1. ábra. Természetes kvarckristályok
A kvarckristályok beható
morfológiai vizsgálata során figyelte meg René Just Haüy francia krisztallográfus
(1743–1822) 1815-ben, hogy egyik végükön gyakran további, egymáshoz hasonló
alakzatok is kialakulnak (2. ábra), de ezek esetenként a kristály
hossztengelyéhez képest vagy csak jobbra, vagy csak balra helyezkednek
el (inklináció), és emiatt az ilyen kristályoknak nincs geometriai szimmetriatengelye.
Ha két ilyen, egyébként azonos méretekkel bíró kristályt – az egyik balra,
a másik jobbra mutat inklinációt – egymás mögé helyeznénk, azt tapasztalnánk,
hogy a megfelelő lapok, élek és csúcsok csak egy része kerülhet egymással
„fedő” helyzetbe, bárhogyan is forgatjuk ezeket az alakzatokat. Az ilyen
kristályformákat görög szóval hemiédernek nevezik. Lényegében hasonló dolgot
figyelhetnénk meg, ha a jobb, illetve bal kezünket próbálnánk egymással
„fedésbe hozni”, valamint minden más olyan esetben, ahol a megfelelő tárgyaknak
nincs belső szimmetriaeleme (szimmetriasík, -tengely vagy -központ). Könnyen
belátható, hogy ezek a tárgyak egymással tükörképi viszonyban állnak, de
úgynevezett „nem identikus” tükörképek, mert a tárgy és tükörképe a fentiek
szerint nem hozható egymást fedő helyzetbe (3. ábra).
 |
 |
| 2. ábra. Hemiéderek, amelyek nem hozhatók fedésbe | 3. ábra. Jobb kéz – bal kéz: nem identikus tükörképek |
Nagyon fontos a továbbiak
szempontjából François Arago (1780–1853) francia fizikus (4. ábra)
korábbi felfedezése (1810), mely szerint egy kvarcprizmán áthaladó, síkban
polarizált fény rezgési síkja a prizmából kilépve bizonyos szöggel elfordul
(optikai forgatóképesség, illetve optikai aktivitás). Ebből kiindulva Jean-Baptiste
Biot (5. ábra) francia fizikus (1774–1862) 1815-ben azt találta,
hogy a kvarckristályokat hossztengelyükhöz képest bizonyos szöggel elhasítva,
a keletkezett darabok közül a polarizáció síkját egyesek jobbra, mások
balra forgatják el. Röviddel ezután J. W. F. Herschel angol fizikus (1792–1871)
azt is megállapította (1822), hogy a forgatás iránya a hemiéderek azonos
irányú inklinációja esetében mindig azonos.
 |
 |
| 4. ábra. François Arago | 5. ábra. Jean-Baptiste Biot |
Történetünk szempontjából kiemelkedő jelentőségű Biot 1815-ben végzett kísérlete, mely szerint egyes természetes anyagok (répacukor, kámfor, borkősav stb.) oldatai is mutatnak optikai aktivitást, sőt a folyadékok (terpentin) ebben a halmazállapotban is. Mivel optikai forgatóképességet korábban csak a szilárd állapotú kvarc esetében tapasztaltak, Biot rögtön felismerte, hogy ennek eredendő oka az említett két esetben nem lehet ugyanaz. Ezért a jelenséget folyadékfázisban is mutató anyagokat „molekulárisan aktív” vegyületeknek nevezte el, ily módon is utalva az optikai aktivitás valószínű eredetére. A borkősav és több más vegyület esetében az optikai forgatóképesség iránya az óramutató járásával megegyező volt, azaz „jobbfelé” mutatott. Ezt később (+) vagy d szimbólumokkal, az ellenkező irányút (–), illetve l rövidítéssel jelölték a kémiai nevek előtt (a betűk a megfelelő irányok latin nevének kezdőbetűi).
Az események folyamatába a bor – a borkősav révén – ekkor kapcsolódik be, de nemsokára, mint látni fogjuk, további és rendkívül fontos ismeretek forrása lesz.
A természetes borkősavat (akkor még csak ezt ismerték) ugyanis a must szeszes erjedése során keletkező „borkő”-ből nyerték, amely a folyamat során a hordók falára rakódik le. Ez később a borkősav „savanyú” káliumsójának (kálium-hidrogén-tartarát) bizonyult.
Egy ilyen, üzemi méretekben végzett eljárás során, 1820-ban azt tapasztalták (egyetlen alkalommal és később sem kiderített okból), hogy a kapott anyag kémiai tulajdonságai alapján ugyan nagyon hasonlít a borkősavhoz, de optikai forgatóképességet nem mutat. A rejtély kiderítésébe a kor több nagy hírű kémikusa is bekapcsolódott, így a francia Jean Louis Gay-Lussac és a svéd Jöns Jacob Berzelius. Előbbi az anyagot a szőlőfürt latin nevéből (racemus) „racém sav”-nak, utóbbi „paraborkősav”-nak nevezte, de eredményre ők sem jutottak.
A megoldást egy 26 éves, akkor még alig ismert francia vegyész, Louis Pasteur (1822–1895), a későbbiekben világhírt szerzett bakteriológus és immunológus (6. ábra) találta meg 1848-ban, egy különleges kísérletsorozat tanulságai alapján.
6. ábra. Louis Pasteur
Pasteur kísérleteinek tárgyát a természetes (+)-borkősavból, illetve a „racém sav”-ból előállított nátrium-ammónium-só (ún. kettős só) vizsgálata képezte, és az alábbiakat állapította meg. 1. A (+)-borkősav sója hemiéderes formákban kristályosodik. 2. A „racém sav” sójának kristályai között – az anyagot 27 °C fok alatt, tömény oldatból kristályosítva – két különböző hemiéderes forma található, melyek nem identikus tükörképi viszonyban állnak egymással. 3. Az egyes formák mechanikusan (nagyító és csipesz segítségével) szétválogathatók. 4. A kristálykeverék közel 1:1 arányban tartalmazza az egyes alakokat, és ezek egyenlő koncentrációjú oldatai azonos kísérleti körülmények között számszerűleg azonos, de egymással ellentétes irányú optikai forgatóképességet mutatnak. 5. A „racém sav” (+)-sójából a természetes (+)-borkősav szabadítható fel. 6. A „racém sav” (–)-sójából egy olyan „borkősav” állítható elő, amely (–) irányba forgat, de minden más tekintetben azonos a természetes borkősavval. 7. A szétválogatott kristályok pontosan 1:1 tömegarányú elegye oldatban optikailag inaktív. Ezek szerint a „racém sav” olyan kristálykeverék, melyben egyedileg a természetes jobbra forgató és az eddig nem ismert (–)-borkősav 1:1 arányban van jelen. Az, hogy mindkét forma molekulárisan is mutat optikai aktivitást (egymással azonos nagyságút, de ellenkező irányút), Pasteur zseniális megsejtése szerint a „molekuláris disszimmetria” következménye: a két molekula egymáshoz való térbeli viszonya a „nem identikus” tükörképek térbeli felépítésének felel meg. Az ilyen molekulákat napjainkban görög szóval egymás enantiomerjeinek nevezik.
Tanulságos és megható, ahogy Pasteur emlékirataiban leírja a fenti kísérlet napjának további eseményeit. A munkát befejezve rendkívüli izgalom fogta el, és azonnal tájékoztatta főnökét, a már említett J. P. Biot professzort az eredményekről, aki azt kérte, ismételjék meg azonnal az ő jelenlétében az egész kísérletet, és ebben a 74 éves, már nagyon rosszul látó agg tudós rendkívüli erőfeszítéssel maga is tevékenyen részt vett. Az eredmény ezúttal is ugyanaz volt. Biot ekkor könnyes szemmel megszorította tanítványa kezét és azt mondta: „Kedves fiam, én egész életemben nagyon boldogan műveltem a tudományt, de ez most határtalan örömmel tölt el.”
A leírtak nemcsak a különböző borkősavak bizonyos kristály- és molekulaszerkezeti sajátságaira adtak felvilágosítást, hanem igen fontos általános következtetésekre is feljogosítottak. Például arra, hogy oldatban (illetve folyadékként vagy gázfázisban) optikai aktivitást mutató vegyületeknek mindig létezhet disszimmetrikus tükörképi megfelelője (mai szóhasználattal enantiomerje) függetlenül attól, hogy megtalálták-e már, avagy sem. Mivel akkoriban az ismert „molekulárisan aktív” vegyületek mind növényi eredetűek voltak, és enantiomerjük a növényben lezajló, térbelileg meghatározott (ún. sztereospecifikus) biokémiai folyamatok következtében nem keletkezett, további, a borkősavhoz hasonló eseteket sokáig nem is találtak.
Miután a „racém sav” rejtélye nagyrészt megoldódott és a sztereokémia néhány elemi fogalma is tisztázódni látszott, Pasteur az említett borkősavak további vizsgálata révén rövidesen újabb, rendkívül fontos eredményekre jutott. 1853-ban a racém borkősav enantiomerjeinek szétválasztását kémiai módszerrel is megoldotta úgy, hogy az enantiomereket a természetben előforduló (+)-kinotoxin bázissal reagáltatva a vizes oldatból kivált sóból a (+)-borkősavat, az oldatban maradt másik sóból a (–)-borkősavat különítette el. Az önmagában is értékes eljárás jelentőségét azonban sokszorosan meghaladta annak a felismerése, hogy miként lehet racém savak, illetve bázisok két enantiomerjét kémiai úton megkülönböztetni, illetve ezeket egymástól elválasztani. Ezenkívül, a racém borkősav nátrium-ammónium-sójnak fermentácóját vizsgálva, Pasteur megállapította (1857), hogy a sóból bizonyos körülmények között (adott hőmérsékleten és megfelelő savasságnál) egyes fermentlevek hatására a természetes (+)-borkősavnak megfelelő rész teljesen elbomlik, míg a (–)-forma változatlan marad. Kísérletét 1860-ban természetes (+)-borkősavval és a sörélesztő vízben oldható részével megismételve (ez főként a Penicillium glaucum elnevezésű élesztőgombát tartalmazza) lényegében hasonló eredményre jutott. Felfedezése a biológiai enantioszelektivitás kifejezéssel illethető és az eljárás általánosíthatóságán túlmenően kiindulópontot jelent a molekuláris disszimmetria rendkívül fontos biológiai vonatkozásainak (enzimreakciók az élő szervezetben; gyógyszermolekulák enantiomerjeinek egymástól eltérő biológiai hatásai stb.) megismerésében.
7. ábra. Jacobus Henricus van’t Hoff
Rendkívüli jelentőségű a sztereokémia történetében a holland J. H. van’t Hoff (1852–1911) (7. ábra) és a francia J. A. Le Bel (1847–1930) munkássága, akik egymástól függetlenül, és csaknem egy időben (1874) molekulamodellek vizsgálata révén elméleti magyarázatát adták a szénvegyületek esetében észlelt molekuláris disszimetriának. Eszerint, ha egy molekulán belül egy szénatomhoz négy, egymástól különböző szubsztituens (atom vagy atomcsoport) kapcsolódik, ezek a térben kétféle elrendezésben („konfigurációban”) vehetik körül a szénatomot, ha utóbbi egy képzeletbeli tetraéder középpontjában, a szubsztituensek pedig annak csúcsain helyezkednek el („a szénatom tetraéderes térorientációja”). A két elrendezés egymáshoz való viszonya olyan, mint a nem identikus tükörképeké, ily módon ezek egymás enantiomerjei (8. ábra). Ha az egyikben bármely két szubsztituens helyzetét egymással felcseréljük, a másik enantiomerhez jutunk. A jelenséget optikai izomériának, az enantiomereket optikai izomereknek is nevezik.
8. ábra. a-Aminosavak optikai izomériája
Noha a fent leírt elképzelés az addigi tapasztalatokkal igen jó összhangban volt, és semmi nem szólt ellene, egyesek eleinte bizonyos ellenérzéssel fogadták, mivel megfelelő szerkezetvizsgáló módszerek hiányában közvetlenül nem volt bizonyítva.
9. ábra. Emil Fischer
A „molekuláris disszimmetria” kifejezés helyett 1893-ban William Thomson (1827–1907) angol fizikus a molekuláris kiralitás elnevezést javasolta, amelyben a kiralitás a görög kheir (kéz) szó alapján azt fejezi ki, hogy az ilyen molekuláknak elvileg mindig van nem identikus tükörképi párja csakúgy, mint ahogy a jobb, illetve bal kezünk egymásnak ilyen jellegű tükörképei, s így ezek egymást fedő helyzetbe semmiképp nem hozhatók. Napjainkban az ilyen esetekre már csak a „kiralitás” kifejezést használják.
A tetraéderes modellből az is következik, hogy vegyületenként n kiralitáscentrum esetén 2n a csak kiralitásukban eltérő sztereoizomerek lehetséges száma. De honnan lehetne megtudni, hogy adott esetben mik a valóságos konfigurációk? Erre akkoriban még nem lehetett válaszolni, de Emil Fischer (9. ábra) német kémikus (1852–1919) egy zseniális ötlete révén meg lehetett közelíteni. Fischer a több kiralitáscentrumot tartalmazó egyszerű cukrok térszerkezetének jellemzésére bevezette a relatív konfiguráció fogalmát (1891), amelynek segítségével az egyes konfigurációkat a (+)-glicerinaldehid egyik lehetséges konfigurációjára („D”-glicerinaldehid) vonatkoztatta (10. ábra). A D-glicerinaldehidnek az így felírt térszerkezete önkényes választás volt két lehetséges eset közül, úgy is mondhatnánk, konvenció: „tekintsük egyelőre ilyennek”. Az anyagból kiindulva E. Fischer további királis vegyületeket szintetizált oly módon, hogy az alkalmazott kémiai reakciók a már meglévő konfigurációkat nem változtatták meg. Így állított elő például (–)-tejsavat, és bizonyossággal állíthatta, hogy e két vegyületben a konfiguráció azonos. Hasonló elven szintetizált 4–6 szénatomos, több kiralitáscentrumot tartalmazó egyszerű cukrokat, és ezekben az aszimmetrikus szénatomok konfigurációját („D” vagy „L”) a mért optikai aktivitások és egyéb megfigyelések alapján a D-(+)-glicerinaldehid feltételezett konfigurációjára vonatkoztatva már meg lehetett adni. Az így kapott „relatív konfigurációk” egymáshoz képest helyesek voltak ugyan, de a viszonyítási alap önkényesen megválasztott térszerkezete miatt a tükörképi formák lehetőségét is magukban foglalták. A későbbiekben kiderült azonban, hogy ezek a valóságnak megfelelően írják le a szubsztituensek térbeli helyzetét, mivel a viszonyítási alap térszerkezetének önkényes megválasztása – szerencsés módon – helyes volt. E. Fischer sztereokémiai munkássága óriási mértékben segítette elő e szakterület további fejlődését, melyet az 1902-ben kapott Nobel-díja is elismert.
10. ábra. D-(+)-glicerinaldehid.
Több aszimmetrikus szénatom és bonyolultabb szerkezetek esetében viszont sok királis vegyületet a relatív konfigurációk szerint már nem lehetett elnevezni. Ezért javasolta 1956-ban Robert S. Cahn (1889–1981) angol, Christopher K. Ingold (1893–1970) angol és Vladimir Prelog (1906–2001) svájci kémikus az abszolút konfiguráció fogalmának bevezetését, melynek révén bizonyos szabályok szisztematikus alkalmazásával („CIP-konvenciók”) adott szubsztituensek esetén egyértelműen megadható, melyik térszerkezetet hogyan nevezzük el („R” vagy „S” konfiguráció). Ez egy molekulán belül a szubsztituensek képletéből kiindulva (első közelítésben a kiralitáscentrumhoz közvetlenül kapcsolódó atomok rendszáma alapján), valamint néhány további szabály szisztematikus alkalmazásával valamennyi kiralitáscentrumra külön-külön egyértelműen definiálható. Ez nem jelent más vegyületre vonatkozó viszonyítást, és sem az optikai forgatóképesség irányával, sem a relatív konfigurációval nincs közvetlen kapcsolatban. Továbbá, olyan esetekre is kiterjeszthető, amelyekben a molekula kiralitását nem (vagy nem csak) aszimmetriacentrum okozza. Noha az abszolút konfigurációkat alkalmazó nevezéktan a szakirodalomban régóta elfogadott (csak az aminosavak és szénhidrátok, valamint ezek származékai esetében használatosak még a korábbi, relatív konfiguráción alapuló elnevezések), jelentőségét kiváló kémikusok is csak viszonylag lassan ismerték fel. Ezt illetően jegyezte le a szerzők egyike, V. Prelog az alábbi kis történetet. Egy alkalommal a zürichi repülőtéren véletlenül összetalálkozott a világhírű angol szerves kémikussal, Robert Robinsonnal, aki csípős megjegyzéseiről és ellenállhatatlan humoráról is híres volt. A két Nobel-díjas beszélgetése így folyt le. Robinson: Helló, Katchalsky (...), maga mi járatban van Zürichben? Prelog: Sir Robinson, az én nevem Prelog, és én itt élek. Robinson: Oh, persze... Nos, kedves Prelog, a maguk elképzelése az abszolút konfigurációk leírásáról, az bizony teljesen hibás. Prelog: Sir Robinson, ez csak egy konvenció, ez nem lehet hibás. Vagy elfogadja, vagy nem. Ha igen, egyértelműen el tudja nevezni a sztereoizomer vegyületeket. Robinson: Jó, rendben van. De ha nem hibás, akkor viszont abszolút felesleges...
| L-(+); [2R,3R] | D-(–); [2S,3S] | mezo-borkősav (nem királis) |
11. ábra. Sztereoizomer borkősavak
A különböző borkősavak térbeli felépítését, Fischer-projekcióját, valamint a CIP-konvenció szerinti jelölését a 11. ábrán láthatjuk. Eszerint létezik még egy további térbeli izomer, az ún. mezo-borkősav. Ez a molekula a két aszimmetriacentrum ellenére sem királis, mert belső szimmetriasíkja van, és ennek megfelelően optikai forgatóképességet sem mutat. A természetes borkősav itt ábrázolt térbeli felépítését azonban teljes bizonyossággal csak 1951-ben sikerült igazolnia egy holland kutatócsoportnak (J. M. Bijvoet és munkatársai) a korábban ismert, röntgensugarak kristályokon történő szóródásán alapuló eljárás (W. H. Bragg és W. L. Bragg; 1913) továbbfejlesztése révén. Ez az eljárás ugyanis közvetlenül nem alkalmas abszolút konfigurációk megkülönböztetésére.
Témánkhoz tartozik még, hogy aszimmetriacentrum nemcsak szén, hanem más atom, így Si, P, Ge, Sn és bizonyos vegyületekben S és N is lehet. Ezekben a szubsztituensek esetenként nem tetraéderes, hanem egyéb geometriai alakzatokban helyezkednek el az aszimmetriacentrum körül. Kiralitás akkor is létrejöhet, ha egy molekula elemei a térben „hélix” formájában helyezkednek el (úgy is mondhatnánk, csavarvonal mentén), mert az ilyen felépítés is disszimmetrikus. Ilyen például a „kettős csavar” jellegű dezoxiribonukleinsav (DNS), az „örökítőanyag” esete (12. ábra). Ebben a molekula kiralitását nemcsak az önmagukban is királis dezoxiribofuranóz-egységek, hanem a helikális felépítés együttesen eredményezik. Mivel az eredeti közlemény szerint (Watson és Crick, 1953) mindkét hélix a csavarodás irányát tekintve „jobbmenetes”, nehezen érthető, miért egy balmenetes DNS-szakasz síkra vetített képe került a bélyegre. Annál kevésbé, mivel ezt a formát csak sokkal később fedezték fel... A molekuláris kiralitás további lehetőségeire a szakirodalomban számos példát találhatunk.
12. ábra. DNS
Olvasóinkban felmerülhet,
nem voltak-e szerencsés mozzanatok az ismertetett események némelyike során.
Ilyenek valóban voltak (például a racém borkősav nátrium-ammónium-sója
két enantiomorfra történő szétkristályosodása szobahőmérsékleten), de a
kísérletek megtervezéséhez és végrehajtásához, az eredmények szakszerű
értelmezéséhez, illetve további következtetések levonásához már kiemelkedő
szellemi teljesítményre volt szükség. Így, a véletlenek szerepét a kutatásban
sem lebecsülve, magunkévá tehetjük Pasteur gyakran idézett gondolatát:
„a szerencse azokat kedveli, akik felkészülten várják”. És ezentúl a jól
ismert közmondás („borban az igazság”) tudományos alapjait illetően se
legyenek kételyeink...
JEGYZETEK
Kajtár, M.: Változatok négy
elemre. Szerves Kémia, 1., 2. kötet. Gondolat Kiadó, Budapest, 1984.
Bijvoet, J. M., Peerdeman,
A. F., and van Bommel, A. J.: Nature, 168, 271–272. (1951)
Cahn, R. S., Ingold, C.
K. and Prelog, V.: Experientia, 12, 81–94. (1956)
Gal, J.: The Discovery of
Biological Enantioselctivity: Louis Pasteur and the Fermentation of Tartariric
Acid, 1857 – A Review and Analysis 150 Years Later, Chirality, 20, 5–19.
(2008)
| Természet Világa, | 140. évfolyam, 10. szám,
2009. október
https://www.termvil.hu/ https://www.chemonet.hu/TermVil/ |