Jak to jest z tą izomerią optyczną? Cz. I.

Czyli o enancjomerach i diastereoizomerach

 

Od wielu lat w programie szkolnym uczy się o zjawisku izomerii optycznej. Z własnego doświadczenia pamiętam, jakim problem było dla mnie zrozumieć istotę tego zjawiska i jak te lekcje zamiast pomóc mi to zrozumieć, tylko wprowadziły sporo mętliku w głowie. Czymże tak naprawdę jest ta tajemnicza izomeria? Czy mamy z nią do czynienia na co dzień? Czy izomery optyczne to różne związki czy jeden związek? W artykule tym postaram się wyjaśnić to wszystko, czego mnie zabrakło w szkole średniej. Język jego spróbuję dopasować dla mniej zaawansowanych osób. Jednakże aby dobrze zrozumieć tekst, polecam samodzielne wykonanie pewnych prostych ćwiczeń a jeśli jest możliwość, to budowę modeli cząsteczek.

W wieku XIX, wieku pary oraz narodzin nowoczesnej nauki, powstały podwaliny dzisiejszej chemii, fizyki, biologii i innych dziedzin, których rozwój zapewnił szybką poprawę jakości życia ludzkości i dały nam wiele współczesnych udogodnień. Ówcześni chemicy organicy zaczęli opanowywać reakcje chemiczne, przekształcając jedne związki organiczne w drugie, budować całkiem nowe a nawet wykorzystując dostępne materiały naturalne, np. liście kawy, nauczyli się izolować związki naturalne, np. kofeinę,a później opracowywać laboratoryjne metody otrzymywania tych związków naturalnych, których strukturę już znali. Określenie dokładnej struktury związku organicznego, otrzymanego np. z materiału roślinnego, np. wspomnianej kofeiny z kawy czy herbaty było dużym wyzwaniem. Aby określić strukturę związku potrzeba było zespołu ludzi, którzy przez wiele tygodni, a czasem nawet przez kilka lat za pomocą różnych eksperymentów, polegających głównie na przekształcaniu związku w inny i wyciąganiu logicznych wniosków z zachodzących reakcji. Równocześnie rozwijały się teorie o budowie materii, a z czasem organicy otrzymali model atomu węgla, dowiedzieli się, że jest czterowartościowy itp. Nie brano wtedy jeszcze pod uwagę budowy przestrzennej cząsteczki, a wzory strukturalne rozpatrywano „na kartce”, czyli na płasko. Do związków organicznych o wcześnie ustalonej strukturze należał np. kwas winowy.

 

Rys. 1. Wzór strukturalny kwasu winowego „na płasko”, ale uwzględniający kąty pomiędzy wiązaniami C-C

Kwas winowy był otrzymywany początkowo z kamienia winnego, tj. wodorowinianu potasu. Sól ta osadza się w naczyniach podczas fermentacji jak i klarowania wina. Jeśli sami robiliśmy wino z winogron, to jest możliwe, że sami widzieliśmy kryształy, które nawet w gotowym winie mogą się pojawić. Jest to nieskomplikowany związek organiczny, więc dość szybko chemicy odkryli jego strukturę i nauczyli się otrzymywać w laboratorium za pomocą znanych już reakcji. Jednakże pojawiła się kolejna zagadka: liczne związki organiczne, które wyizolowali np. z roślin skręcały płaszczyznę światła spolaryzowanego, skoro naturalny kwas winowy skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo, to dlaczego ten otrzymany w wyniku reakcji chemicznych w laboratorium już nie? Czym naturalny kwas winowy różni się od syntetycznego? I tutaj na długo pies był pogrzebany, a chemicy mieli twardy orzech do zgryzienia. Dodatkowo taki sam wzór strukturalny posiada kwas gronowy, który także nie wykazuje zdolności skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Jeden wzór strukturalny, a skąd miedzy nimi różnice?

 

W latach 40-stych XIX stulecia młody chemik Ludwik Pasteur zajmował się głównie kryształami. Obserwując pod lupą kryształy gronianu amonowo-sodowego (czyli soli kwasu gronowego) zauważył, że nie posiadają one płaszczyzny symetrii oraz, że jedne są odbiciami lustrzanymi drugich, przy czym są one nieidentyczne i nie pozwalają się nałożyć na siebie.

Rys. 2. lustrzane formy krysztaliczne soli amonowo-sodowej kwasu gronowego

 

Przy pomocy pęsety rozdzielił pojedyncze kryształki od siebie i stwierdził, że roztwory wodne jednej z tych form skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo, podczas gdy drugiej formy w lewo o tę samą wartość, a jeśli zmieszać ze sobą równe ilości kryształów tych 2 form, to powstały roztwór nie wykazuje czynności optycznej. Zatem kwas gronowy jest mieszaniną pół na pół tego samego związku, czyli kwasu winowego, ale w 2 odmianach, z których jedna jest prawoskrętna, a druga lewoskrętna. Pasteur jako pierwszy wprowadził pojęcie chiralności w stosunku do cząsteczek. Z pewnych powodów, do struktury kwasu winowego będziemy jeszcze wracać w dalszych częściach tego artykułu.

 

Słowo chiralność oznacza brak identyczności danego ciała z jego odbiciem lustrzanym. Greckie Chiros oznacza rękę i nazwa ta ma swoje uzasadnienie, gdyż ręka także jest nienakładalna ze swoim odbiciem lustrzanym. Sami sprawdźmy: lustro jest płaszczyzną symetrii, obserwując lewą dłoń w lustrze otrzymamy dokładny wygląd dłoni prawej, ale lewa dłoń nie jest tym samym co prawa. Wyciągając dłonie przed siebie, kciukami zwróconymi do środka, możemy umieścić płaszczyznę symetrii, czyli wirtualne lustro, pomiędzy nimi, gdyż lewa wygląda jak odbicie lustrzane prawej, jednak gdy zaczniemy zbliżać je do siebie, to się na siebie nie nałożą, po zewnętrznych stronach będą wystawać kciuki, pozatym pozostałe palce także nie nałożą się na siebie. Oczywiście da się na siebie nałożyć dłonie tak, by się z pozoru pokryły, np. spodem do spodu, ale wtedy także zauważymy, że jednej nie pokryjemy z drugą. Tak samo chiralne są nasze buty i wiele przedmiotów codziennego użytku, tak jak nas już uczono o tym w szkole. Rakieta tenisowa posiada płaszczyznę symetrii, czyli nie jest chiralna i można nią grać zarówno lewą jak i prawą ręką, podczas gdy kij golfowy nie posiada płaszczyzny symetrii więc jest chiralny, co w praktyce oznacza, że jeśli jeden kij trzymamy w prawej ręce podczas gry, to jego lustrzane odbicie nadaje się do gry wyłącznie lewą ręką. Istotnie są kluby golfowe zarówno dla praworęcznych jak i mańkutów.

Czy zawsze przykładano do tego uwagę? Okazuje się, że nie. Artyści w starożytnym Egipcie malowali ludzi z profilu, z dwoma lewymi lub dwoma prawymi rękami, analogicznie ze stopami. Czy starożytni rzeczywiście mieli dwie lewe ręce? Cokolwiek wątpliwe, raczej malarze nie zwracali uwagi na takie detale. Bądź co bądź, niektórzy dwie lewe ręce podobno posiadają.

Rys. 3. Malowidło staroegipskie, zwróć uwagę na dłonie i stopy (źródło: http://1.bp.blogspot.com/_i9hV1QdCjkk/TNrQ2a0aQFI/AAAAAAAAAAU/OhUTZNQfNH8/s1600/z%25252Begyptian5big.jpg )

Po tym wstępie wróćmy jednak do poziomu cząsteczek. Od czasów Pasteura wzory strukturalne nabierają bardziej realnych kształtów: stają się trójwymiarowe. Przedtem nie rozpatrywano przestrzennego kształtu cząsteczek i nie rozumiano wpływu budowy przestrzennej na właściwości cząsteczki. Jak się jednak okazało, przestrzenne ułożenie atomów ma wpływ na to, czasem ten sam wzór narysowany na płasko może się okazać wzorem większej ilości związków, jeśli zacząć rozpatrywać przestrzenne ułożenie atomów.

Gdzie jest źródło chiralności cząsteczek? Zauważono, że cząsteczki, które nie posiadają płaszczyzny symetrii, zwykle mają co najmniej jeden asymetryczny atom węgla, to jest taki atom węgla, który łączy się z 4 różnymi podstawnikami. Jeśli 2 podstawniki są identyczne, to cząsteczka już posiada płaszczyznę symetrii. Rysowanie wzorów strukturalnych na płasko, jak jesteśmy przyzwyczajeni w szkole, utrudnia interpretację geometrii cząsteczek. Aby jednak ułatwić interpretację budowy cząsteczki, wprowadzono dodatkowe symbole wiązań. Słowem wszystko, aby nadać płaskiej strukturze rysowanej na papierze przestrzenny kształt. Patrząc na rysunek poniżej i obecne z nim wiązania powiemy, że grupa CN wystaje ponad papier, grupa OH jest pod kartką, natomiast grupy metylowe (Me) są na kartce. Jest to ogólnie przyjęty sposób rysowania cząsteczek.

Rys. 4. z lewej cyjanohydryna acetonu i jej płaszczyzna symetrii po prawej

Rys. 4 przedstawia cyjanohydrynę acetonu. Centralny atom węgla łączy się z trzema typami podstawników: grupami metylowymi (Me), grupą hydroksylową (OH) i grupą cyjanową (CN). Ponieważ węgiel jest czterowiązalny, a mamy 3 typy podstawników, to jeden z nich musi się dublować. W tym przypadku dublują się grupy metylowe. Ich dublowanie sprawia także, że związek jest symetryczny: po prawej stronie widzimy ten związek, ale z zaznaczoną płaszczyzną symetrii, gdyż 2 takie same podstawniki sprawiają, że jesteśmy tę cząsteczkę podzielić na 2 identyczne połowy. Płaszczyzna symetrii przebiega w naszym przypadku pionowo, wystaję ponad kartkę i wpada pod nią. Po jej lewej stronie mamy bowiem grupę metylową, połowę centralnego atomu węgla, połowę grupy nitrylowej przeciętej wzdłuż linii wiązania C-N i połowę grupy OH przeciętej wzdłuż linii wiązania O-H. Po prawej stronie mamy dokładnie to samo. Gdybyśmy płaszczyznę symetrii narysowali obok tej cząsteczki (czyli lustro) i za nią narysowali jej odbicie lustrzane, a następnie nasunęli je na siebie, to rysunki pokryją się ze sobą. Jeśli ktoś nie może sobie tego wyobrazić, to zawsze może spróbować to narysować.

Sytuacja się zmieni, jeśli centralny atom węgla będzie łączył się z 4 różnymi podstawnikami, a nie jak w przykładzie powyżej, trzema. Przykładem niech będzie związek poniżej, który zawiera atom węgla z 4 różnymi podstawnikami: OH, CN, H i RCH2:

Rys. 5. Cyjanohydryna aldehydu, zauważ brak płaszczyzny symetrii

 

 

W tym przypadku nie można już nigdzie umieścić płaszczyzny symetrii w cząsteczce, nie da się jej podzielić na równe połowy. Co najwyżej możemy narysować płaszczyznę zwierciadlaną obok niej i po drugiej stronie tej płaszczyzny narysować lustrzane odbicie, jak na rys. 6:

Rys. 6. Lustrzane formy cyjanohydryny aldehydu. Spróbuj je nałożyć na siebie.

CDN

 

Literatura:

J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, P. Wothers: „Organic Chemistry”, 2000

D. Whittaker: „Stereochemia a mechanizm reakcji”, PWN, 1976

Print Friendly, PDF & Email

Kategorie: Artykuły chemiczne,Chemia,Chemia Matura

Tagi: ,,

Pozostaw odpowiedź

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Serwis biomist.pl
Testowy podgląd tekstu reklamy biomist.pl.
biomist.pl
Serwis biomist.pl
Testowy podgląd tekstu reklamy biomist.pl.
biomist.pl
Serwis biomist.pl
Testowy podgląd tekstu reklamy biomist.pl.
biomist.pl