A kiralitás felfedezése A borkősavat (Na + és NH 4+ ionokkal képzett sóját) kristályosítva kétféle kristályt kap: Louis Pasteur (1822 1895) Megállapítja, hogy a kétféle kristály kialakulásáért a molekuláris aszimmetria a felelős.
A kiralitás Ha egy atom körül (kiralitás centrum) tetraéderesen helyezünk el négyféle atomot (vagy atomcsoportot), akkor ezt kétféleképpen tehetjük meg, pl.: királis vegyület enantiomer párok: tükörképi párok, melyek nem hozhatók egymással fedésbe Jelölés: S és R, vagy D és L, vagy d és l, vagy + és -, vagy. Nem királis (akirális) vegyületekkel szemben azonos kémiai viselkedés. Egyszerű fizikai tulajdonságaik (pl. olvadás-, forráspont, sűrűség) is azonosak.
Kiralitás kiralitáscentrum nélkül Csavarszerkezetek: Allének: Egyéb típusok: diklór-spiroheptán dibróm-bifenil trans-ciklooktén
Királis kristályok királis molekula nélkül A kvarckristály lokálisan (Si-atom körül) akirális a kristály azonban (a csavarszerkezetekhez hasonlóan) királis l d Az olvadt kvarc nem királis (optikailag nem aktív).
Kiralitás az élővilágban Dohánymozaik vírus Csigák http://scienceblogs.com/pharyngula/2006/04/chirality_in_euhadra.php
Kiralitás az élővilágban Futónövények http://www.eerc.unsw.edu.au/research-p12.html
A síkban polarizált fény Egy fényrészecske (foton) haladása A fény: elektromágneses sugárzás Mágneses térerő vektora Elektromos térerő vektora Több részecske (fénynyaláb), csak az elektromos térerőt szemléltetve nem polarizált fény E előlnézet oldalnézet síkban polarizált fény
Optikai aktivitás I. A csak az egyik enantiomert tartalmazó királis anyagok (optikailag tiszta anyagok) a síkban polarizált fényt forgatják. A enantiomer párok eltérő irányba! Az optikai forgatóképesség (ORD: optikai rotációs diszperzió) mérése: 2. polárszűrő mintatartó optikailag aktív vegyület 1. polárszűrő fényforrás elforgatott síkban polarizált fény
Optikai aktivitás I. A folyadékkristályos kijelzők (LCD) működése külső elektromos tér nélkül: királis (koleszterikus) fázis polarizált fény síkját elforgatja zöld fény fehér fény polárszűrők (merőleges állasban) színszűrők (kék, zöld, piros) külső elektromos tér a molekulák elektromos dipólusuknak megfelelő irányba rendeződnek megszűnik a királis fázis nem forgat nincs fény
A cirkulárisan polarizált fény Síkban polarizált fény Cirkulárisan polarizált fény http://www.enzim.hu/~szia/cddemo
A cirkulárisan polarizált fény A körbejárás irányától függően kétféle cirkulárisan polarizált fényt különböztethetünk meg: http://www.enzim.hu/~szia/cddemo
Optikai aktivitás II. Az optikailag aktív anyagok (vagyis a csak az egyik enantiomert tartalmazó királis molekulák halmaza) eltérő mértékben nyelik el a kétféle cirkulárisan polarizált fényt. Az elnyelés a hullámhossztól is függ. Cirkuláris dikroizmus (CD) spektroszkópia. detektor cirkulárisan polarizált fény síkban polarizált fény optikailag aktív minta eltérő abszorpció!
Optikai aktivitás I-II. Forgatóképesség (ORD) Fényelnyelés különbség (CD) hullámhossz/nm Fényelnyelés (UV spektrum) Forgatóképesség (ORD) Fényelnyelés különbség (CD) hullámhossz/nm Fényelnyelés (UV spektrum) (1S)-(+)-Kámfor-10-szulfonsav (1R)-(-)-Kámfor-10-szulfonsav
Optikai aktivitás vizsgálatok az ELTE Kémiai Intézetében CD készülék (látható és UV tartomány) VCD készülék (infravörös tartomány) A kiroptikai kutatásokat az ELTÉ-n Kajtár Márton és Hollósi Miklós indította el.
Homokiralitás az élőszervezetben aminosavak L: Peptidekben, fehérjékben. D: az élőszervezetekben egzotikusak, pl. baktériumok, egyes tengeri csigákban fordul elő. L-aminosavak D-aminosavak szénhidrátok A tükörképi párok (L) nem fordulnak elő! 2-dezoxi-D-ribóz DNS-ben D-ribóz RNS-ben Homokiralitás (itt): csak az egyik enantiomer fordul elő.
Királis felismerés Mivel az enzimek azonban csak L-aminosavakból épülnek fel, ezért a királis gyógyszerek eltérően kötődhetnek ezekhez eltérő biológiai aktivitás biomolekula/gyógyszer (szubsztrát) királis szénatom enzim kötőhelyekkel csak az egyik enantiomer!
Az orrunk, mint királis receptor LIMONÉN KARVON
Királis gyógyszerek THALIDOMIDE R S 1957 Németország: terhességi rosszullét elleni gyógyszer egyik (R) enantiomer másik enantiomer és a kettő keveréke (az ún. racém) születési rendellenességek >10 000 áldozat, 46 országban Enantioszelektív szintézisek: 2001-es kémiai Nobel-díj: Knowles, Noyori, Sharpless Királis elválasztások (kromatográfia)
Az élet keletkezésének elméletei Teremtés Földönkívüli (evolúciós) eredet (pánsperma elmélet) Földi evolúció
A Miller-Urey kísérlet Alexander Oparin és J. B. S. Haldane elméletét, miszerint a biomolekulák a Föld őslégkörében jöhettek létre Stanley Miller és Harold Urey próbálta ki 1952-ben. kisülés elektródok gázok (őslégkör) Aminosavakat kaptak, de a D- és L aminosavak 1:1 arányban keletkeztek! (Azaz racém elegyet kaptak!) hűtővíz szerves vegyületek, pl. aminosavak hűtő RACÉM ELEGY! csapda víz (óceán) melegítés
A csillagközi felhőkben azonosított molekulák (2009) H 2 NCH 2 CN (2008) + 2H 2 O H 2 NCH 2 COOH (glicin) + NH 3 A glicin direkt azonosítására több próbálkozás történt, de még egyik eredmény sem egyértelműen elfogadott. Lásd: Alkímia ma, Kémia a csillagok között előadás, 2007. november 15.
Aminosav a Wild2 üstökösön NASA Stardust fellövés: 1999 2004: 800 millió km-re a Földtől üstököspor aerogél mintagyűjtő aerogél napelem 2006: a mintagyűjtő kapszula visszatér a Földre http://www.nasa.gov 2009: glicin azonosítása az üstökös anyagában
A Murchison meteorit Természetes aminosavakat pl. glicin, alanin, glutaminsav, és egzotikus (földi élőlényekben meg nem található) a aminosavakat is találtak benne. 1970 (első vizsgálatok): RACÉM 1982: L-aminosavak túlsúlyban! 1983: csak a földi elszennyeződés miatt? 1969. szeptember 28. Murchison, Ausztrália 1997: nem szennyezés, tényleg kis túlsúlyban vannak az L-(S-)aminosavak! (Engel és Macko, Nature)
Felületi katalízis Aszimmetrikus katalízis királis ásványok felületén Ha királis az ásvány, akkor az egyik enantiomer túlsúlyban képződik! Láttuk, hogy királis kristály felépülhet akirális molekulákból (részecskékből) is!?: 1) Túlsúlyban van-e a kvarc valamelyik enantiomerje (enantiomorf) a Földön? 2) Ha igen, akkor miért?
Aszimmetrikus katalízis királis ásványok felületén 1) Túlsúlyban van-e a kvarc valamelyik enantiomerje (enantiomorf) a Földön? Palache (1962, 16 807 db minta): 50,5% l Lemmlein (1973, 10 000 db minta): ugyanannyi Frondel (1978, 27 053 db minta): 49,83 % l l d Preston (2009) : lokálisan nagy eltérések lehetnek!!! 2) Miért? A) eltérő energia :paritás- (szimmetria-) sértés (lásd később) C) eltérő irányú keverés (áramlás) (+ gravitáció, mágneses tér) B) egyéb, hasonló elméletek
A keverés irányának hatása Kondepudi, Kaufman, Singh (Science, 1990) NaClO 3 kristályosítása keverés nélkül: 50% L és 50% D NaClO 3 kristályosítása keveréssel vagy DE: Itt a keverés iránya nem határozza meg, hogy 99.7% L melyik enantiomer (enantimomorf) 99.7% D képződik! Ribó és munkatársai (Science, 2001): kísérlet, melyben a keverés iránya meghatározza, hogy melyik enantiomorf képződik!
A paritássértés C. S. Wu 1957 jobbmenetes b-sugárzás (elektronok) mágnes térben orientált 60 Co atomok Tükör Tükör 60 Co 60 Ni + b (e ) + 2γ + ν e Következmények: 1) Több olyan elektron van a β-sugárzásban, amelynek a haladási irányával párhuzamos tengely körül balkéz szabály szerint mutat a mágneses tér, azaz a b-sugárzás nem szimmetrikus! (Több a balmenetes spirál. ) balmenetes b-sugárzás (elektronok) Mi világunk antivilág 2) Az elemi részecskék miatti kölcsönhatások miatt ( egyesített elektrogyenge elmélet ) királis molekulák esetében kicsit eltér a két enantiomer energiája.
Akakoshi 1979 és Conte 1985 A β-sugárzás hatása az aminosavakra Racém (DL)-alanint Van de Graaff generátorból származó elektronokkal besugározva nem tapasztaltak dúsulást. β-sugárzással ( 90 Sr 90 Y forrásból származó elektronokkal) besugározva a D-alanin dúsulását mutatták ki.
Energiakülönbség a paritássértés miatt L D Képződéshő: 425 kj / mol Energiakülönbség (elméleti számítások szerint): ~1 10 16 kj / mol = 0.0000000000000001 kj / mol Az L stabilabb! Túl kevés a homokiralitás kialakulásához?
Aszimmetrikus fotokémia Aszimmetrikus fotokémia Nem polarizált fény + külső mágneses tér Barron 1987, 1994 Rikken & Raupach 1998, 2000 Cirkulárisan polarizált fény Fotolízis (bomlás UV fény hatására) Kuhn & Braun 1929 Balavoine 1974 Nabon 2001 Inoue & Ramamurthy 2004 Meierhenrich 2005 Izomerizáció Inoue 1996 Fénnyel kiváltott szintézis Maradpour 1971 Bernstein 1972, 1973 Nuevo 2006
Aszimmetrikus fotokémia Példa: aszimmetrikus fotolízis Racém leucin (D,L-Leu) fotolízise cirkulárisan polarizált (182 nm-es) UV fénnyel Racém?: Van-e természetes cirkulárisan polarizált fényforrás? Hogy jöhet létre?
Aszimmetrikus fotokémia Cirkulárisan polarizált fény a Világegyetemben Orion OMC-1 Molekulafelhő (Buschermöhle, 2005) koordináta / arcsec cirkulárisan polarizált UV fény hányada %-ban koordináta / arcsec
Aszimmetrikus fotokémia Cirkulárisan polarizált fény a Világegyetemben Kétszeres fényvisszaverődés felületen (bolygó, üstökös, porszemcse) nem polarizált fény cirkulárisan polarizált fény síkban polarizált fény elsősorban az infravörös tartományban Egyéb források is (pl. Neutroncsillagoknál nagyobb energiájú sugárzás).
Királis erősítés autokatalízissel Pirimidinkarbaldehid alkilezése toluol, 20ºC, 40 óra HCl/H 2 O * * 50% S 50% R Soai autokatalízis (1996) toluol, 20ºC, 40 óra HCl/H 2 O * * 93% S 7% R 1 mol 0.2 mol optikailag tiszta S katalizátor + Kis mértékben feldúsult enantiomer katalizálhatja az azonos enantiomer (önmaga) szintézisét! Erősödés (pozitív visszacsatolás)!
Az emberi tudás minden irányban beláthatatlan és annak, ami egyáltalán tudásra méltó volna, egyetlen egy se tudhatja még ezredrészét sem. Arthur Schopenhauer További olvasmányok: Markó László: Miért "balkezesek" a fehérjéket felépítő aminosavak? A biomolekulák homokiralitásának eredete. Természet Világa, 1999. január-február http://www.termeszetvilaga.hu/tv99/tv9901/tartalom.html http://www.termeszetvilaga.hu/tv99/tv9902/tartalom.html U. Meierhenrich: Amino Acids and the Asymmetry of Life Springer, 2008