Chemiczne wieści (15.)

Nowa metoda wykrywania pestycydów w jedzeniu:
Problemem badań analitycznych jest oddzielenie badanych substancji od wszystkiego innego w próbce. Rozdział i przygotowanie oczyszczonej frakcji bardzo spowalniają samą analizę. Badacze z Singapuru zaproponowali ostatnio szybką metodę rozdziału do badania żywności - do rozmiksowanej próbki warzyw dodaje się mikrocząstki pochłaniające substancje podobne do pozostałości pestycydów. Cząstki zawierają wewnątrz magnetyczny tlenek żelaza, więc po pewnym czasie wystarczy zanurzyć w próbce magnes, aby oddzielić je od roztworu. Potem cząstki przemywa się rozpuszczalnikiem zmywając z nich pochłonięte substancje a otrzymany roztwór trafia do analizy. Magnetyczne cząstki można potem użyć jeszcze 30 razy.
W zasadzie jest to modyfikacja metody ekstrakcji do fazy stałej (SPE) o której pisałem przy okazji analizy zawartości kofeiny w kawie.[1]

Lustrzany świat hormonów
Na blogu kilkakrotnie wspominałem już o chiralnych cząsteczkach związków chemicznych. Chiralność to sytuacja, gdy cząsteczka nie posiada elementów symetrii takich jak środek czy płaszczyzna inwersyjna. Geometria ta powoduje, że możliwe stają się dwa izomery tej cząsteczki, wyglądające jak lustrzane odbicia, które nie nakładają się na siebie. Podobny kształt mają nasze dłonie. Lustrzane odbicie jednej wygląda jak druga, ale kształt jednej dłoni nie nałoży się dokładnie na kształt drugiej, choćbyśmy je nie wiem jak wykręcali. Stąd też bierze się nazwa - chiralność od greckiego słowa chira, czyli ręka.

Lustrzane izomery tej samej cząsteczki mają takie same właściwości fizyczne i chemiczne, ale różnie oddziałują z innymi chiralnymi cząsteczkami. Najlepszym tego świadectwem jest różne działanie biologiczne izomerów geometrycznych leków. My sami zbudowani jesteśmy z chiralnych białek, a te z chiralnych aminokwasów. Wszystkie aminokwasy budulcowe w organizmie stanowią izomer L.
Ponieważ jednak umiemy już dziś syntetyzować nienaturalne izomery aminokwasów, czyli izomery D, oraz umiemy sztucznie syntezować białka o zadanej kolejności aminokwasów, rodzi się oczywiste pytanie - jak mogłyby działać na organizm lustrzane izomery całych białek?

Przykładowe izomery prostego tripeptydu. Credit: Pablo Gainza

Badacze z uniwersytetu w Toronto zainteresowali się tym tematem podczas poszukiwań nowych leków. W niektórych chorobach stosowanymi lekami są krótkie białka, peptydy, mające pełnić odpowiednie funkcje biologiczne, zastępować enzymy których w organizmie brakuje, lub blokować te, których jest nadmiar. W leczeniu cukrzycy używane są na przykład mimetyki GLP-1, naśladujące białko które aktywizuje enzymy inkretyny, co wpływa na obniżenie poziomu cukru we krwi.
 Ich stosowanie wiąże się jednak z licznymi problemami - muszą być wstrzykiwane domięśniowo, bo w układzie pokarmowym są trawione przez enzymy trawiące białka; we krwi krążą krótko, rozkładane przez inne enzymy, w dodatku organizm może zareagować na nie alergicznie.

Badacze przeprowadzili symulację, sprawdzając czy istnieją D-izomery krótkich peptydów, które będą tak samo dobrze aktywować GLP-1. Znaleźli pewną obiecującą cząsteczkę, którą zsyntezowano i przetestowano. Otrzymany związek wywoływał taką samą odpowiedź komórek, ale efekt utrzymywał się dłużej.
Ponieważ wszystkie białka w organizmie mają konfigurację L, to peptyd będący izomerem D będzie po pierwsze nie trawiony przez enzymy trawienne bo te, same będąc cząsteczkami chiralnymi, są przystosowane do trawienia L-peptydów, dzięki czemu lek będzie można zażywać w tabletkach; oraz po drugie D-peptyd nie będzie tak szybko eliminowany z krwioobiegu co przedłuży jego działanie i spowoduje, że potrzebne będą mniejsze dawki.

Podobny D-izomer otrzymano też dla peptydomimetyków parathormonu, które podawane są przy zaburzeniach czynności przytarczyc. [2]

Sztuczny słodzik w chemioterapii
Dokładne badania molekularne wykazały kilkanaście lat temu, że w wielu złośliwych nowotworach wyjątkowo dużą ekspresję posiada enzym anhydraza węglanowa IX, która normalnie jest wydzielana w nerkach do usuwania kwasu węglowego z krwi. Jej duża aktywność sprzyja szybkiemu rozrostowi guzów i naciekaniu na okoliczne tkanki. Zaczęto więc uzupełniać terapię o inhibitory tego enzymu, dotychczas stosowane w medycynie jako diuretyki, środki zmniejszające ciśnienie wewnątrz oka czy łagodzące objawy choroby wysokogórskiej. Wstępne wyniki testów są obiecujące i niektóre takie środki wchodzą w fazę badań klinicznych.

Inhibitory te mają jednak swoje wady, w tym skutki uboczne jak wymioty, zmęczenie, objawy grypopodobne. Wiążą się one w dużym stopniu z małą selektywnością leków. Organizm wytwarza 15 różnych anhydraz węglanowych, które pełnią różne funkcje w organizmie, tymczasem nowotwory złośliwe wykazują nadekspresję tylko jednego, anhydrazy IX. Lek, który hamuje działanie nie tylko tego jednego enzymu, ale też i kilku innych, będzie wywoływał dodatkowe niekorzystne skutki.

Zaczęto zatem szukać substancji, które byłyby inhibitorami dużo bardziej selektywnymi. Niedawno doniesiono, że dość selektywne działanie wykazuje sacharyna, pierwszy sztuczny słodzik, wprowadzony do użytku jeszcze w XIX wieku. W tym roku postanowiono przetestować kolejny słodzik - acesulfam, którego struktura jest podobna do sacharyny. Okazało się, że nie tylko wiąże się z enzymem mocniej, ale też dużo bardziej selektywnie i potencjalnie mógłby być, w odpowiednio dużych dawkach, użyty jako dodatkowy składnik terapii nowotworowych. Zastosowanie to byłoby o tyle ułatwione, że jako stary, od dawna znany związek, został przebadany na bardzo wiele sposobów, a to ułatwia rejestrację w nowym zastosowaniu (w zasadzie efekty toksykologiczne, sprawdzane w badaniach klinicznych I fazy, zostały już zbadane).
Naukowcy jednak na tym nie poprzestają, sprawdzają pochodne acefulfamu, chcąc znaleźć jeszcze lepszy związek.[3]

Zdjęcie atomu
Niedawno media obiegła wiadomość, w jakimś stopniu uzupełniająca mój artykuł o obrazowaniu atomów. Udało się przeprowadzić doświadczenie, które umożliwiło ukazanie pojedynczego atomu. Pojawiły się w związku z tym różne wątpliwości ze strony mało rozumiejących eksperyment czytelników, którzy wątpili, czy atom może odbić na tyle dużo światła aby dało się go zobaczyć.
Eksperyment jest bardzo prosty, choć nie nadaje się za bardzo jako technika obrazowania atomów, nie pozwala bowiem na uchwycenie żadnych szczegółów.

Pojedynczy jon strontu został schwytany w pułapkę pomiędzy potężnymi magnesami i między dwoma elektrodami z przyłożonym napięciem. Naładowana cząstka chce poruszać się wzdłuż linii pola elektrycznego, będąc wciąganą w obszar największego gradientu dokładnie pomiędzy elektrodami. Jednak umieszczenie jej w polu magnetycznym powoduje powstanie siły Lorentza, która zakrzywia jej tor. Jon zaczyna więc kręcić małe kółeczka. W osi pionowej utrzymuje go pole magnetyczne, a pole elektryczne nie pozwala mu uciec na boki. Odpowiednia modulacja pola magnetycznego lub elektrycznego ogranicza naładowaną cząstkę do bardzo małej przestrzeni, w obrębie której może jedynie drgać. Jest to najprostszy przypadek pułapki jonowej.
Dzięki zastosowaniu odpowiednio dobranej selekcji, poprzez dodawanie jonom na tyle małych dawek energii aby pojedynczo uciekały z pułapki, można doprowadzić do stanu, gdy zamknięty pozostanie pojedynczy jon. Jak go jednak ujawnić?

Jon strontu został oświetlony ultrafioletem o tak dobranej długości fali, że w jonie zachodziła fluorescencja, to jest pochłaniał fotony ultrafioletu po czym zaraz wypromieniowywał wchłoniętą energię, ale z przesunięciem częstotliwości, świecąc już w zakresie widzialnym. Oczywiście natężenie tego świecenia dla pojedynczej cząstki jest nikłe, jednak przy użyciu odpowiednio czułego aparatu, i długiego, 30-sekundowego czasu naświetlania, nazbierało się go dostatecznie dużo, aby na fotografii ujawnił się mały, jasny punkcik.

Czy punkt ten jest obrazem atomu? I tak i nie. Atom w pułapce zatacza pewną zamkniętą orbitę, toteż gdyby zastosować duże przybliżenie, zamiast punkcika widzielibyśmy pewnie skomplikowaną krzywą. Jest ona jednak w pułapce tak mała, że w użytej rozdzielczości nadal stanowi bezszczegółowy punkt. Uchwycony obraz jest więc raczej statystycznym położeniem atomu, który emitując fotony wykonał w ciągu tych 30 sekund ogromną ilość drgań w pułapce. Zarazem jednak na obraz składa się światło pochodzące od pojedynczego atomu, wykazując, że możliwe jest optyczne wykrycie nawet tak małej cząstki materialnej.[4]
-------------
Źródła:
[1] Xi Yu et al. Pyrethroid residue determination in organic and conventional vegetables using liquid-solid extraction coupled with magnetic solid phase extraction based on polystyrene-coated magnetic nanoparticles, Food Chemistry (2016). DOI: 10.1016/j.foodchem.2016.08.115
[2] Michael Garton el al., Method to generate highly stable D-amino acid analogs of bioactive helical peptides using a mirror image of the entire PDB," PNAS (2018). http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1711837115
[3] Akilah B. Murray et al. "Seriously Sweet": Acesulfame K Exhibits Selective Inhibition Using Alternative Binding Modes in Carbonic Anhydrase Isoforms, Journal of Medicinal Chemistry (2017). DOI: 10.1021/acs.jmedchem.7b01470
[4]  https://www2.physics.ox.ac.uk/research/ion-trap-quantum-computing-group

Witamina lewa i prawa

Na temat witaminy C krąży bardzo wiele mitów i przekłamań. A ponieważ mają one w dużym stopniu oparcie w chemii, warto jest je tutaj szczegółowo rozjaśnić. Czy zatem może być tak, że witamina może być prawa i lewa?  Może i to w dodatku na bardzo różne sposoby.

Kwas askorbinowy to związek szczególny. Jest kofaktorem regulującym działanie wielu enzymów. Pomaga przy produkcji kolagenu, wpływając na stan naczyń krwionośnych i skóry. Jest ważnym przeciwutleniaczem neutralizującym wolne rodniki. A przy tym jest substancją jakiej nasz organizm nie może sam wytwarzać, co zresztą stanowi wśród zwierząt wyjątek. Takie na przykład szczury same go sobie wytwarzają i nigdy nie doznają niedoboru.
Jego brak wywołuje przykre i na dłuższą metę śmiertelne choroby, jak choćby szkorbut, nazywany też obrazowo gnilcem, co zanim poznano jego rolę w żywieniu stanowiło częstą przyczyną zgonów marynarzy, pozbawionych dostępu do świeżej żywności. Nic więc dziwnego, że witamina C została nazwana kwasem a-skorbinowym, to jest antyszkorbutowym.

Człowiek wynalazł kilka prostych sposobów jego syntezy tak, aby otrzymać cząsteczkę o budowie takiej samej jak naturalna. Zwykle surowcem jest cukier glukoza, która zostaje zredukowana wodorem, poddana fermentacji przez bakterie octowe, selektywnie utleniona i odwodniona. W ten sposób, bądź metodami z większym udziałem bakterii, produkuje się ją w ilościach niemal przemysłowych i zużywa głownie jako przeciwutleniacz w żywności, środek zapobiegający brązowieniu mrożonek czy ulepszacz do pieczywa.

Zasadniczo dobrze zbilansowana dieta powinna dostarczać go nam wręcz w nadmiarze, jednak niektórzy wolą go sobie dodatkowo uzupełniać w większych dawkach. I często wpadają w pułapkę marketingu. Specjaliści od suplementów mówią im "Nie kupujcie pigułek w aptece bo w ogóle nie działają, bierzcie wyciąg z X albo tabletki dla których specjalnie potwierdzono że to jest ten właściwy, przypadkiem mamy je w ofercie. Bierz tylko nasze".
Czemu tabletkowa witamina ma nie działać? Bo "prawdziwa" i naturalna jest ta lewoskrętna, więc jeśli na opakowaniu nie zostanie wprost to napisane, to niechybnie tabletki zawierają tą nieczynną prawoskrętną.

Każdy kto ma trochę większe pojęcie o chemii, wie jak zbudowana jest cząsteczka witaminy C i wie o co chodzi z tą skrętnością, czy lewością, uśmieje się słysząc takie rzeczy. Ale niestety przeciętny konsument nie wie. Więc ja mu rzecz krótko wyjaśnię

Asymetria
Asymetria to własność obiektu, która powoduje, że obracając go w przestrzeni, odbijając w wyimaginowanym "lustrze kształtów" czy przekształcając przez punkt nie otrzymamy identycznie wyglądającej bryły. No chyba, że obrócimy go o 360 stopni czy powtórzymy odbicia dwa razy, ale to tak jakbyśmy go z miejsca nie ruszali.
Chemicy już dawno odkryli, że cząsteczki związków chemicznych, będące ułożonymi w przestrzeniami skupiskami atomów, mogą bądź posiadać jakąś symetrię, bądź nie posiadać żadnej, i to właśnie te ostatnie okazały się najciekawsze. Jeśli cząsteczka związku jest asymetryczna, to bardzo często możliwe jest, że mogą istnieć jej dwie formy, podobne do siebie jak lustrzane odbicia ale nie nakładające się na siebie.
Obiektami o takich własnościach z jakimi często mamy do czynienia, są nasze ręce - jedna dłoń jest lustrzanie podobna do drugiej, ale jedna nie nałoży się na kształt drugiej, bo kciuki odchylają się w różne strony. Jeśli złożymy dłonie jak do modlitwy sytuacja będzie podobna, bo w różne strony będą zwrócone ich grzbiety. Z tego powodu matematycy bryły o takich właściwościach, a więc posiadające lustrzanie podobne formy "lewą" i "prawą" jak dłonie, nazwali chiralnymi, od greckiego "chira" to jest ręka. (a wróżenie z dłoni to chiromancja).

Jeśli cząsteczka związku chemicznego nie będzie posiadała elementów symetrii, takich jak środek symetrii, płaszczyzna czy osie inwersyjne, to także i dla niej możliwe będzie dla niej istnienie w dwóch formach, nazywanych izomerami optycznymi. Zazwyczaj dotyczy to związków organicznych, w których atom węgla tworzy cztery wiązania ułożone nie płasko, i wystarczy aby w którymkolwiek z węgli cząsteczki zdarzyło się, że do każdego wiązania będzie przyczepione coś innego.

Aby ten fakt opisać i jakoś odróżniać poza tym we wszystkim identyczne izomery, chemicy stworzyli szereg systemów klasyfikujących

R czy S?
Ten sposób klasyfikacji opiera się na rzeczywistej budowie związku. Aby sprawdzić jaka jest jego konfiguracja, sprowadzamy go do tego właśnie interesującego nas węgla, mającego cztery różne podstawniki, nazywanego asymetrycznym. Podstawnikom tym nadajemy pewne rangi, zależne od stopnia rozbudowania, całkowitej masy atomowej czy obecności cięższych atomów. No i otóż, jeśli ustawimy naszą cząsteczkę tak, że podstawnik najniższej rangi znajdzie się z tyłu, a trzy pozostałe będą skierowane w naszą stronę, to gdy przechodząc od podstawnika ważniejszego do mniej ważnych wykonujemy obrót w prawo, konfiguracja dla tego węgla wynosi R a gdy w lewo wynosi S.

Ten sposób klasyfikacji jest bardzo ścisły, po samej nazwie możemy ustalić jak przestrzennie są poustawiane grupy wokół tego atomu.

W jednej cząsteczce może być zawartych wiele takich atomów, ponieważ zaś każdy ma dwie możliwe konfiguracje, możliwych staje się wiele izomerów. Przykładowo glukoza ma cztery takie atomy o konfiguracji 2R,3S,4R,5R, będąc jednym z 16 możliwych izomerów aldoheksozy. Symetria takich cząsteczek jest bardziej skomplikowana i niekoniecznie chiralna, przykładowo związki w odmianie mezo zawierają asymetryczne atomy węgla ale o przeciwnej konfiguracji, co powoduje że cała cząsteczka nabiera symetrii i nie jest czynna optycznie.

D czy L?
Klasyfikacja D/L jest używana właściwie tylko do cukrów, polialkoholi i aminokwasów, także dla witaminy C. Jest to klasyfikacja względna, w której przypisanie związku do danej kategorii odbywa się poprzez porównanie konfiguracji z pewnym wzorcem.
Tą cząsteczką wzorcową był naturalnie występujący aldehyd glicerynowy, uznany z najprostszy przypadek, składał się bowiem z trzech węgli z czym jeden tylko był asymetryczny. Klasyfikacja odbywa się następująco - ustawiamy naszą cząsteczkę aby łańcuch węglowy był ustawiony pionowo, grupa aldehydowa lub ketonowa znalazła się na górze, a grupy boczne sterczały na boki, będąc zwrócone lekko w naszą stronę (co rysuje się w ten sposób, że ich wiązania wyglądają jak czarne trójkąty):

Jeśli w takim ustawieniu grupa -OH znajdzie się po prawej, to cząsteczkę zaliczymy do szeregu D a jeśli po lewej to do szeregu L. Jeśli nasza cząsteczka zawiera więcej węgli asymetrycznych, wtedy bierzemy pod uwagę tylko ten ostatni na dole.

Jak widzicie jest to klasyfikacja bardzo arbitralna.


+ czy -?
Ostatni sposób klasyfikacji nie jest wprost związany z budową cząsteczki, a bardziej z tym jak oddziałuje ze światłem. Otóż izomery geometryczne związków wpływają na światło spolaryzowane. Jeśli przez fiolkę ze związkiem przepuścimy światło spolaryzowane przy pomocy polaryzatora ustawionego w określonym kierunku, to po przejściu przez związek kierunek polaryzacji światła trochę się przekręci. Poznajemy to po tym, że ustawiając za fiolką drugi polaryzator widzimy że część światła z fiolki jest zatrzymywana i aby uzyskać pełną przepuszczalność, musimy drugi polaryzator trochę obrócić.
Obejrzyjcie świetną demonstrację tego zjawiska dla dwóch izomerów karwonu:


.
I teraz najważniejsze. Uznano, że jeśli płaszczyzna polaryzacji obróciła się w prawo, to mówimy o związku że jest prawoskrętny i przypisujemy mu znaczek plus (+) a jeśli w lewo to jest lewoskrętny i przypisujemy mu znaczek minus (-). Dwa izomery optyczne tej samej substancji skręcają światło spolaryzowane o taki sam kąt w przeciwne strony, dlatego zawsze jeden jest (+) a drugi (-). Ich mieszanina pół na pół jest nieaktywna bo przeciwne oddziaływania się znoszą.
Przy czym nie koniecznie znak skręcalności powiązany jest z konfiguracją R/S czy D/L. Wprawdzie dany określony izomer geometryczny ma zawsze dany określony znak skręcalności, ale różne związki o konfiguracji D czy R mogą skręcać światło spolaryzowane w różne strony. Na przykład D-glukoza jest prawoskrętna a D-fruktoza lewoskrętna.

A jaka jest witamina?
Kwas askorbinowy zawiera dwa węgle asymetryczne, w związku z czym możliwe są dla niego cztery izomery; kwas (R,S)-L-askorbinowy, (S,R)-D-askorbinowy; (S,S)-L-izoaskorbinowy i (R,R)-D-izoaskorbinowy

Aktywność biologiczną witaminy ma tylko jeden z nich, występujący naturalnie kwas (R,S) L-askorbinowy. Pozostałe nie mogą być nazywane witaminami, choć są podobnymi do niej przeciwutleniaczami..
A jak wygląda czynność optyczna? Otóż będący witaminą C naturalny kwas L-askorbinowy jest prawoskrętny. Czyli ma znaczek (+).

Zatem specjaliści od wciskania ludziom suplementów, którzy twierdzą, że witamina C powinna być lewoskrętna, pewnie pomylili się widząc znaczek L mówiący o względnej konfiguracji związku. Który to mówi nam jedynie, że jeśli zapiszemy cząsteczkę związku w określony sposób to grupa -OH na ostatnim węglu asymetrycznym będzie po lewej stronie rysunku, a to nie ma nic do skrętności.


...bo jak nie napisali L to na pewno jest D
Gdy świat alternatywnej medycyny pojął wreszcie istnienie dwóch odmian kwasu askorbinowego, zaczął przekonywać, że z pewnością absolutnie ta tabletkowa witamina, to jest właśnie ta nienaturalna D. Ze jeśli nie napiszą "kwas L-askorbinowy" to znaczy, że to musi być ten drugi. Ci którzy się na to nabierają zamawiają w hurtowniach wielkie wory kwasu L, nie ufając tabletkom, no bo przecież kto wie co sobie producenci napisali.
Dlaczego to bzdura?

Jak to już powyżej napisałem, kwas L-askorbinowy produkuje się z naturalnej glukozy otrzymując właściwą "naturalną" konfigurację. Wobec tego związek jest dosyć tani i dlatego bardziej opłaca się pchać go do tabletek, niż drugi izomer, produkowany w mniejszych ilościach przy pomocy innych, bardziej skomplikowanych metod. Kwas D-askorbinowy nie występuje w naturze a organizmy nie są przystosowane do jego wytwarzania, odpada więc bardzo ułatwiający produkcję mikrobiologiczny etap syntezy. Aby go otrzymać należałoby więc albo użyć drogich katalizatorów albo szeregu przemian dających mieszaninę izomerów, którą następnie należałoby rozdzielać. Ponieważ jednak izomer D nie jest wykorzystywany w medycynie, nikt go specjalnie nie produkuje. Czemu więc tabletki miałyby zawierać nie produkowany, znacznie droższy, nieaktywny izomer, gdy w zasięgu jest produkowany na dużą skalę aktywny L-izomer?

Inna kwestia to dozwolone nazewnictwo obu odmian. Nazwa handlowa "witamina C" oraz nazwa "kwas askorbinowy" są na mocy międzynarodowych przepisów zastrzeżone tylko dla kwasu L-(+)-askorbinowego, takiego jak naturalny. Producent nie może wsadzać w preparat inny stereoizomer i nazwać go witaminą. Ponieważ w świetle przepisów jest to w sumie jasne, producent tabletek nie musi pisać na opakowaniu, że tabletka zawiera kwas L-(+)-(4R,5S)-askorbinowy abyśmy byli pewni, że jest to taka cząsteczka jak naturalna, działająca biologicznie.

ps. 03.02 Dowiedziałem się, że w lutowym numerze Wiedzy i Życia także pojawił się artykuł o witaminie C. Jest dużo obszerniejszy i skupia się głównie na zastosowaniach medycznych ale o skrętności też wspomina. Polecam zajrzeć.

Pomiar skręcalności optycznej

Jednym z prostych pomiarów fizykochemicznych, które być może były omawiane w szkołach, jest pomiar skręcalności optycznej substancji. Podobny wykonuję też i ja na pracowni, ale sprzętem nieco dokładniejszym. Tylko po co to wszystko?

 U początków wielkiej naukowej debaty o prawdziwej naturze światła zwrócono uwagę na zjawisko polaryzacji. Przezroczyste kryształy szpatu islandzkiego podwajały obraz jaki przez nie obserwowano, a wpuszczony w nie promień światła rozdzielał się na dwa - normalny, biegnący zgodnie z wartością załamania, i nadzwyczajny o silniejszym załamaniu.

 Jeszcze zaś dziwaczniej zachowywały się dwa takie kryształy położone na sobie - w pewnej wzajemnej orientacji pozostawały przezroczyste, po obróceniu o 90 stopni wygaszały obraz. Zjawisko to nazwano polaryzacją i niespecjalnie się nim potem przejmowano, gdy tymczasem trwał spór między fizykami - czy światło to promień czy może wiązka przenikliwych cząstek? Istniało wiele zjawisk które udawało się łatwo wytłumaczyć modelem cząstkowym i on w zasadzie był powszechnie przyjmowany aż do 1801, gdy Thomas Young zaproponował doświadczenie z dwoma szczelinami.
Weźmy źródło światła i ujednolićmy je przepuszczając przez mały otwór. Teraz przepuśćmy nasze spójne światło przez dwa małe otworki, wielkości nakłuć końcem igły, położone blisko siebie. Zgodnie z teorią cząstkowa, powinniśmy zobaczyć dwie jasne plamki. Zamiast tego obserwowano jasną plamę pośrodku i rząd rozchodzących się po bokach mniejszych, kolorowych plamek oddzielonych plamami cienia. W sposób cząstkowy wyjaśnić się tego nie dało. Chyba że światło jest jednak falą:

Dwie szczeliny tworzą dwa źródła rozchodzących się fal, które nakładają się na siebie raz wzmacniając raz wygaszając. Young zainspirował się tu obserwacją fal na powierzchni wody, przy czym z występowania tego zjawiska wynikało, że jeśli już światło faluje, to poprzecznie do kierunku ruchu.

Późniejsza teoria powiązała światło z zaburzeniami w rozprzestrzeniającym się polu elektrycznym i magnetycznym. Pole magnetyczne które zmienia natężenie i kierunek powoduje wygenerowane pola elektrycznego, ale także o zmiennym kierunku. Zmienne pole elektryczne z kolei generuje zmienne pole magnetyczne. Te dwa wzajemnie się indukujące pola łączą się ze sobą tworząc promieniowanie elektro-magnetyczne. Wektor pola magnetycznego jest prostopadły do wektora pola elektrycznego a obydwa do kierunku rozchodzenia się promieni.:

Późniejsza teoria kwantowa zmodyfikowała ten model, wprowadzając podwójną falowo-cząstkowa naturę światła.

W każdym razie gdy Young udowodnił falową naturę światła, znane wcześniej zjawisko polaryzacji stało się zrozumiałe - po postu wektory pól zajmują w przestrzeni jakieś płaszczyzny względem kierunku rozchodzenia, ale w świetle zwykłym są one przemieszane. Gdy światło zostanie spolaryzowane, kierunki te porządkują się :

 i wszystkie wektory spolaryzowanego światła leżą w jednej płaszczyźnie. Wyjaśnienie dwójłomności szpatu islandzkiego, powodującej podwojenie obrazu jest w tym kontekście ciekawe - prędkość światła w takim krysztale zależy od kierunku polaryzacji pól składowych. Różnica prędkości światła między kryształem a powietrzem jest przyczyną załamania światła, zatem zależnie od polaryzacji światło będzie się załamywało pod różnym kątem
 Gdy wpuścimy do kryształu promień, zostanie on rozdzielony na dwa o połowę słabsze - jeden, normalny, będzie miał jedną polaryzację, a drugi, nadzwyczajny, polaryzację obróconą pod kątem prostym do polaryzacji tamtego. Każdy z promieni ma nieco inny kąt załamania dlatego oddzielają się od siebie:

Niedługo potem Malus odkrył że światło częściowo polaryzuje się przy odbiciu, zaś William Nicol wpadł na pomysł, jak za pomocą dwójłomnego kryształu uzyskać pojedynczą wiązkę spolaryzowanego światła. Wziął on rombowy kryształ szpatu islandzkiego i przeciął na ukos, otrzymując dwa pryzmaty. Połączył je ze sobą cienką warstwą przezroczystego kleju. Wiadomo było wówczas, że promień biegnący wewnątrz przezroczystego materiału może zostać całkowicie odbity, jeśli padnie na jego ścianę pod odpowiednim kątem - z tego prawa korzystają światłowody - połączenie tego z dwójłomnością pozwoliło na oddzielenie powstających dwóch promieni.
Cięcie między dwoma pryzmatami zostało poprowadzone pod takim kątem, że niewiele brakuje aby promień biegnący przez kryształ odbił się całkowicie. Wpuszczamy w kryształ promień zwykłego światła - promień rozdziela się na dwa załamane pod różnym kątem. Mniej załamany normalny biegnie dalej, silniej załamany promień nadzwyczajny odbija się całkowicie i wypada bokiem. Przechodząca wiązka zostaje spolaryzowana.

Dzięki temu urządzeniu można było badać właściwości światła spolaryzowanego, na przykład zabarwianie się minerałów i tworzyw sztucznych wykazujących choć niewielką dwójłomność.
Tym jednak co najbardziej mnie interesuje, jest odkrycie, że po przejściu przez pewne substancje, polaryzacja światła może się zmienić. Aby wygasić całkowicie liniowo spolaryzowane światło, należy umieścić na jego drodze filtr bądź drugi układ pryzmatów, ale obrócony o 90 stopni. Jednak jeśli między nie wsuniemy próbkę jakiejś substancji, jak na przykład roztwór cukru, okaże się że światło już nie jest całkowicie pochłaniane, i aby znów uzyskać ten efekt trzeba obrócić układ o jeszcze pewien kąt.

Zdolność do zmiany płaszczyzny polaryzacji światła to skręcalność optyczna, a substancje które tak robią nazywany czynnymi  optycznie. Czynność ta jest związana z budową cząsteczki o asymetrii polaryzacji a co za tym idzie, asymetrią budowy. W związkach organicznych możliwa jest sytuacja, że cząsteczka może posiadać dwie formy przestrzenne, podobne do siebie jak lustrzane odbicia. Są to cząsteczki chiralne. Szersze wytłumaczenie jak to zachodzi i jakie ma znaczenie, już omawiałem w pewnym artykule.
Gdy światło spolaryzowane przejdzie przez roztwór substancji czynnej optycznie, płaszczyzna w której sytuują się wektory fali elektromagnetycznej, przekręci się o pewien kąt. Ilościowa zdolność do skręcania płaszczyzny to skręcalność, zależna od grubości roztworu, rozpuszczalnika, długości fali świetlnej i stężenia.
Własności te znalazły bardzo szerokie zastosowanie do szybkiego mierzenia zawartości cukru w sokach roślinnych. I takie też ćwiczenie wykonywałem kiedyś na pracowni jeszcze w technikum.

Wzięliśmy jabłko, z którego odważyliśmy określoną ilość miąższu, a ten po rozgnieceniu zalaliśmy odmierzoną ilością wody i zagotowaliśmy:

Po odsączeniu wyciągu wlaliśmy go do polarymetru widocznym na pierwszej fotografii - to bardzo proste urządzenie. Lampa sodowa daje intensywne światło o określonej długości fali, wpadające do urządzenia przez wstępny filtr polaryzacyjny. Następnie przechodzi przez szklaną rurkę w tubie przyrządu gdzie wlany został nasz sok. Na jego drodze staje następnie prostokąt drugiego filtru polaryzacyjnego, o polaryzacji takiej samej jak pierwszy. Gdy w urządzeniu była nieaktywna woda, w okularze widać było jednolity krążek światła:

Jednak zawierający czynne optycznie cukry sok jabłkowy skręcał płaszczyznę światła spolaryzowanego przez pierwszy filtr. Takie światło było więc częściowo zatrzymywane przez drugi filtr i na tle jasnego krążka pojawiał się ciemniejszy prostokąt:

Teraz należało przekręcić małą tarczę przy okularze tak, aby obrócić drugi filtr zgodnie z polaryzacją o pewien kąt. Ten kąt to właśnie skręcalność roztworu. Z boku obiektywu przez małą lupę można było obserwować skalę podającą z jednej strony kąt skręcenia a z drugiej stężenie cukru w roztworze.

Podobne pomiary wykonuję czasem na pracowni. Zasadniczy temat pracy magisterskiej polega na wytworzeniu ligandów do asymetrycznej reakcji Henry'ego. W takiej reakcji powinienem otrzymać mieszaninę chiralnych beta nitroalkoholi z przewagą jednej, pożądanej formy

Ale jak poznać z jak dużą przewagą? Każda forma skręca płaszczyznę polaryzacji światła o taką samą wartość ale w przeciwne strony. Mieszanina 1:1 jest wobec tego nie czynna, zaś każda przewaga którejś z form objawia się jakąś skręcalnością wypadkową. Mając porównanie z danymi literaturowymi, gdzie obie formy oddzielono i ustalono konfigurację, i gdzie podana została skręcalność mieszaniny o ustalonym stosunku, mogę przez własny pomiar w identycznych warunkach określić skład swojej otrzymanej mieszaniny wyrażony w jednostce nadmiaru enancjomerycznego - czyli procentowej nadwyżki jednej z form nad drugą.

Jak na razie najlepszy wynik jednej reakcji to nadmiar 88% ee, ale czekam na więcej.

ps. to mój 150 opublikowany wpis.

Synteza I - Wstęp

Więc...
Dotarłem już w nauce akademickiej do tego momentu, gdy zamiast poprzestawać wyłącznie na powtarzaniu już opisanych i przygotowanych reakcji, muszę zacząć podjąć własną pracę naukową - oczywiście pod bacznym okiem promotora, dr Ewy Wolińskiej.
Dokładnie określonego tematu pracy jeszcze nie mam, ale zasadniczo opierać się będzie ona na syntezie zawierających 1,2,4-triazynę ligandów, do katalizatorów mających posłużyć do syntezy asymetrycznej. Zanim jednak omówię coś z przeprowadzonych syntez, muszę oczywiście objaśnić co też są to te triazyny, ligandy i dlaczego synteza miałaby być asymetryczna; ponieważ jednak objaśnienia te bardzo mi się wydłużyły, uznałem że ten wstęp teoretyczny podam w jednym wpisie, zaś trzy kolejne etapy właściwej syntezy omówię w kolejnych. Teraz więc będzie o tym, czy mogą istnieć "lewe" cząsteczki i jak to się ma do naszego zdrowia:

Jedną z właściwości cząsteczek organicznych, jest posiadanie określonej symetrii. Popatrzcie na swoje ręce; najlepiej wyciągnijcie je przed siebie i połóżcie jedną na drugą, bez obracania ku sobie. Nie nakładają się. Kciuki sterczą w przeciwne strony. Możemy jednak obrócić jedną i złożyć z drugą jak do modlitwy, wtedy ich obrysy będą się nakładały, ale nadal nie będą identyczne, bo ich grzbiety będą skierowane w przeciwne strony. Jak byśmy ich nie obracali, jedna nie stanie się taka jak druga.
To zupełnie oczywiste - jedna jest dłonią lewą a druga prawą. Są do siebie podobne jak lustrzane odbicia. Gdyby ktoś miał idealnie symetryczne dłonie, to lustrzane odbicie jednej wyglądałoby dokładnie tak jak druga.
O bryłach mających tą właściwość, że podobnie jak dłonie, posiadają formę "lewą" i "prawą", które nie dają się na siebie nałożyć przez obrót w przestrzeni, i są do siebie podobne jak lustrzane odbicia, mówimy że są chiralne (od greckiego chira - ręka). Jest wiele takich figur. Istnieją lewe i prawe muszle ślimaków, kwiaty, a z przedmiotów codziennego użytku, nożyczki dla prawo i leworęcznych:

Nie inaczej jest ze związkami chemicznymi. Już na początku XIX wieku skrupulatny badacz Ludwik Pasteur, najbardziej znany z badań nad fermentacją, przyglądając się kryształom soli syntetycznego kwasu winowego zauważył, iż są one asymetryczne, oraż że tworzą dwie odmiany, podobne jak lustrzane odbicia. Gdy zaś oddzielił jedną odmianę od drugiej, po prostu sortując kryształki pincetą, stwierdził że kwas winowy "prawy" zawsze krystalizuje w takiej formie. Uznał więc, że widocznie musi istnieć prawa i lewa odmiana kwasu winowego, które różnią się kształtem cząsteczki. Teoria atomowa była wówczas w powijakach, a co dopiero teoria struktury cząsteczek, toteż przez długi czas ta luźna hipoteza nie znajdowała zainteresowania. Do czasu gdy odkryto wreszcie jak rozłożone są w przestrzeni wiązania z węglem w związkach organicznych.

Węgiel w tych związkach tworzy cztery wiązania z innymi atomami - mogą to być wiązania potrójne, podwójne lub pojedyncze. Ponieważ każde wiązanie stanowi parę elektronową, a każda taka para odpycha się od innej, starają się one rozłożyć w przestrzeni w największym możliwym oddaleniu, co w przypadku czterech wiązań pojedynczych realizuje się w formie rozłożenia tetraedrycznego - to jest atom znajduje się jakby w środku foremnego czworościanu, a wiązania biegną do naroży. Jeśli teraz zdarzy się, że przy każdym z wiązań podczepiona będzie inna grupa, to cała cząsteczka stanie się chiralna, i możliwe staną się dla niej dwie konfiguracje - lewa i prawa, podobne jak lustrzane odbicia, jak to widać na tej pięknej grafice:

Związki chemiczne mające taką właśnie lustrzaną właściwość, to enancjomery, zaś atom węgla (czasem może to być fosfor lub azot, ale rzadziej) wokół którego pojawia się ta szczególna asymetria, nazywany jest atomem asymetrycznym, centrum chiralnym lub też jak zaleca się ostatnio centrum stereogenicznym. Konfigurację podstawników wokół takiego atomu określa się na różne sposoby - najczęściej używana metoda, polega na przypisaniu podstawnikom "ważności", tak że na przykład grupa metylowa jest ważniejsza od podstawnika wodorowego, etylowa od metylowej, a chlorkowa od etylowej. Jeśli teraz tak obrócić nasz asymetryczny atom, aby podstawnik o najmniejszej ważności znalazł się z tyłu, to konfigurację określa kierunek w którym poustawiane są pozostałe - gdy od najważniejszego do najmniej ważnego ruch jest zgodny z kierunkiem wskazówek zegara, to konfiguracja jest określana literą R, gdy jest odwrotnie, konfigurację określamy S. Są też inne typy konfiguracji, na przykład dla cukrów i aminokwasów zwykle używa się oznaczeń D i L.

 Gdy związek ma więcej jak jedno takie miejsce, sytuacja się komplikuje, bo wówczas możliwa jest większa liczba kombinacji - każde centrum może mieć dwie konfiguracje. Kwas winowy ma dwa takie miejsca, stąd możliwe są dla niego trzy odmiany: gdy oba centra mają konfigurację R, gdy oba mają S i gdy jedno ma R a drugie S. Glukoza ma cztery takie miejsca i dla niej możliwych jest 16 odmian, cholesterol ma 8 takich miejsc i teoretycznie mógłby mieć ponad 200 odmian, choć niektóre struktury za bardzo deformowałyby cząsteczkę. Takie odmiany wielocentrowe, nazywamy stereoizomerami, i nie są one już swymi lustrzanymi odbiciami.
Natomiast mieszaniny równych ilości R i S izomerów, nazywamy racematami.

I co z tego?
Izomery różniące się konfiguracją, mają takie same właściwości chemiczne, jednak dość istotne różnice zachodzą w ich oddziaływaniu biologicznym, oto bowiem my sami jesteśmy chiralni.
Podstawowymi związkami strukturalnymi organizmów żywych są białka, te zaś zbudowane są z aminokwasów - związków, zawierających grupę aminową i karboksylową, połączonych do tego samego węgla. Jeśli dwa pozostałe podstawniki są różne, to cząsteczka staje się chiralna i tak właśnie jest w przypadku wszystkich biogennych aminokwasów, z wyjątkiem glicyny. Z tych chiralnych cząsteczek zbudowane są białka, a z białek elementy strukturalne, i jak się okazuje, bardzo często konfiguracja substancji wpływa na reakcje jakim ulega w naszym organizmie. Jednym z takich znanych przypadków, jest limonen - izomer D ma zapach pomarańczy i występuje w skórce tego owocu, izomer L ma zapach terpentyny i występuje w roślinach szpilkowych. Będący jego pochodną karwon ma jeszcze wyraźniejsze różnice zapachu - izomer S pachnie anyżkiem, a izomer R miętą. Inny terpenoid, mentol, ma trzy centra i 8 odmian; odmiana występująca w mięcie polnej i mająca najsilniejsze działanie i zapach, ma konfigurację 1R,2S,5R, pozostałe występują rzadko lub zostały otrzymane sztucznie


W podobny sposób różnią się smaki izomerów - lustrzane wersje substancji słodkich mogą mieć smak kwaśny lub gorzki, choć nie zawsze tak jest. Lustrzana wersja glukozy jest tak samo słodka jak oma, ma jednak jedną ciekawą właściwość - nie pasuje do pierwszego enzymu, rozpoczynającego metabolizm. Powoduje to, że nie jest przetwarzana na energię i zostaje w niezmienionej formie wydalona - byłaby zatem idealnym słodzikiem, słodkim ale nie kalorycznym. Niestety jej produkcja jest nieopłacalna.
Dla nas jednak najistotniejszą kwestią nie jest smak czy zapach, lecz działanie na organizm. Nie zawsze, ale jednak bardzo często to, czy dana substancja będzie dla organizmu obojętna, szkodliwa czy lecznicza, zależy od konfiguracji jej centrów stereogenicznych, jeśli takie posiada. Przykładowo lek przeciwbólowy Ibuprofen jest zwykle syntezowany w formie racematu, jednak właściwości lecznicze ma tylko S izomer, co znaczyłoby, że połowa wyprodukowanego związku jest zupełnie niepotrzebna. Okazało się jednak że obie odmiany mogą zamieniać się w siebie w organizmie. Podobnie jest z Naproksenem - tylko jeden izomer ma właściwości przeciwbólowe, a oba są toksyczne dla wątroby.  
Niekiedy działanie odmian może być skrajnie różne, zależnie od konfiguracji. D-propoksyfen jest środkiem przeciwbólowym; L-odmiana ma silniejsze działanie przeciwkaszlowe, ale w wysokich dawkach. Obie odmiany wycofano z powodu częstych sercowych skutków ubocznych. Naturalny kwas L-askorbinowy jest witaminą C, i bierze udział w pewnych przemianach enzymatycznych; izomer D jest nieaktywny i nie może być nazywany witaminą - choć też jest przeciwutleniaczem. Dlatego też witaminę syntetyczną produkuje się tak, aby otrzymać tylko L-izomer, w czym biorą udział pewne szczepy bakteryjne.
Amfetamina i metamfetamina też mają dwie odmiany - odmiana D pobudza zarówno obwodowy jak i centralny układ nerwowy, i ma działanie narkotyczne; izomer L pobudza tylko OUN i nie wywołuje odurzenia, dlatego też ten izomer bywa stosowany w inhalatorach donosowych, wywołując skurcz naczyń krwionośnych. Inny środek narkotyczny, nikotyna, w naturze występuje w odmianie S(-). Enancjomer R ma podobne działanie lecznice, ale jest znacznie mniej toksyczny - źródła podają że od 20 do 40 razy.
Skrajnym przypadkiem jest niechlubny Talidomid, którego jeden enancjomer zapobiegał mdłościom, bólom głowy i miał działanie uspokajające, a drugi miał działanie teratogenne, uszkadzające płód. Produkowany preparat był racemiczną mieszanką obu izomerów, i zalecany kobietom w ciąży, co doprowadziło do narodzin tysięcy kalekich dzieci, co kiedyś już  opisałem. Obecnie bywa używany w chemioterapii do hamowania rozrostu guza.

Skoro między właściwościami izomerów istnieją na tyle istotne różnice, to chyba najlepiej byłoby wziąć tylko jeden z nich i stosować czysty związek? Jak najbardziej, tyle że nie jest to taka łatwa sprawa gdy mamy je zmieszane. Stereoizomery mają takie same właściwości fizyczne i chemiczne - jedynie czasem różnią się na przykład strukturą krystaliczną, lub szybkością reagowania i można próbować rozdzielać je w ten sposób. Zrobił to choćby Pasteur, sortując kryształki soli kwasu winowego, obie bowiem odmiany tego związku najchętniej tworzą kryształy zawierające tylko jedną z nich. Czynią to na tyle chętnie, że chemikowi udało się przeprowadzić bardzo zabawne doświadczenie - do kuwety z nasyconym racematem kwasu, włożył z jednej strony kryształek odmiany R a z drugiej odmiany S. Kryształy stopniowo rosły, przyjmując do sieci krystalicznej cząsteczki tylko jednej odmiany, takiej samej jak w krysztale zarodkowym, aż otrzymał dwa duże kryształy rozdzielonych izomerów.

Inny pomysł polega na zastosowaniu chiralnych reagentów, tworzących związki o wystarczająco różnych właściwościach. Przykładowo związek nasz w mieszaninie R i S jest lekko zasadową aminą, więc traktujemy go na przykład R,R kwasem winowym. Tworzą się nam dwie sole - RR-winian-R-aminy i RR-winian-S-aminy, które bardzo często różnią się rozpuszczalnością, bo chiralne fragmenty różnie ze sobą reagują. Chwytając kogoś prawą dłonią za prawą, możemy go złapać mocniej, niż prawą za lewą, i podobnie jest w tego typu solach.
Dla tych, gdzie oddziaływania są silniejsze, krystalizacja zachodzi chętniej, więc można je wydzielić przez wielokrotne przekrystalizowanie. Inny pomysł polega na tworzeniu estrów o różnej rozpuszczalności bądź temperaturze wrzenia. Bardziej wyrafinowane sposoby wykorzystują reakcje enzymatyczne - na przykład związek o naturze alkoholu przeprowadzamy w ester kwasu tłuszczowego i traktujemy którąś z esteraz - enzymów trawiennych przywykłych do rozkładania połączeń o jednej konfiguracji. Rozkład na przykład R-estru, daje nam selektywnie wyjściowy alkohol, czysty enancjomerycznie, możliwy do oddzielenia przez ekstrakcję. Jeszcze inna metoda polega na zastosowaniu chromatografii kolumnowej, z wypełnieniem zawierającym chiralne związki - na przykład krystaliczną celulozę - jest to jednak metoda bardzo droga.

A może łatwiej byłoby otrzymywać od razu jeden izomer, a nie mieszaninę dwóch? - w tym właśnie cały ambaras, aby nie powstawały oba na raz. Jeżeli poddajemy reakcjom związki już chiralne, i w trakcie reakcji centrum stereogeniczne nie jest naruszane, to otrzymamy selektywnie czysty izomer produktu, przykładowo redukując naturalne R-aminokwasy, otrzymamy R-aminoalkohole a z tych na przykład pierścieniową R-oksazolinę.  Reakcje, gdy wychodząc z substratu o określonej konfiguracji, otrzymujemy produkt o określonej konfiguracji, nazywamy stereoselektywnymi.
Nieco większy problem sprawiają nam reakcje, w których mamy stworzyć nowe centrum, wychodząc ze związku, który takiego nie posiada. Weźmy sobie taki prosty związek jak 1,3-dimetyloheksen, z jednym wiązaniem podwójnym. I poddajmy go reakcji przyłączenia chlorowodoru. Zgodnie z odpowiednimi prawami, wodór przyłączy się z tej strony wiązania, gdzie jest już drugi, a chlor przy grupie metylowej. I powstanie nam centrum stereogeniczne, mające w otoczeniu - przy jednym wiązaniu grupę metylową, przy drugim chlor, przy trzecim pierścień mający grupę metylową za 4 węgle a z czwartej strony ten sam pierścień, ale z grupą metylową za trzy węgle. Tylko jaka będzie konfiguracja? Mieszana.

Gdy atom chloru atakuje wiązanie podwójne, o płaskiej strukturze, może dotrzeć do cząsteczki z dwóch stron - od lewej i od prawej. Ponieważ cząsteczka jest płaska, szanse obu przebiegów są równe, w efekcie otrzymujemy równomolową mieszankę produktów, powstałych a ataku z lewej i z prawej, czyli R:S 1:1 - a zatem racemat.
Wszystkie metody syntezy, mającej zachwiać tą symetrią - a więc syntezy asymetryczne -  opierają się na utrudnieniu dostępu z jednej strony, co może być osiągnięte na różne sposoby. Związek może być zaabsorbowany na powierzchni kryształu - jedna strona będzie zasłonięta i będzie się nam tworzył jeden produkt. Największe jednak zastosowanie mają specyficzne, chiralne katalizatory. Jak mogą działać?
Weźmy sobie cząsteczkę bardzo podobną do powyższej, ale z grupą hydroksylową, a więc 1-metyloheksen-3-ol. Grupa hydroksylowa przy trzecim węglu sama tworzy centrum stereogeniczne. Teraz przed dodaniem substraktu, używamy katalizatora - odpowiedniego kompleksu zawierającego jakiś metal, tak dobranego, że jon metalu może tworzyć wiązania koordynacyjne z elektronami Pi wiązania podwójnego, i wolnymi parami elektronowymi tlenu. Będzie zatem łączył się z cząsteczką od tej strony, z której jest grupa OH

zasłoni więc sobą jedną stronę, umożliwiając dostęp z drugiej strony. W tym przykładzie nowe centrum będzie miało konfigurację R. Jest to przykład wymyślony, ale pokazuje jak takie selektywne reakcje mogą zachodzić.
Prawdziwym majstersztykiem jest stosowana na skalę przemysłową synteza  1R,2S,5R-mentolu, a więc takiego samego związku jak naturalny. Związkiem wyjściowym jest terpenoid mircen, po katalitycznej izomeryzacji zamieniany na R-cytronellal a ten cyklizowany do ostatecznej cząsteczki z trzema centrami chiralnymi. Twórca tej metody Ryoji Noyori w roku 2001 dostał nagrodę Nobla za prace nad asymetrycznym uwodornieniem.

Triazyny to związki organiczne, składające się z sześcioczłonowych pierścieni, w których znajdują się trzy atomy azotu. Możliwe są trzy ich ustawienia - w pozycjach 1,2,3, a więc wszystkie obok siebie; 1,2,4 - dwa obok siebie a jeden z odstępem; oraz 1,3,5 czyli symetrycznie rozdzielone. W moim przypadku zajmuję się 1,2,4-triazyną.

Pochodne triazyn dosyć chętnie tworzą kompleksy z jonami metali, i niektóre z nich mają zdolność do takiego katalizowania reakcji tworzących nowe centrum stereogeniczne, aby powstawał nadmiar jednego z izomerów, a co za tym idzie, zamiast racematu 1:1 otrzymujemy mieszaninę na przykład 6:4, 7:3 czy też najchętniej, ale rzadko 9:1 i wyższe.

A tym, czym będę się zajmował na pracowni, będzie tworzenie chiralnych ligandów do kompleksów mających wywoływać taką selektywność.

Talidomid

Pisałem już tu o różnych truciznach i związkach szkodliwych. Często ludzie stykają  się z nimi przez pomyłkę lub na skutek niecnych działań bliźnich, niestety czasem wskutek zbytniego zawierzenia w cuda medycyny. Jeden z takich przypadków, będący największą pomyłką farmakologii, miał miejsce niemal równo 50 lat temu, ponieważ zaś rzecz zahacza o pewne ciekawe zagadnienia związane z budowa związków chemicznych, myślę że warto jest to tutaj omówić.

Rzecz zaczęła się mniej więcej w 1954 roku w laboratorium niemieckiej firmy farmaceutycznej Grünenthal , gdzie trudniono się otrzymywaniem nowych preparatów. Wiodącą linią poszukiwań było wówczas łączenie antybiotyków z peptydami i aminokwasami poszukując aktywnych połączeń, niektóre z nich, podobne strukturalnie do kwasu barbiturowego, okazywały się bezpieczniejszymi od niego lekami nasennymi i uspokajającymi. Tym razem na warsztat wzięto ftaloiloizoglutaminę - pochodną kwasu glutaminowego, będącego jednym z aminokwasów białkowych, i kwasu ftalowego. Przez proste ogrzewanie w warunkach odwadniających przeprowadzono ten związek w imid z dwoma pierścieniami połączonymi przez azot:

Powstały związek to ftalimidoglutarimid, co wkrótce skrócono do wygodniejszej nazwy Thalidomid. Pierwsze testy medyczne na szczurach, psach i chomikach wykazały niską toksyczność, z LD rzędu 5g/kg masy ciała, dzięki czemu preparat można było zaliczać do nietoksycznych. Początkowo zalecono go epileptykom jako lek przeciwdrgawkowy, nie przynosił jednak oczekiwanych efektów, natomiast zapewniał spokojny sen i nie uzależniał tak jak barbiturany. Zaczęto więc prowadzić badania w tym kierunku, choć działanie uspokajające u zwierząt prawie nie występowało. Wreszcie po pierwszych testach zdecydowano o wprowadzeniu leku na rynek 1 Października 1957 roku.
Thalidomid reklamowano jako pierwszy pozbawiony bromu lek uspokajający i nasenny "bez skutków ubocznych". Rzeczywiście, stosowane dotychczas środki na bazie bromku potasu często wywoływały splątanie, napady senności, zaburzenia mowy i spadek libido (co wykorzystywano w wojsku do obniżania popędu u szeregowych). Ponieważ nadawał się doskonale do leczenia objawów towarzyszących wczesnej ciąży (rozdrażnienie, poranne mdłości, nieregularny sen), zalecano go właśnie ciężarnym. I tak to się zaczęło.

Jeśli przyjrzeć się dokumentom z tamtych czasów, można zobaczyć, że nie zaniedbano badań możliwych działań toksycznych - w przeglądzie z 1960 roku widać, że sprawdzono wpływ na układ nerwowy, moczowy i trawienny, interakcje z alkoholem, barbituranami, wpływy narkotyczne itp.[1] ale nie wzięto pod uwagę jednej rzeczy - teratotoksyczności.
Kwestia wpływu substancji chemicznych na rozwój płodu nie była wówczas specjalnie badana, sam termin teratogenu wprowadzono dopiero w 1960 roku, niemniej już zaczęto ją brać pod uwagę w niektórych krajach. Aby zbadać taki wpływ należało przed wprowadzeniem leku sprawdzić wpływ na ciężarne zwierzęta, zaś już po wprowadzeniu zbierać informacje o skutkach ubocznych. Nie zawsze da się w laboratorium odtworzyć wszystkie możliwe kombinacje, jakie mogą się przydarzyć w prawdziwym życiu, stąd często dopiero po wprowadzeniu leku okazuje się, że na przykład nie można go popijać sokiem z grejpfrutów albo zażywać wraz z aspiryną. Nikomu jednak nie przyszło do głowy, że jeśli nie znamy działania leku na jakąś specyficzną grupę ludzi, to profilaktycznie nie powinna ona go zażywać. A tą grupą były w tym przypadku dojrzewające ludzkie płody.

Jak zapewne pamiętacie z lekcji biologii, rozwój płodu zaczyna się od zapłodnienia, potem powstaje zygota która zaczyna się dzielić na 2, 4, 8,16... i coraz więcej komórek potomnych. Gdy kulka narastających komórek jest odpowiednio duża, zaczynają się one różnicować na grupy, stające się zalążkami różnych grup organów ciała. Z czasem w naszym zlepku komórek daje się zauważać jakaś forma, podział na przód i tył, na główkę i ogonek, na kończyny a u tych z czasem na przedramię i ramię, dalej końce kończyn formują się w ręce i dłonie, z paluszkami, każdy osobno, wykształca się twarz i jej zewnętrzne cechy.
 Nie trudno się domyśleć że nawet drobne uszkodzenie w tym wczesnym etapie, może doprowadzić do potwornych deformacji. Śmierć komórki z której w dalszej perspektywie miała się wykształcić połowa jelita grubego spowoduje, że może ono powstać skrócone. Czasem wystarczy aby komórki niewłaściwie ułożyły się na wczesnym etapie. Dla niewielkich zmian owocuje to takimi wadami, jak błoniasta skórka między palcami, świński ogonek czy rozszczep podniebienia, im jednak większe są to zmiany tym większy jest wpływ ostateczny. Duża część takich deformacji jest letalna - jeśli na przykład zaburzony zostanie etap wykształcania się mózgu (bezmózgowie) to rosnący płód może umrzeć z braku kontroli nad funkcjami fizjologicznymi. A Thalidomid?

Począwszy od 1958 roku w Europie zaczęło rodzić się zaskakująco dużo dzieci z wadami rozwoju. W większości dotyczyły kończyn - dochodziło do nie wykształcenia się dłoni, i stóp, ramion i łydek bądź też w ogóle nie wykształcały się kończyny, w dodatku kości innych części ciała rosły zdeformowane lub skrócone; u innych dochodziło do deformacji lub braku uszu zewnętrznych, zarośnięcia przewodu słuchowego, jamy nosowej, deformacji lub braku nosa. Czasem wady pojawiały się dopiero wewnątrz ciała, dotycząc wykształcenia układu pokarmowego, deformacji nerek czy licznych przetok między jamami ciała.
Wzrost liczby takich przypadków był zaskakujący i długo nie udało się powiązać go z konkretnym czynnikiem, brakło jakiegoś centralnego systemu gromadzącego informacje i rzadkich schorzeniach stąd też trudno było dowieść, że wszystkie ciężarne stykały się z jednym, określonym czynnikiem. Ponieważ początkowo epidemia deformacji zachodziła na obszarach objętych działaniami wojennymi sądzono, że mogą to być długofalowe skutki działania gazów bojowych, trujących oparów bomb i pożarów, jednak w miarę narastania liczby przypadków stało się oczywiste, że nie można w ten sposób tłumaczyć zjawiska.
Inni wskazywali na związek ze zwiększonym napromieniowaniem środowiska - w latach 1951-57 przeprowadzono na świecie 175 próbnych wybuchów jądrowych, tylko w 1958 już 116[2] Trudno aby pozostało to bez wpływu na zdrowie. Wadą tej koncepcji było to, że zjawisko nasilało się w środkowej i zachodniej europie, natomiast takiego natężenia takich specyficznych wad nie notowano w USA gdzie przecież przeprowadzano próby (danych z ZSRR nie było).
Od końca lat 50. do początku lat 60. w 46 krajach urodziło się około 10 tysięcy dzieci z wadami rozwojowymi, zaś kilkanaście tysięcy ciąż zakończyło się poronieniem.

Co do tego kto pierwszy zauważył związek trwają spory. Czasem dziennikarze twierdzą, że na trop pierwsza wpadła prasa, jak się jednak wydaje zaczęło się od pewnych dwóch lekarzy.
Niemiecki pediatra Widukind Lenz, pracujący w szpitalu dziecięcym w Hamburgu, na podstawie wywiadów z matkami dzieci z deformacjami doszedł do wniosku, że wszystkie one brały leki nasenne i uspokajające w okresie ciąży a czas w jakim zaczęły się pojawiać pierwsze przypadki zgadzał się z kilkumiesięcznym odstępstwem z czasem wprowadzenia leku na rynek. Będąc pewny swych racji poinformował o nich służby medyczne i zadzwonił do firmy farmaceutycznej Grünenthal aby skłonić ich do natychmiastowego wycofania preparatu. Szefowie firmy nie byli jednak skłonni do współpracy, dlatego dwa dni później, 18 listopada 1961 roku, wygłosił na konferencji pediatrycznej referat opisujący zaobserwowany związek. Oczywiście zaraz zarzucono mu, że wyniki kwestionariuszy u 20 matek to za mało aby mówić o dowodzie. Jeśli podejrzenia okazałyby się niesłuszne, byłby to koniec jego kariery. Stwierdził jednak że nie może z czystym sumieniem milczeć, gdy kolejne kobiety zażywają podejrzane tabletki. O sprawie wkrótce napisała lokalna gazeta. Nazwa podejrzanego leku nie została jeszcze ujawniona.[3]
W międzyczasie australijski położnik Wiliam McBride również powiązał wady rozwojowe u dzieci z faktem, że wszystkim matkom tych dzieci wcześniej sam przepisał Thalidomid, zaś efekt pojawił się w Australii później niż w reszcie świata, po wprowadzeniu na rynek leku. Napisał na ten temat list do prestiżowego czasopisma medycznego The Lancet, które wydrukowało go w grudniu tego samego roku. Trwały już wówczas niejawne rozmowy między przedstawicielami władz medycznych i zarządu firmy Grünenthal. Propozycją firmy było wprowadzenie na opakowania nalepki, informującej że nie może być zażywana przez kobiety w ciąży. Gdy lekarze zasugerowali, że lepiej całkiem wycofać lek, zanim kwestia bezpieczeństwa nie zostanie zbadana, przedstawiciele firmy nie zgodzili się, grożąc konsekwencjami prawnymi w razie prób wprowadzenia takich ograniczeń. Po kilku dniach jednak zmiękli w miarę spływania danych potwierdzających zależność. Ostatecznie na początku grudnia rozpoczęto wycofywanie preparatu i leków które go zawierały - a znalazł się nawet w tabletkach na przeziębienie i syropach na kaszel.

Ciekawą kwestią jest tutaj sprawa niedopuszczenia preparatu na rynek amerykański. Pracująca w ówczesnej agencji do spraw żywności i leków (FDA) Frances Oldham Kelsey, zajmowała się dopuszczaniem leków do obrotu. Gdy w 1960 roku próbowano wprowadzić Thalidomid, podczas przeglądania dokumentacji zauważyła to samo co ja w opisywanym już przeglądzie - brak badań wpływu na kobiety ciężarne. Mając na uwadze obserwowane na świecie objawy, i pamiętając ze studiów dopiero rodzące się badania nad wpływami teratogennymi, zażądała uzupełnienia dokumentacji, czego firma produkująca lek nie mogła zrobić. Nikt nie wymagał od nich przeprowadzenia takich badań, więc ich nie wykonali. Kelsey odpisała im zatem, że FDA może poczekać kilka miesięcy, aż zrobią odpowiednie badania. Oznaczało to późniejsze wprowadzenie leku na przewie 300 milionowy rynek amerykański a co za tym idzie, milionowe straty. Firma zaczęła naciskać zarówno na badaczkę jak i na jej szefostwo, grożąc możliwością zażądania odszkodowania w razie bezpodstawnego zatrzymania leku, ci jednak odpowiadali niezmiennie - bez dodatkowych testów nie przyjmiemy leku na rynek.[4] To przetrzymanie trwało akurat na tyle długo, że zdążyły pojawić się pierwsze doniesienia o szkodliwości leku, dlatego USA obroniły się przez nim. Wiadomo jednak że firma wysyłała lekarzom "darmowe próbki" mając nadzieję, że pozytywne opinie od amerykańskich położników przekonają FDA. Wiadomo o kilkunastu przypadkach dzieci zdeformowanych wskutek zażywania "darmowych próbek" przez ich matki.

Potwierdzeniem związku między lekiem a deformacjami był ich zanik po lipcu 1962 roku, gdy urodziły się ostatnie dzieci, których matki mogły go zażywać. Co dziwniejsze, w Japonii wycofano lek dopiero w 1965 roku. Wprawdzie nie sprowadzano go już z Europy ale nie wydano zakazu sprzedaży preparatu z aptecznych zapasów, toteż jeszcze przez kilka lat zdarzały się tam przypadki zniekształceń płodu. Znanych jest trzystu japońskich "Talidomerów".


Co takiego powodowało uszkodzenia płodu? Mechanizm jest niejasny, jak się wydaje cząsteczka ftalimidoglutarimidu wpasowuje się pomiędzy nici DNA w miejscach purynowych blokując działanie genów odpowiedzialnych za rozwój, głównie przez hamowanie tych odpowiedzialnych za rozwinięcie zalążków kończyn.[5] Jak się wydaje równocześnie działać może mechanizm blokowania tworzenia nowych naczyń krwionośnych w miejscach intensywnego wzrostu.[6] McBride, ten sam australijski położnik, zasugerował zatem wykorzystanie tej substancji do leczenia raka będącego przecież "szybko rosnącym skupieniem komórek". Przypuszczenie okazało się trafne - dziś stosuje się go, pod nazwą Taliomid, do terapii  szpiczaka mnogiego, z dosyć wysokim wskaźnikiem remisji. Terapia wymaga jednak, aby osoby niej poddawane nie mogły już posiadać potomstwa - a więc kobiet po 50 roku życia, bezpłodnych lub wysterylizowanych. Jeśli poddać się jej ma kobieta w średnim wieku, to albo musi ona zażywać leki antykoncepcyjne, albo zachować wstrzemięźliwość. Chodzi po prostu o to, aby nie zaszła, nie wiedząc o tym w ciążę w trakcie terapii, co doprowadziłoby do urodzenia zdeformowanego dziecka.

Ze sprawą właściwości związku wiąże się jeszcze jedna kwestia - otóż tak na prawdę mamy do czynienia z dwoma jego odmianami, jedna ma właściwości lecznicze, zaś druga szkodliwe. A rzecz polega jedynie na innym wygięciu cząsteczki.
Związki organiczne zbudowane są głównie z węgla o wartościowości IV a więc tworzącego cztery wiązania. Jeśli nie mamy do czynienia z połączeniami wielokrotnymi, wiązania te odsuwają się od siebie tworząc układ tetraedryczny. Jeśli wobec tego zdarzy się, że przy każdym wiązaniu takiego węgla podczepiona będzie inna grupa, to cała cząsteczka będzie asymetryczna, i możliwe będą dwa ustawienia grup wokół takiego węgla, podobne do siebie jak lustrzane odbicia Piękna grafika:

Jeślibyśmy zbudowali takie modele (na przykład z kasztanów) to jakbyśmy ich nie obracali, nie przeprowadzimy jednego w drugi bez rozrywania wiązań (zamieniania kasztanów). O takich lustrzanych figurach mówimy że są chiralne, od greckiego cheir czyli ręka. Dłonie bowiem w zasadzie są swymi lustrzanymi odbiciami, ale bez obracania ich ku sobie nie nałożą się dokładnie jedna na drugą. Chemicy odróżniają takie lustrzane cząsteczki nadając im konfigurację absolutną, zależną od tego w jakiej kolejności ułożone są podstawniki, którym przypisuje się określoną "ważność" Jeśli ruch od najważniejszego podstawnika do po kolei mniej ważnych jest prawoskrętny, to konfigurację oznaczamy literą R a jeśli lewoskrętny to literą S.
Konfiguracja cząsteczki ma duże znaczenie w biochemii - większość aminokwasów w żywych organizmach jest lewoskrętna, z aminokwasów zbudowane są białka skręcające się z tego powodu w określony sposób, z białek zbudowane są receptory i często bardzo selektywnie reagują na cząsteczki o różnej konfiguracji - przykładem karwon, jeden z terpenów występujących w olejkach zapachowych - izomer R pachnie miętą kędzierzawą, izomer S pachnie kminkiem. A jak rzecz się ma z naszą cząsteczką leku?
Przy wiązaniu z azotem jest jeden węgiel o asymetrycznie ułożonych podstawnikach - z jednej strony jest połączony z wodorem, z drugiej z innym pierścieniem, z trzeciej jest połączony z tą częścią pierścienia, gdzie znajdują się dwie grupy karbonylowe, zaś z czwartej strony jest połączony z drugą połową pierścienia, bez tych grup. Otoczenie z każdej strony jest inne, zatem cząsteczka jest asymetryczna i chiralna. Możliwe stają się zatem dwa położenia drugiego pierścienia, połączonego przez azot - w jednym znajduje się on nad płaszczyzną pierścieni w asymetrycznym węgle, a w drugim pod nią:

Te dwie odmiany mają różne właściwości - izomer R ma właściwości przeciwbólowe i uspokajające, zaś izomer S teratogenne. Podczas syntezy produkowano racemat - równomolową mieszaninę obu izomerów, tego szkodliwego i tego niebezpiecznego. Gdy odkryto tę zależność, postanowiono przeprowadzić selektywną syntezę tylko jednej, dobroczynnej odmiany. niestety okazało ię, że po wprowadzeniu do organizmu związek ulega samorzutnej przemianie i połowa dawki zamienia się w szkodliwy izomer. Dlatego właśnie dziś jego zastosowanie ogranicza się już tylko do chemioterapii.

A co z poszkodowanymi?
Mimo ujawnienia przyczyny deformacji jeszcze przez długi czas rodziny poszkodowanych dzieci nie mogły doprosić się pomocy. Firma Grünenthal straszyła sądem każdego kto chciał winić ją o tą sytuację. Na dobrą sprawę odszkodowania jakie wywalczyły rodziny, pochodziły głównie od dostawców lub od rządów państw, które nie wymagały, jak USA, dokładnych badań przed wprowadzeniem na rynek. Dopiero w 1972 roku firma musiała zapłacić 150 mln dolarów rodzinom trzech tysięcy dzieci, jakie urodziły się zdeformowane w Niemczech. Rodziny dzieci urodzonych w innych krajach nie wywalczyły odszkodowań do dziś. Niedawne oficjalne przeprosiny miały od strony firmy jedynie symboliczne znaczenie.
Skandal wokół tej sprawy wywołał duże zmiany w prawie farmaceutycznym, które dotychczas bardzo lekko traktowało procedury dopuszczania nowych leków - zaledwie przecież kilka lat wcześniej, w 1954 roku we Francji lek na czyraki skórne zabił sto osób, bo nikt nie wykonał rzetelnych badań działania na ludzi.
Od teraz wymagane stały się nie tylko kilkufazowe badania kliniczne ale też ścisłe określenie grupy, dla której znane są dane medyczne. Gdy kilka lat temu zachorowałem i przepisano mi antybiotyk, w ulotce pisano, że nie powinny go stosować matki ciężarne i dzieci do 12 lat - czy dlatego że dla nich lek był szkodliwy? Nie, po prostu dla tych grup nie ma informacji medycznych o bezpieczeństwie, lepiej więc traktować go jak szkodliwy i nie podawać, niż narażać się na to, że rzecz wyjdzie dopiero w praniu.

Na koniec rozprawię się może jeszcze z jedną krążącą po świecie informacją - w sporach między przeciwnikami farmakologii a jej zwolennikami, gdy którejś ze stron brakuje argumentów, sięgają do "argumentu z Nazistów" - na zasadzie: "twoja idea jest be bo kiedyś zajmował się nią nazista". W przypadku farmakologii łatwo zadać ten cios po niesławnej sprawie firmy Bayer oskarżonej o silne związki z hitleryzmem. Niekorzy czasem sięgają w historii dalej wywodząc, że talidomid, szkodliwy lek, który okaleczył tysiące dzieci, był produkowany przez nazistę i potem eks-naziści nie dopuszczali do ujawnienia tej informacji.
Faktycznie, dyrektor Grünenthal w tamtym czasie był wcześniej członkiem partii nazistowskiej. Co ma piernik do wiatraka? Właściwie nic, ale warto może przypomnieć biografię lekarza, który ujawnił szkodliwość leku - Widukind Lenz był członkiem hitlerjugen a w czasie wojny pracował w fabrykach syntetycznej benzyny, zaś jego ojciec był założycielem instytutu eugenicznego, propagującego małżeństwa aryjskich par i usuwanie ze społeczeństwa niepełnosprawnych. Jeśli życiorys ma czegokolwiek dowodzić to w tym przypadku pokazuje, że dla niektórych lekarzy dobro pacjentów jest ważniejsze od kariery.

----------
*  http://www.fr-online.de/wissenschaft/contergan-skandal-verstuemmelt-durch-eine-arznei,1472788,11219174.html


[1] SOMERS GF (1960). Pharmacological properties of thalidomide (alpha-phthalimido glutarimide), a new sedative hypnotic drug. British journal of pharmacology and chemotherapy, 15, 111-6 PMID: 13832739
[2]  http://www.nrdc.org/nuclear/nudb/datab15.asp
[3] "Kalte Füße" Der Spiegiel 06.12.1961
[4]  http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2010/09/13/AR2010091306279.html
[5]  Koch HP, & Czejka MJ (1986). Evidence for the intercalation of thalidomide into DNA: clue to the molecular mechanism of thalidomide teratogenicity? Zeitschrift fur Naturforschung. C, Journal of biosciences, 41 (11-12), 1057-61 PMID: 2953123
[6] Stephens TD, Bunde CJ, & Fillmore BJ (2000). Mechanism of action in thalidomide teratogenesis. Biochemical pharmacology, 59 (12), 1489-99 PMID: 10799645