Dotaz

Pojďme se podívat do kraje za zrcadlem, kde se chemie potkává s geometrií. Pohodlně se posaďte, bude to delší vyprávění. Ale věřím, že pro zájemce o chemii – a vlastně i biologii – bude dost zajímavé.

Některé sloučeniny mají v molekule stejné počty atomů příslušných prvků. Například butan a 2-methylpropan (nazývaný také isobutan) mají každý čtyři uhlíky a deset vodíků. Vzorec na obrázku ale jasně ukazuje, že atomy jsou v těchto dvou uhlovodících jinak propojeny – chemické vazby se liší.

Látky, jejichž molekuly obsahují stejné atomy spojené odlišnými vazbami, se nazývají konstituční (strukturní) izomery.

Existují ovšem i sloučeniny, ve kterých najdeme stejné atomy i stejné vazby. Jediný „drobný“ rozdíl je, že vazby jsou jinak orientované v prostoru. Takovým látkám se říká stereoizomery.

Ukažme si to nejdřív na zjednodušeném vzorci aminokyseliny alaninu. Na atom uhlíku jsou v alaninu navázány vodík, methylová skupina –CH₃, aminoskupina –NH₂ a karboxylová skupina –COOH. (Vazby uvnitř těchto skupin pro nás teď nejsou důležité.)

Čtyři vazby vycházející z uhlíku spolu svírají úhel asi 109° a míří do vrcholů pravidelného čtyřstěnu, stejně jako v molekule methanu:

Zkuste si to představit v prostoru, eventuálně vymodelovat – ať už z molekulové stavebnice, nebo třeba z plastelínových kuliček a párátek. Na papíře si můžeme směry vazeb přiblížit tak, že vazby nakreslené plnou čárou leží v rovině papíru, vazby znázorněné černými trojúhelníčky vystupují nad papír a ty kreslené čárkovanými trojúhelníčky míří pod něj.

Pokud chceme vyrobit alanin, musíme napojit naše čtyři „přívěsky“ na atom uhlíku. Jenže pozor! Jde to udělat dvěma různými způsoby:

Tyto molekuly nedokážete přiložit jednu na druhou tak, aby se všechny příslušné skupiny kryly. Když se vám například budou krýt –CH₃ a –COOH, budou –H s –NH₂ opačně. Obě molekuly proto nejsou totožné. Jsou svými zrcadlovými obrazy, podobně jako je levá ruka zrcadlovým obrazem pravé. Rovina zrcadlení je na obrázku vyznačena šedou čárkovanou čárou.

Neexistuje tedy jeden alanin, ale dva. (S)-alanin neboli L-alanin patří ke dvacítce aminokyselin obsažených v bílkovinách všech organismů. Naopak (R)-alanin čili D-alanin je v přírodě mnohem vzácnější. Vyskytuje se například v buněčných stěnách bakterií.

Některé předměty, třeba lžíce nebo hrábě, jsou stejné jako jejich obrazy v zrcadle. U jiných věcí to neplatí. Když se díváte do zrcadla na svou levou ruku, vidíte ruku, která není shodná – je totiž pravá.

Ve světě molekul je to stejné. A ony zvláštní molekuly, které nelze ztotožnit s jejich zrcadlovými obrazy, nazýváme chirální. Nejčastější příčinou chirality je atom uhlíku, na kterém jsou navázány čtyři různé skupiny (nebo tři a atom vodíku).

Dvojice látek, jejichž molekuly nejsou totožné a zároveň jsou svými zrcadlovými obrazy – jako naše dva alaniny –, se nazývají enantiomery.

Mají stejné fyzikální vlastnosti (teplota tání, teplota varu, hustota a podobně) s tou výjimkou, že stáčejí rovinu polarizovaného světla opačnými směry. Mají také stejné chemické vlastnosti, pokud ovšem nevstupují do reakce s jinými chirálními látkami. V takovém případě se každý z enantiomerů chová jinak.

Dost rozdílné mohou být biologické účinky enantiomerů. Souvisí to se skutečností, že „stavební kameny“ živých organismů – aminokyseliny, cukry a další sloučeniny – jsou mnohdy chirální látky. Například jeden enantiomer známého léčiva ibuprofenu tlumí bolest a horečku, zatímco druhý je neúčinný.

Enantiomery mohou dokonce různě vonět. U karvonu voní jeden z nich po kmínu, druhý po mátě klasnaté čili spearmintu.

Některé molekuly mají více „chirálních“ uhlíků, tedy uhlíků se čtyřmi různými skupinami. Třeba aminokyselina threonin má dva chirální uhlíky a celkem čtyři stereoizomery s různým prostorovým uspořádáním vazeb. Orientace vazeb na jednotlivých chirálních atomech se v názvech sloučenin označuje písmeny R a S, ale podrobnosti názvosloví by vydaly na samostatný článek.

Molekuly v horní dvojici jsou zrcadlové obrazy, jde tedy o enantiomery. Totéž platí o dolní dvojici. Jenže co třeba (2R,3R)-threonin a (2R,3S)-threonin? Jsou to evidentně odlišné molekuly, nemůžeme je ztotožnit, ale nejsou to zrcadlové obrazy. Takovým látkám říkáme diastereomery. Diastereomery mají různé fyzikální a chemické vlastnosti.

Speciálními případy diastereomerů jsou epimery a cis-trans izomery. Epimery se liší orientací vazeb na jediném z více chirálních uhlíků v molekule. Například cukr glukóza (přesněji jedna její forma, β-D-glukopyranóza) je epimerem jiného cukru, manózy. Liší se totiž polohou –OH skupiny na jednom uhlíku. V obrázku jsou pro přehlednost vynechány vodíky:

Cis-trans izomery nemají chirální uhlíky, ale v jejich molekule se nacházejí dvojné vazby nebo cykly. Okolo jednoduché vazby se mohou atomy otáčet, kolem dvojné však ne. Proto jsou třeba cis-1,2-dichlorethen a trans-1,2-dichlorethen různé sloučeniny s odlišnými vlastnostmi:

Kdyby byla mezi uhlíky jednoduchá vazba, mohly by se atomy chloru v každé molekule otáčet podle libosti, takže bychom nemohli rozlišit dva izomery. V cyklech je rotace vazeb značně omezená, což má podobné důsledky jako přítomnost dvojné vazby.

Použité zdroje:

J. McMurry (2004): Organic Chemistry, International Student Edition. Brooks/Cole – Thomson Learning, USA. Kapitola 9: Stereochemistry, str. 275–315.

http://en.wikipedia.org/wiki/Epimer

http://cs.wikipedia.org/wiki/Cis-trans_izomerie