Stereokemija

The World is chiral and clinal; enjoy the simetry wherever you find it. (V. Prelog)

Među svjetski priznatim kemičarima koji su istraživali kiralne spojeve i dali značajne doprinose njihovom upoznavanju ističe se i naš Nobelovac Vladimir Prelog (1906. – 1998.). Od 1935. do 1941. radio je kao profesor organske kemije na Tehničkom fakultetu u Zagrebu. Tada odlazi u Zürich na poziv našeg prvoga Nobelovca, Lavoslava Ružičke gdje je također radio kao sveučilišni profesor i bavio se znanstvenim istraživanjem.

Za knjigu Mojih 132 semestra kemijskih studija (My 132 Semesters of Chemical Studies) u kojoj je opisao svoj æivot i rad prof. Prelog je naručio ex libris* od švicarskog umjetnika Hansa Ernija, crtež koji simbolizira kiralnost. Osim lijeve i desne ruke na crtežu su dva tetraedra koja predstavljaju osnovnu strukturu organskih kiralnih molekula te glava koja prestavlja ljudski um koji sve to uspijeva razumjeti.

U prirodi ima mnogo primjera spojeva jednake kondenzirane strukturne formule, koji se međusobno odnose kao predmet i njegova zrcalna slika, a imaju različita neka svojstva, kao što su miris, okus i biološka aktivnost. Kao primjer možemo navesti različite arome metvice i kumina (kima) koji se pripisuju različitom djelovanju zrcalnih spojeva karvona na naše osjetilne stanice:

Svjetlost koja se širi iz nekog izvora sastoji se od elektromagnetskih valova koji titraju u svim ravninama okomito na smjer širenja. Ako se takva svjetlost propusti kroz polarizator, valovi izlaznog svjetla titraju samo u jednoj ravnini, također okomitoj na smjer širenja zračenja. Takvo je svjetlo linearno polarizirano.

Kad monokromatska polarizirana svjetlost prođe kroz sloj molekula optički aktivnog spoja, polarizacijska ravnina zakreće se i na izlazu uzorka zakrenuta je za određeni kut. Zakretanje ravnine polarizacije može biti u smjeru kazaljke na satu i tada ga obilježavamo s (+) ili u suprotnom smjeru i tada dobiva oznaku (−).

Kad monokromatska polarizirana svjetlost prođe kroz sloj molekula optički aktivnog spoja, polarizacijska ravnina zakreće se i na izlazu uzorka zakrenuta je za određeni kut. Zakretanje ravnine polarizacije može biti u smjeru kazaljke na satu i tada ga obilježavamo s (+) ili u suprotnom smjeru i tada dobiva oznaku (−).

Bromfluorklormetan asimetrična je molekula s jednim asimetrično supstituiranim atomom ugljika. Zato se može pojaviti u dva stereoizomerna oblika. Tu vrstu stereoizomera zovemo enantiomeri.

Enantiomeri su vrsta izomera koji se ne razlikuju po redoslijedu kovalentno vezanih atoma, nego samo po prostornom usmjerenju tih atoma. Odnose se kao predmet i njegova zrcalna slika i ne mogu se međusobno prekriti čak i nakon rotacije oko jednostruke kovalentne veze.

Kiralnost je u organskim molekulama najčešće posljedica asimetrično supstituiranog atoma ugljika.

Konfiguracija neke molekule raspored je njezinih atoma u prostoru bez obzira na rasporede koji su posljedica rotacije oko jedne ili više jednostrukih veza.

Rasporedi atoma u molekuli nastali uslijed rotacija oko jednostrukih veza nazivaju se konformacijama.

Pravila prema kojima se određuje konfiguracija neke kiralne molekule predložili su 1964. R. S. Cahn, C. K. Ingold i V. Prelog (CIP).

• Molekulu enantiomera promatramo kroz kiralni atom ugljika (C*) sa suprotne strane od supstituenta s najmanjim prioritetom (skupina broj 4, –H).
• Ako, polazeći od skupine 1 preko 2 do skupine 3, opisujemo put kazaljke na satu, kao što je to u našem primjeru a), konfiguraciju toga enantiomera označujemo slovom R.
• Promatramo li na isti način drugi enantiomer gliceraldehida, u našem primjeru b), prelazeći preko skupina u slijedu 1 2 3 opisujemo put suprotan smjeru kazaljke na satu. Konfiguraciju takvog enantiomera označujemo slovom S.

Konfiguracije enantiomera koje prikazuju stvarni raspored skupina u prostoru oko asimetrično supstituiranog atoma ugljika zovu se apsolutne konfiguracije. Takve konfiguracije enantiomera označujemo slovima R i S. Na temelju predznaka optičke aktivnosti ne možemo unaprijed znati koja je apsolutna konfiguracija. Spojevi R-konfiguracije mogu imati predznak zakretanja ravnine polarizacije i (+) i (−), a jednako tako i spojevi S-konfiguracije.

Smjesa koja se sastoji od jednakih količina R i S-enantiomera zove se racemat. Takva je smjesa optički inaktivna (neaktivna) − ne zakreće ravninu polariziranog svjetla, a označuje se s (±) ili (R,S), npr. (R,S)-gliceraldehid.

Uz izuzetak anorganskih soli i malog broja nekih jednostavnih organskih spojeva, molekule organskih spojeva u živim stanicama biljaka i životinja jesu kiralne. Iako te molekule zbog više asimetričnih atoma ugljika mogu imati velik broj stereoizomera, gotovo uvijek u prirodi nalazimo samo jedan od njih.

Naravno, ima i slučajeva da u prirodnim materijalima nalazimo i više stereoizomera istog spoja, no rijetko kada u istom biološkom sustavu (organizmu) jer se enantiomeri razlikuju mirisom, okusom i biološkom aktivnosti. Razlog je tomu što se reakcije u živoj stanici događaju uz posredovanje biokatalizatora, enzima, koji su i sami kiralne molekule pa će samo jedan stereoizomer u interakciji s takvim katalizatorom dati potrebnu reakciju.

Vrlo često ljekovito djelovanje ima samo jedan enantiomer pa je za terapiju enantiomerno čistim lijekom potrebna manja doza nego za terapiju racemičnom smjesom. Jedan od lijekova, naproksen, protuupalni je lijek koji sadrži ljekovitu tvar u obliku S-enantiomera.