Levitace a rotace ovládají strukturu molekul  
Když chcete prořezat pravotočivý závit, musíte použít jinou závitnici, než na levotočivý. Když chemikové chtějí jednodušší molekuly uspořádat do struktur s opačnou prostorovou orientací, musí také použít poněkud odlišné nástroje – jinak působící vnější fyzikální síly.

 

Slyšeli jste již slova jako "chiralita", "chirální"? Mnozí jistě, nejde totiž o žádné jazykové novotvary, jako první je prý používal lord Kelvin (1824 – 1907). Chirálními se dají označit naše ruce, nakonec samotný pojem z řeckého "χειρ" = ruka vznikl. Víme, že naše dlaně neotočíme tak, aby jsme je viděli jako prostorově identické.
Pojem "chirální" si přivlastnili chemikové a označují jim molekuly, u nichž zrcadlový obraz prostorové struktury není shodný s originálem. Za století výzkumu již odborníkům tato stručná definice ani zdaleka nestačí a kdo by se rád dověděl o různých typech chirality více, i to, jak se určuje, základní informaci v angličtině nabízí Wikipedia a v češtině článek Otakara Červinky z Ústavu organické chemie VŠCHT v Praze "Chiralita a pojmy s ní související". Nám teď postačí, že prostorové rozmístění atomů chirální molekuly vytváří vzor, jenž není v žádné poloze shodný se svým zrcadlovým obrazem.

 

 
Kyselina askorbová je ve své levotočivé formě důležitým vitaminem C, zatímco v té pravotočivé pro tělo nevyužitelnou chemikálií. (Atomy uhlíku - černě, kyslíku - červeně, vodíku - modře)

V přírodě nacházíme celou řadu pro život důležitých molekul, jež jsou chirální a vyskytují se ve dvou prostorových formách, které se označují jako levotočivá (left-handed) se zkratkou "L" a pravotočivá  (right-handed) jako "D". Přitom sumární chemický vzorec mají obě varianty shodný.

 

Jak důležitý je tento zdánlivě zanedbatelný rozdíl v prostorovém uspořádání molekul, dokumentují některé příklady. Tím nejznámějším je kyselina askorbová. V levotočivé L formě je pro život nepostrádatelným vitaminem C, který si naše tělo nedokáže samo syntetizovat. V pravotočivé D formě je pro nás bezcenná. Vitamin C je však nestabilní a časem se ve vlhku část jeho molekul mění na kyselinu D-askorbovou. U většiny vitamínových nápojů tak musíme počítat s tím, že až polovina obsahu vitaminu C bude mít pozměněnou strukturu. Nedělejte si z toho ale těžkou hlavu. Při vyvážené stravě ho máte jistě dostatek.

 

Zvětšit obrázek
Vliv gravitace na hladinu rotující vody. Tvar paraboly kapaliny přibližně sleduje poměr 1/G - zakřivení se zvyšuje s poklesem gravitační síly a maximální je při G = 0, kdy všechnu vodu odstředivá síla tlačí na boční stěny nádoby. Pro zápornou gravitaci, která vodu tlačí na horní stěnu, je situace obrácená. Působící gravitační síla je výsledkem souboje mezi gravitací Země a diamagnetickým odpuzováním. Kredit: High Field Magnet Laboratory, Radboud University Nijmegen.

Méně známý a závažnější problém představuje lék, kterého hlavní účinnou látkou byl thalidomid. Koncem padesátých a začátkem šedesátých let ho lékaři předepisovali těhotným ženám v téměř padesáti zemích na uklidnění a potlačení nevolnosti. Až velký nárůst dětí narozených s hrůzostrašnými defekty signalizoval, že něco není v pořádku. Jak se, žel pro mnohé pozdě zjistilo, lék obsahoval obě prostorově odlišné formy thalidomidu. Zatímco ta levotočivá působila jako uklidňující prostředek, pravotočivá poškozovala vyvíjející se plod.

 

Lidé, kteří z nějakých důvodů nahrazují sacharózu umělými sladidly, jistě znají aspartam. Jen jeho levotočivou formu vnímáme jako velice sladkou. Pravotočivá je pro nás hořká. Ale i vůně může záviset od uspořádání atomů v molekule. Terpeny jsou organické sloučeniny, díky nimž máme rádi mnohé silice. Terpen karvon dodává typickou vůni kmínu i mátě. Příčina rozdílu se opět ukrývá v chiralitě. 

 

Jenže tím nejbytostnějším příkladem je pozemský život sám. Využívá jen pravotočivé molekuly cukrů a bílkoviny poskládané z levotočivých aminokyselin. I enzymy, které bílkoviny a cukry štěpí, jsou chirální a rozlišují pravo- i levotočivost cílových molekul. Otázka vzniku této selekce je jednou z těch velkých vzrušujících a zatím nevyřešených záhad, po jejichž vysvětlení vědci usilovně pídí. Má to na svědomí kruhově polarizované světlo, které je také chirální? Nebo kombinace elektroslabé síly s rotačním pohybem za případného spolupůsobení elektrického a magnetického pole?

 

Zajímavý experiment, který nabízí náznak dalšího řešení, popsali v časopise Nature chemistry vědci z nizozemské Univerzity v Nijmegenů (Nejméchenu) a italské Univerzity v Messině. Vytvořili zařízení, v němž mohli ovládat pomocí supramagnetu gravitaci působící na diamagnetickou kapalinu – roztok  porfyrinů, které jsou součástí organických barviv – hemoglobinu i chlorofylu. Molekuly porfyrinu se díky slabým nekovalentním vazbám mohou uspořádat do supramolekul s chirální prostorovou strukturou podobající se vpravo, nebo vlevo stočené šroubovici. Kapalina na začátku experimentu obsahovala jednotlivé nechirální molekuly. Otázkou bylo, co se z nich při různých kombinacích gravitační síly a rotace vytvoří.

 

Jak vědci ovládali gravitační sílu? Právě pomocí zmíněného magnetického pole a diamagnetických vlastností kapaliny, přesněji vody, která tvořila základ roztoku. Diamagnetismus totiž umožňuje levitaci předmětů z některých nemagnetických materiálů, jejichž vnitřní struktura na externí silné pole reaguje tak, že vytváří velmi slabé „proti-pole“, tedy pole opačné polarity. To pak tento materiál z vnějšího magnetického pole vypuzuje. Připomíná to působení dvou magnetů natočených k sobě stejnými póly.


 

V závislosti od hmotnosti předmětu, jeho diamagnetických vlastností (záporné hodnoty magnetické susceptibility) a intenzity externího magnetického pole může nastat situace, že kolmo působící odpudivá síla překoná gravitační působení Země a těleso se nad magnetem zvedne do vzduchu. Protože například tkáň živých organismů je také slabě diamagnetická, lehcí malí živočichové, například hmyz nebo menší žáby, mohou v silném poli levitovat – vznášet se v lokální magnetické potenciálové jámě.

 

Zvětšit obrázek
Nechirální molekuly (zelené „cihličky“) porfirinů se mohou spájet v chirální supramolekuly (zelené spirály). Rotace, jejíž směr je označen červenou šipkou a magneticky vyladěná gravitace (zelená šipka) mohou rozhodnout, jestli makromolekuly budou mít levotočivou, nebo pravotočivou prostorovou strukturu. Kredit: N. Micali et al., Nature Chemistry, 2012

V případě nizozemsko-italského experimentu vědci do vertikálního držáku v centru cívky supramagnetu umístili nad sebe sedm malých nádobek. Intenzitu a směr magnetického pole ovládali pomocí  jednosměrného proudu protékajícího cívkou. Vertikální rozmístění lahviček zajišťovalo, že každá se nacházela v místě s jinými parametry pole. Pro všechny ale platilo, že na kapalinu v nich kromě odstředivé síly, vznikající při rotaci, působilo i diamagnetické odpuzování, které v horní polovině zeslabovalo vliv zemské gravitace a při dostatečně silném magnetickém poli roztok levitoval, zatímco ve spodní polovině diamagnetismus ke gravitaci přispíval. Když držák s lahvičkami rotoval, otáčky byly vzhledem k působení výsledné gravitační síly pro horní nádobky s levitujícím roztokem opačné než pro ty spodní.

 

Pokusy s kombinací různých parametrů magnetickým polem ovládaného gravitačního pole a rotace vědci prokázali, že:
1/ Otáčení držáku ve směru hodinových ručiček za působení jen běžné zemské gravitace vedlo k tvorbě pravotočivých struktur.
2/ Změna směru rotace, nebo působící gravitační síly dala vzniknout levotočivým supramolekulám.
3/ Změna směru obou sil najednou k změně chirality nevedla. 

 

Tento experiment je jedním z mála příkladů systému, v němž gravitace ovlivňuje výsledek chemického procesu. Kombinace obou spolupůsobících sil – gravitační i rotační – byla svým způsobem také chirální. Odborníci ale mluví o takzvané falešné, nebo-li nepravé chiralitě, protože kdyby se celý proces pustil virtuálně v čase pozpátku, otočila by se i chiralita této kombinace sil. Teoreticky by takové procesy neměly produkovat chirální struktury. Existuje ale předpoklad, že za jistých podmínek by to systém s falešnou chiralitou mohl dokázat. Doposud  šlo jen o teoretické úvahy, dnes pro ně existuje i experimentální důkaz.

 

Video: Vliv působící gravitace na hladinu rotující vody. Když se voda nachází jenom podél kolmých stěn, znamená to, že diamagnetické odpuzování právě kompenzuje zemskou gravitaci. Když je magnetické pole ještě silnější, diamagnetické vlastnosti tlačí kapalinu k vrchní stěně nádoby. Kredit: Nature Chemistry, 2012

 

Vliv působící gravitace na hladinu rotující vody



 

Video stručně vysvětlující rozdíly v struktuře prostorových izomerů a problému thalidomidu:

 

 


Zdroj: High Field Magnet Laboratory, Radboud University Nijmegen

 

Datum: 23.02.2012 23:31
Tisk článku

Chemie pro každého Rychlokurz chemie - Dvořáčková Svatava
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 189 Kč
cena: 164 Kč
Chemie pro každého Rychlokurz chemie
Dvořáčková Svatava

Diskuze:

k obrázku: ... zakřivení je ale nejmenší!

Josef Hrncirik,2012-02-24 02:49:16

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace