyczna dyspersja rotacyjna, w skrócie ORD. Tam mierzy się, jak kąt obrotu zmienia się w zależności od długości fali światła. Powstaje z tego taka krzywa, która jest dla danej molekuły absolutnie unikalna, jak odcisk palca.

Lukáš: To brzmi jak przydatne narzędzie do identyfikacji substancji.

Anna: Dokładnie. A z tym wiąże się też dichroizm kołowy, który mierzy, jak odmiennie molekuła pochłania lewo- i prawoskrętne światło spolaryzowane. Ale to już wchodzimy w szczegóły. Najważniejsze jest pamiętać, dlaczego to wszystko robimy.

Lukáš: Z powodu tego przykładu z lekiem z początku?

Anna: Tak. W naturze, w naszych ciałach, chiralność ma ogromne znaczenie. Nasze receptory są jak te rękawiczki – są przystosowane tylko do jednego enancjomeru. Dlatego jeden enancjomer asparaginy smakuje słodko, a jego lustrzane odbicie gorzko. I dlatego jeden enancjomer talidomidu leczył, podczas gdy drugi powodował tragedię.

Lukáš: Wow. Czyli polarymetria to nie tylko jakieś abstrakcyjne mierzenie, ale kluczowe narzędzie, które pomaga nam rozumieć świat na tym najbardziej podstawowym poziomie. I dosłownie oddzielić ziarno od plew, a raczej lek od trucizny. Dziękuję, Anno, to było fascynujące.

Anna: Cała przyjemność po mojej stronie, Łukaszu. Ale jest tu jeszcze jedna warstwa… Ta skręcalność optyczna bowiem nie zawsze jest tylko jedną liczbą. Zmienia się w zależności od długości fali światła, którym naświetlamy próbkę.

Lukáš: Czekaj, czyli to nie jest stała dla danej substancji? To trochę komplikuje sprawy, prawda?

Anna: Dokładnie tak. I właśnie tę zależność nazywamy optyczną dyspersją rotacyjną, lub w skrócie ORD.

Lukáš: Dobrze, ORD. A do czego nam się przydaje wiedza, że ta wartość się zmienia?

Anna: To jest niewiarygodnie przydatne. Wyobraź sobie to tak… Jeśli znasz absolutną konfigurację jednej substancji, możesz jej krzywą ORD porównać z nieznaną substancją. I w ten sposób określić jej konfigurację.

Lukáš: Aha! Czyli to taka… „molekularna detektywistka”? Porównywanie odcisków palców molekuł?

Anna: Dokładnie. I oczywiście nadal obowiązuje, że wartości dodatnie są dla substancji prawoskrętnych, a ujemne dla lewoskrętnych.

Lukáš: A gdzie to się realnie wykorzystuje?

Anna: Wszędzie tam, gdzie chiralność ma znaczenie. Na przykład w przypadku sacharydów, steroli czy aminokwasów. Potrafi nawet wykryć mało intensywne absorpcje w widmie UV-VIS, które są normalnie zakryte i niewidoczne.

Lukáš: To brzmi jak supermoc dla spektroskopii. Prawie jak rentgenowe widzenie dla molekuł!

Anna: Dokładnie tak. I właśnie ta technika pomaga nam zajrzeć głębiej w strukturę substancji. Ale to nie jedyny sposób, w jaki możemy badać chiralność światłem.

Lukáš: Dobrze, czyli istnieje więcej sposobów. Jaki jest ten kolejny? Jestem naprawdę w napięciu!

Anna: Nazywa się polarymetria. Wszystko opiera się na polaryzacji światła. Słyszałeś o tym kiedyś?

Lukáš: Matnie pamiętam okulary polaryzacyjne przeciwsłoneczne. To jakoś z tym się wiąże?

Anna: Dokładnie! To świetny przykład z praktyki. Zwykłe światło wyobraź sobie jako falę, która drga absolutnie chaotycznie we wszystkich kierunkach.

Lukáš: Jak taka dzika, rozczochrana fala.

Anna: Dokładnie tak. A polaryzator działa jak taki surowy bramkarz na dyskotece. Przepuści tylko te fale, które drgają w jednym właściwym kierunku.

Lukáš: Aha! Czyli z chaosu zrobi idealny porządek. A jak taki „bramkarz” działa?

Anna: Często używa się specjalnych kryształów, na przykład znanego szpatu islandzkiego. Ma on fascynującą właściwość. Kiedy światło do niego wchodzi, dzieli ten promień na dwa.

Lukáš: Czekaj, jeden promień wchodzi do środka, a dwa wychodzą? To jakaś optyczna magia?

Anna: To fizyka, ale działa magicznie. Jeden promień jest „zwyczajny”, a drugi „nadzwyczajny”. I każdy drga w innej płaszczyźnie, prostopadłej do siebie.

Lukáš: A co dalej? Przecież potrzebujemy tylko jednego.

Anna: Dokładnie. I dlatego istnieje na przykład pryzmat Nicola. Jest sprytnie przycięty tak, aby ten zwyczajny promień odbić, a przepuścić dalej tylko ten nadzwyczajny.

Lukáš: Genialne i właściwie proste. A teraz najważniejsze — jak to wszystko wiąże się z tymi naszymi chiralnymi molekułami?

Anna: Doskonałe pytanie. Właśnie ten jeden uporządkowany promień odkryje nam ich tajemnicę.

Lukáš: Świetnie. Czyli mamy promień światła, który drga tylko w jednej płaszczyźnie. Jak nam to pomoże na przykład… no, z konkretną molekułą, taką jak beta-sitosterol?

Anna: Dokładnie tam zmierzałam! Beta-sitosterol to fitosterol, w zasadzie taki roślinny cholesterol. A jego nazewnictwo to rozdział sam w sobie.

Lukáš: Jak to rozumiesz? Brzmi to całkiem prosto.

Anna: Cóż, jego zwykła nazwa IUPAC to Stigmast-5-en-3-beta-ol. To jeszcze ujdzie, prawda?

Lukáš: To jeszcze da się zapamiętać. Ale wyczuwam w tym jakiś haczyk.

Anna: Dokładnie tak. Jego pełna, systematyczna nazwa brzmi… a teraz się trzymaj… (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: Wow. To brzmi raczej jak hasło do Wi-Fi niż nazwa molekuły.

Anna: Dokładnie tak. Na szczęście możemy go nazywać też prościej, na przykład 22,23-Dihydrostigmasterol albo po prostu beta-Sitosteryna.

Lukáš: Czyli podsumowując. Od lustrzanych odbić naszych rąk, przez spolaryzowane światło, dotarliśmy aż do szalenie długich nazw roślinnych steroli.

Anna: Dokładnie tak. Chemia jest po prostu wszędzie wokół nas i często jest o wiele zabawniejsza, niż się wydaje na pierwszy rzut oka. Dziękujemy, że słuchaliście.

Lukáš: Trzymajcie się pięknie i czekamy na was w kolejnym odcinku Studyfi Podcastu!