-
Dionizov dariliti
O vinu, srijeu i (stereo)kemiji
Kreimir Molanov, Institut Ruer Bokovi
18. oujka 2008.
Posveeno Katarini Sedlar, prof. kemije, i Tomislavu Sreu, dipl.
in.kemije, povodom skoroga im vjenanja
1 Uvod
Nema studenta kemije ili neke srodne znanosti, niti maturanta
koji nije svje-stan injenice da su molekule trodimenzijske estice.
Kemija u prostoru stereokemija nije toliko grana kemije koliko nain
gledanja na nju; tako jesmatrao, meu ostalim velikim kemiarima, i
na nobelovac Vladimir Prelog.Dananju se kemiju, kako organsku, tako
i anorgansku, ne bi moglo ni za-misliti bez velikih stereokemijskih
otkria nainjenih u 19. i poetkom 20.stoljea. Ne bi se moglo
zamisliti niti srodne znanosti, ziku, geologiju, bi-ologiju,
biokemiju, farmaciju, medicinu, prehrambenu tehnologiju. . .
znanosto ivotu kao takvu. Silan napredak medicine i farmacije u
posljednjih sto-tinjak godina ima se itekako zahvaliti
stereokemiji. Gotovo su sve molekulebioloki aktivnih spojeva - kako
prirodnih, tako i sintetskih (ovdje spada ivelika veina lijekova) -
kiralne i njihova je stereokemija vrlo sloena. Ipak,otkria osnovnih
stereokemijskih pojmova, danas toliko vanih, napravljenasu na
jednom posve obinom, lako dostupnom, jeftinom i ope poznatomspoju,
vinskoj kiselini. Utjecaj ove tvari na razvoj ne samo kemije, nego
iprirodoslovlja uope, ogroman je.
2 Od kamenca do organskih kiselina
Kada je bog Dioniz prije nekih 7000 godina siao s Olimpa kako bi
Grkepoduio umijeu pravljenja vina, darovao je ovjeanstvu jo jedan
dar od
1
-
neprocjenjive vrijednosti. No, trebala su proi stoljea prije
nego to su ljudishvatili svu njegovu veliinu. Taj je dar naime bio
naoko beznaajan i posvenezanimljiv, kamencu nalik, talog koji se
skupljao po stijenkama vinskihbavi i amfor. Ovaj vinski kamen, koji
su poznavali ve stari Grci, u nasje poznat kao srije (sre ) ili
kleger (Slika 1). Njegovo je kemijsko ime kalijevhidrogentartarat.
To je bezbojna kristalna tvar slabo topljiva u vodi (u 100mL vode
se pri sobnoj temperaturi moe otopiti tek 0,6 g srijea). Kiselogaje
okusa. Zapaljiv je i gori ljubiastim plamenom. Sirovi srije dobiven
izvina obino je obojan jer se na njega nataloe tanini i druge
obojane tvarikojih ima puno u vinu, naroito crnom.
Slika 1: Nakupine kristala srijea naene u boci crnoga vina (T'ga
za jug, berba2003). Tamnoljubiasta boja potjee od tanin prisutnih u
vinu; srije je inaebezbojan. Rendgenskom je difrakcijom potvreno da
se ovaj uzorak, kojega jeautoru ljubazno ustupio Kristijan A. Kova,
dipl. in. kemije, zaista sastoji odsitnih kristalia srijea.
Antiki su vinari smatrali da nusproizvod koji nastaje prilikom
stvaranjaboanskoga napitka mora, ma bio on i posve bezvezan
kamenac, u sebisadravati neto boansko (i tu su itekako bili u
pravu!). Stari Grci i Rimlja-ni pokuavali su ga na sve naine
iskoristiti; P l i n i j e S t a r i j i spominje12 ljekovitih
pripravaka od srijea [1], a u svojem spjevu De rerum naturaTit L u
k r e c i j e [2] spominje srije u onome dijelu gdje govori o
atomima:
2
-
UT FACILE AGNOSCAS E LEVIBUS ATQUE RUTUNDISESSE EA QUAE SENSUS
IUCUNDE TANGERE POSSUNT,AT CONTRA QUAE AMARA ATQUE ASPERA CUMQUE
VIDENTUR,HAEC MAGIS HAMATIS INTER SE NEXA TENERIPROPTEREAQUE SOLERE
VIAS RESCINDERE NOSTRISSENSIBUS INTROITUQUE SUO PERRUMPERE
CORPUS.OMNIA POSTREMO BONA SENSIBUS ET MALA TACTUDISSIMILI INTER SE
PUGNANT PERFECTA FIGURA;NE TU FORTE PUTES SERRAE STRIDENTIS
ACERBUM. . .OMNIS ENIM, SENSUS QUAE MULCET CUMQUE,HAUT SINE
PRINCIPIALI ALIQUO LEVORE CREATAST;AT CONTRA QUAE CUMQUE MOLESTA
ATQUE ASPERA CONSTAT,NON ALIQUO SINE MATERIAE SQUALORE
REPERTAST.SUNT ETIAM QUAE IAM NEC LEVIA IURE PUTANTURESSE NEQUE
OMNINO FLEXIS MUCRONIBUS UNCA,SED MAGIS ANGELLIS PAULUM
PROSTANTIBUS,TITILLARE MAGIS SENSUS QUAM LAEDERE POSSINT,FECULA IAM
QUO DE GENERE EST INULAEQUE SAPORES. [2]
(Odatle spoznaje lako, iz glatkih i okruglih da seSastoji ono
atoma, to ugodno utila dira;Naprotiv, ono to gorko i oporo ini se,
moraDa je od kukiastih vie, povezanih medj'se atoma.Zato i obino
oni do utila razderu naihPutove, ulazom svojim ozljedjuju naa
tjelesa.Zatim, to dobro, to zlo na utila djeluje naa,Medj' sobom
bori se, jer iz neslinih jeste oblika.Ili ti ne vjeruje moda, e
strano zvuei neskladPile dok zvidi iz glatkih se sastoji isto
atoma. . .Naime, svi oblici koji ugadjaju utilima naim,Prvotnu
glatkost zacijelo imadu atoma u sebi;Naprotiv, sve to imade, to
dosadno, grubo j' u sebi,Uvijek se nadje u vezi sa grubou, gadnou
tvari.Takodjer ima atoma, to s pravom se moe smatratGlatkijem, a
opet nije posvema uglovit, kukast,Nego uglove ima, to istiu se van
tek malko,Kojino kakljati vie, no vrijedjati naa utila mogu;Takve
je vrste kamenac od vina i ovnike okus.1)
1Prijevod M. Tepea (1938.) [3]
3
-
Kao to vidimo, Lukrecije okuse i mirise objanjava
meudjelovanjimaestica dotinih tvari i naih osjetila. To je jedan od
najstarijih pokuajatumaenja makroskopskih pojava osnovnim,
najsitnijim, esticama tvari (a-tomima), dakle povezivanja mikro- i
makrosvijeta. Posebno je mjesto srijeau prirodoslovlju, izgleda,
sudbinski predodreeno.
I tijekom srednjega vijeka alkemiari su se svim silama bavili
izvoenjempokus sa srijeom, kojega su nazivali tartar (katkad
tartarum ili tartarus)ili argol. Osim to ih je intrigirala njegova
boanska priroda, na ruku im jeila i injenica da je kalijev
hidrogentartarat bio jedan od rijetkih organskihspojeva koji su se
tada mogli dobiti u vrlo istom obliku. Da je rije o soli,shvatio je
u 8. stoljeu perzijski alkemiar D a b i r i b n Ha j a n , koji
jeiz nje uspio dobiti kiselinu, dodue u vrlo neistom obliku. Kao i
u antici,srije je u srednjem vijeku naao svoje mjesto u
ljekarnitvu. U sluajevimateih trovanja uzimao se antimonilov
kalijev tartarat (u nas poznat kao srijeza bljuvanje) koji se, kako
mu puko ime kae, koristio kao emetik [4]. Natrijevkalijev tartarat,
poznat kao roelska sol, bio je, i jo je uvijek,
nezaobilaznisastojak bezbrojnih krema i raznih drugih kozmetikih
pripravaka. Njegovaje priprava stotinjak godina bila strogo uvana
tajna (i izvor goleme zarade)ljekarnike obitelji Seignette iz
francuskoga grada Rochelle [5].
U sedamnaestomu se stoljeu odgovarajuim postupcima ve moglo
pre-vesti srije u niz drugih soli. Broj poznatih srijeovih soli
stoga je zaas poras-tao. Krajem 1760-ih vedski je kemiar i
ljekarnik Carl Wilhelm S c h e e l e(Slika 2) razvio metodu
izolacije iste vinske kiseline - najprije je srije kuhaos kredom, a
zatim je nastalu netopljivu kalcijevu sol razloio
sumpornomkiselinom. Hlaenjem i hlapljenjem te otopine nastaju
kristali iste vinskekiseline. Iz tartara izolirana kiselina dobila
je ime acidum tartaricum, i unas je poznata kao srijeova kiselina
(srijeovina) ili vinska kiselina [5, 6].Njezine soli nazivamo
tartaratima.
Vinska kiselina, koja se po IUPAC-ovim pravilima zove
2,3-dihidroksibu-tanska-1,4-dikiselina, bezbojna je kristalna tvar
talita 168 170 oC dobrotopljiva u vodi (u 100 mL vode moe se pri
sobnoj temperaturi otopiti 133 gvinske kiseline). Veina njezinih
soli poznatih u 18. stoljeu bila je takoerdobro topljiva. Izuzetci
su bili kalcijev tartarat i - naravno - srije. Upravoje slaba
topljivost srijea bila razlog njegovome taloenju po vinskim bocamai
bavama.
Scheeleov se postupak mogao primijeniti na izolaciju cijeloga
niza organ-skih kiselina na veliko. Budui da je potranja za
srijeovinom bila velika,nakon samo nekoliko godina uz vinarije su
poele nicati prave pravcate tvor-nice vinske kiseline. Bio je to
zaetak kemijske industrije.
4
-
Slika 2: Carl Wilhelm Scheele (1742-1786).
3 (Stereo)izomerija
Godine 1818. opazio je Paul K e s t n e r , tvorniar iz Thanna u
Francuskoj,da se pored kristala vinske kiseline u njegovim bavama
javlja i mala koliinakristala neke druge tvari. Ispoetka je smatrao
da je rije o oksalnoj kiselini,no ubrzo je shvatio da je dobio neto
posve novo. Vee je koliine te tvaripriredio kuhanjem zasiene
otopine vinske kiseline pri 170 oC. Joseph LouisG a y - L u s s a c
je 1826. ustanovio da je ta nova kiselina vrlo slina vinskojte da
obje imaju formulu C4H6O6. Novome je spoju, koji je bio slabije
topljiv(25 g u 100 mL vode pri sobnoj temperaturi) i neto viega
vrelita (200206oC) od vinske kiseline, dao ime acidum racemicum (od
lat. racemus - grozd).Po hrvatski se ta tvar zove groana ili
racemina kiselina. Njezine soli proz-vane su racematima. Bio je to
prvi opisani sluaj izomerije, pojave da dva ra-zliita spoja imaju
istu kemijsku formulu. Kestnerova je priprava raceminekiseline
pregrijavanjem otopine vinske kiseline zapravo prva poznata
reakcijaizomerizacije, prevoenja nekog spoja u njegov izomer. Na
slian se nainova kiselina pravi i danas [7]. Sljedee je godine Wh l
e r objavio svojuglasovitu sintezu ureje te ustanovio da je njezina
formula CH4N2O, ista kaoi kod anorganskog spoja amonijevog
cijanata. Za ovakve spojeve koji se sas-toje od istih atoma, a ipak
su razliiti, vedanin Jns Jakob B e r z e l i u s(Slika 3) je 1830.
predloio ime izomeri (vedski isomeriska kroppar nastaloje od grkog
o - sastavljen od jednakih dijelova).
Ve su tako polovicom 19. stoljea bila poznata dva tipa
izomerije: kodureje i amonijevoga cijanata atomi su medusobno
razliito povezani (Slike 4ai 4b). Takve spojeve nazivamo
konstitucijskim izomerima. U sluaju vinskei racemine kiseline svi
atomi su jednako povezani, kao to je 1858. pokazao
5
-
Slika 3: Jns Jakob Berzelius (1779-1848).
Archibald Scott C o u p e r [8] (Slika 4c). Dvije godine kasnije
P e r k i ni Dup p a potvrdili su strukturu racemine kiseline
sintezom iz anorgan-skih prete; Pasteur na slian nain priredio
vinsku kiselinu. Pasteurova jesinteza bila prva ikada namjerno
izvedena sinteza nekog kiralnog spoja.
Slika 4: Strukturne formule a) ureje, b) amonijevog cijanata te
c) vinske iracemine kiseline, kakve su bile poznate u 19.
stoljeu.
Jedino logino objanjenje razlike izmeu vinske i racemine
kiseline jestu razliitom prostornom rasporedu atoma. Takve spojeve
kod kojih su istiatomi jednako povezani, a ipak razliito u prostoru
razmjeteni danas nazi-vamo stereoizomerima. No, pria o
stereoizomeriji vinske kiseline ovdje tekpoinje; valja jo samo
dodati da je godine 1853. Louis Pasteur sintetiziraojo jedan njezin
stereoizomer, meso-vinsku kiselinu. Podjednako je topljivakao i
vinska kiselina (125 g u 100 mL vode pri sobnoj temperaturi) i
imamalo nie talite (140 oC). O njoj e jo biti govora.
6
-
4 Molekulska kiralnost; enantiomerija i
dijastereoizomerija
Otkrie molekulske kiralnosti usko je vezano uz dva pojma: optiku
aktivnosti hemiedriju. Optiku je aktivnost poetkom 19. stoljea
opazio Jean-BaptisteB i o t (Slika 5): prilikom prolaska zrake
polariziranog svjetla kroz uzorkenekih tvari - kristale, tekuine
ili otopine - ravnina polarizacije dotine zrakezakrene se za neki
kut. Najprije je ovaj efekt opazio na kristalima kvarca(1812), a
zatim i na nekim organskim uzorcima, terpentinskom ulju,
ek-straktima iz limuna i lovora, otopinama kamfora, eera itd.
(1815). Biot jezakljuio da je optika aktivnost kvarca, iji neki
kristali ravninu polarizacijezakreu udesno, a neki ulijevo,
posljedica grae kristala, dok je kod organ-skih spojeva (koji
uvijek zakreu u istom smjeru) ona posljedica grae samihmolekula.
Dvadesetak godina kasnije opazio je da vinska kiselina i
njezinesoli zakreu u desno, dok su racemina kiselina i njezine soli
optiki neaktivni[5, 6, 9, 10].
Slika 5: Jean-Baptiste Biot (1774-1862).
Krajem 18. stoljea francuski je opat Ren Just H a y pretpostavio
dasu vanjska forma i simetrija kristala odraz njihove unutranje
grae. Uskoroje otkrio da se na kristalima kvarca javljaju tzv.
hemiedarske plohe kojenaruavaju simetriju. One mogu biti
orijentirane na lijevo ili na desno tvoreitako dvije vrste kristala
koje se u prostoru ne mogu preklopiti, ali se jedanprema drugome
odnose kao predmet i njegova zrcalna slika (Slika 6). Danasbismo
rekli da su takvi kristali enantiomerni ili enantiomorfni. Svaki
parpredmet koji se odnose kao predmet i njegova zrcalna slika danas
nazivamoparom enantiomer. Hay je smatrao da pojava hemiedrije nije
sluajna,
7
-
nego da je uzrokovana niom simetrijom samih estica od kojih je
kristalnapravljen [5, 6].
Slika 6: Lijevi i desni kristal kvarca odnose se kao predmet i
njegova zr-calna slika te zakreu ravninu polarizacije svjetlosti u
suprotnim smjerovima.Hemiedarske su plohe oznaene sivom bojom.
Ovakvi su kristali enantiomerni.
Engleski je matematiar i astronom John F. W. H e r s c h e l
(Slika 7) oko1822. korelirao optiku aktivnost kvarca s njegovim
hemiedarskim plohama:oni s lijevim plohama zakreu ravninu
polarizacije u lijevo, a oni s desnimplohama u desno.
Slika 7: Sir John Frederick William Herschel (1792-1871).
Traei izvor sitnih razlika u zikim i kemijskim svojstvima vinske
iracemine kiseline, Berzelius je pismom ponukao Eilharda M i t s c
h r e l i c h a ,jednog od tada najznamenitijih kristalografa, na
ispitivanje simetrije kristal
8
-
ovih kiselina i njihovih soli. Iako se odmah uhvatio posla,
Mitscherlich jeubrzo doao do vrlo zbunjujuih rezultata pa je
desetak godina oklijevao ob-javiti ih. Konano ga je s gotovo
jednakom studijom pretekao Frdric Hervd e l a P r o v o s t a y e
(1841). Rezultati obaju istraivanja mogu se ukratkoovako saeti:
kristali vinske kiseline (Slika 8a) i njezinih soli hemiedarski
su;ovi spojevi svi zakreu ravninu polarizacije u desno. Racemina
kiselina isve njezine soli optiki su neaktivne, a njihovi kristali
nemaju hemiedarskihploha (tj. ne postoje dva enantiomerna oblika pa
se mogu preklopiti sa svo-jom zrcalnom slikom - za takve se
kristale kae da su holoedarski) (Slika 9)[5, 6].
Slika 8: Hemiedarski kristali a) desnozakreue i b) lijevozakreue
vinske kiselinekoju je 1847. izolirao Pasteur, odnose se kao
predmet i njegova zrcalna slika (tj.enantiomerni su). Ravninu
polarizacije zakreu u suprotnim smjerovima.
Slika 9: Holoedarski kristali a) racemine kiseline, b) kalijeva
racemata, c) natri-jeva racemata i d) kalijeva antimonilova
racemata mogu se preklopiti sa svojomzrcalnom slikom. Svi su ovi
spojevi optiki neaktivni.
Izuzetak su samo dvije soli: natrijev amonijev tartarat i
natrijev amonijev
9
-
racemat iji su kristali naoko posve jednaki. Izgleda da je
jedina razlika meunjima bila u optikoj aktivnosti.
Zbunjeni je Mitscherlich 1844. ovako pisao Biotu: Natrijeve
amonijevesoli obiju izomernih kiselina imaju iste kristalne forme i
iste gustoe. . . aliovdje su priroda i broj atoma, njihov raspored
i njihove (meusobne) udalje-nosti iste u obje supstance [9, 10,
11]. Ovo je pismo, kao i opskurni izvje-taj izvjesnoga Han k e l a
iz 1843. koji tvrdi da se na kristalima desnoza-kreuega natrijevog
amonijevog tartarata javljaju hemiedarske plohe2, po-nukalo mladoga
Biotova uenika, Louisa Pasteura (Slika 10), da se
pozabaviprouavanjem kristala ovih soli [9, 11].
Slika 10: Louis Pasteur (1822.-1893.) u svojem laboratoriju.
Pasteur je uskoro sa zadovoljstvom opazio hemiedarske plohe na
krista-lima natrijevog amonijevog tartarata (Slika 11a), detalj
koji je promakao iMitscherlichu i de la Provostayeu. Za divno udo,
iz otopine natrijeva amoni-jeva racemata opet su izrasli
hemiedarski kristali, no neki od njih su imalidesne, a drugi lijeve
plohe (Slika 11a i b). Vjerujui u Hayjevu hipotezu
2Spomen ovoga izvjea moe se nai samo u Pasteurovim biljekama; po
svemu sudeinikada nije bilo objavljeno.
10
-
da je simetrija kristala odraz unutarnje simetrije estica od
kojih je pravljen,Pasteur je pomou poveala i pincete ziki odvojio
lijeve (Slika 11b) oddesnih (Slika 11a) kristala. Koliko s uenjem,
toliko i s oduevljenjem,opazio je da su i jedni i drugi optiki
aktivni. tovie, otopina desnih jedesnozakreua, a lijevih
lijevozakreua! Otopina nastala otapanjem jed-nake mase lijevih i
desnih kristala bila je optiki neaktivna. Zatim jePasteur iz obje
vrste kristala izolirao istu kiselinu: ona iz desnih bila je
i-dentina prirodnoj vinskoj kiselini (Tablica 1; Slika 8a), dok se
lijeva od njerazlikovala samo po tome to je ravninu polarizacije
zakretala na suprotnustranu i to su njezini kristali imali lijeve
hemiedarske plohe (Slika 8b)[9, 11].
Slika 11: Kristali a) desnozakreueg i b) lijevozakreueg
natrijevog amonijevogtartarata hemiedarski su i enantiomerni; c)
optiki neaktivni holoedarski kristalinatrijevog amonijevog
racemata. Ovi posljednji nastat e pri temperaturama viimod 26 oC.
Upravo zato je Pasteuru i polo za rukom prirediti enantiomerne
kristale- u njegovom laboratoriju naime nije bilo tako toplo.
Iz ovih je podataka, tada 25-godinji, Pasteur izveo sljedee
zakljuke:- Racemina kiselina nije isti spoj nego smjesa jednakih
koliina (danas
bismo rekli jednakih mnoin molekul) lijeve i desne vinske
kiselinekoje se razlikuju samo po smjeru zakretanja ravnine
polarizacije. Budui daova dva spoja zakreu za isti iznos, ali u
suprotnim smjerovima, zakretanjese poniti. Zato je racemina
kiselina naoko optiki neaktivna3.
3Danas se sve (optiki neaktivne) smjese jednakih mnoin molekul
dvaju enan-tiomernih spojeva nazivaju racematima.
11
-
- Optika aktivnost organskih tekuin i otopin posljedica je
nedostatkasimetrije samih molekula4 (tzv. dissimetrija, franc.
dissymetrie moleculaire).
- Optika aktivnost kristal ije su otopine (ili taljevine) optiki
neaktivne,npr. kvarca ili natrijeva klorata, posljedica je
asimetrinog razmjetaja mo-lekula koje nisu dissimerine.
- Molekule lijeve i desne vinske kiseline se, isto kao i njihovi
kristali,meusobno odnose kao predmet i njegova zrcalna slika [5, 6,
9, 10, 11]. Danasbismo rekli da su ta dva spoja enantiomerna, tj.
da ine enantiomerni par.
Na nagovor tada ve ostarjeloga Biota, Pasteur je 15. svibnja
1848. ovootkrie predstavio francuskoj akademiji [9, 11].
Trei stereoizomer vinske kiseline, meso-vinska kiselina, bio je
optikineaktivan i njegovi su kristali bili holoedarski. Strukturne
formule svih trijustereoizomera, onako kako danas znamo da
izgledaju, prikazane su u Tablici1. Na slikama vidimo da su
molekule lijeve i desne vinske kiseline za-ista enantiomerne, a da
se molekule meso-vinske kiseline mogu preklopiti sasvojom zrcalnom
slikom. Molekule koje se ne mogu preklopiti sa svojomzrcalnom
slikom danas nazivamo kiralnima [12]. Molekule meso-vinske
kise-line su akiralne. Pasteur je ispravno smatrao da je uzrok
optikoj aktivnostisimetrija molekul; optiki aktivni spojevi imaju
kiralne molekule, dok sumolekule optiki neaktivnih spojeva
akiralne. Prouavanje meso-vinske kise-line dovelo je do jo jednoga
vanog pojma u stereokemiji - dijastereoizomer-ije.
Dijastereoizomerima se nazivaju parovi stereoizomernih molekula
kojenisu enantiomerne, npr. desna i meso-vinska kiselina. Metode
odvajanjaenantiomernih spojeva koje je Pasteur usarvio sljedeih
godina koriste se idan-danas u kemijskoj i farmaceutskoj industriji
[10, 13]. Stoga ga s pravommoemo smatrati jednim od najveih
znanstvenika u povijesti ovjeanstva.
5 Kemija u tri dimenzije
Svojim je radom Pasteur postavio temelje stereokemiji. Ipak, jo
je ostalonejasnoa vezanih uz izomere vinske kiseline. Pasteur je
smatrao da svakiorganski spoj ima tri stereoizomera, dva optiki
aktivna enantiomera i jedanoptiki neaktivan meso-izomer. Ipak tako
nije bilo, i trebalo je proi jo 20 ineto godina (tijekom kojih su
se razvijale metode organske sinteze, izolacijespojeva iz prirodnog
materijala te odvajanja enantiomer) dok nije otkrivenrazlog optike
aktivnosti. Godine 1874. su, neovisno jedan o drugome, Ni-
4Pojam dissimetrije treba razlikovati od pojma asimetrije. Dok
asimetrija pretpostavljaodsutnost svih elemenata simetrije,
dissimetrian predmet moe imati elemente simetrijekoji ne izvru
konguraciju (tj. osi simetrije). Vie o simetriji, dissimetriji,
asimetriji ipojmu kiralnosti moe se nai u ref. [12].
12
-
zozemac Jacobus Henricus v a n' t H o f f i Francuz Joseph
Achille L eB e l predloili tetraedarski model ugljikova atoma [14].
Prema tom mod-elu spoj je optiki aktivan ako ima etiri razliite
skupine vezane na jedan,asimetrini5, ugljikov atom. Spoj s jednim
asimetrino supstituiranimugljikovim atomommoe dakle imati samo dva
stereoizomera, lijevi i desnienantiomer. Promatrajui sliku 4,
zakljuujemo da molekula vinske kiselineima dva takva atoma. Svaki
od njih moe biti lijevi ili desni, to ukupnodaje 22 = 4
kombinacije. Trebala bi stoga postojati 4 stereoizomera, ali
poz-nata su samo tri. Kako to? Kod molekula desne vinske kiseline
oba suasimetrina ugljikova atoma desna a kod molekule lijeve
lijeva. Kodpreostale dvije kombinacije jedan je atom desni, a drugi
lijevi i obratno.Nije teko domisliti se da su te dvije molekule
zapravo identine; obje pred-stavljaju meso-vinsku kiselinu!
Pogledajmo samo sliku 4 i tablicu 1 pa enam biti jasno.
Kemiari su se sada mogli pozabaviti stereokemijom sloenijih
spojeva,no odmah su naili na probleme. Posebno su ih zbunjivali
eeri, koji imajusilno mnotvo izomera, od kojih su gotovo svi optiki
aktivni. Na primjer,molekula glukoze, eera sa 6 ugljikovih atoma,
ima ak 16 stereoizomera (tj.8 parova enantiomer)!6 Jo gore,
pokazalo se da smjer zakretanja ravninepolarizacije nije ni u
kakvoj svezi s kemijskom strukturom. Ni dan-danas nemoe se sa
sigurnou pretpostaviti koji e enantiomer zakretati u desno, akoji u
lijevo; nadajmo se da e u ne tako dalekoj budunosti netko konanodoi
do rjeenja ovoga problema.
Problem stereokemije eera rijeio je Emil F i s c h e r (Slika
12). Ti-jekom 1880-tih on je nizom kemijskih reakcija uspio sve
tada poznate eereije molekule imaju 6 ili manje ugljikovih atoma
prevesti jednoga u drugite ih na kraju svesti na najjednostavniji
od njih, gliceraldehid. Ovaj spoj sije molekule imaju tri ugljikova
atoma od kojih je samo jedan asimetrianima samo dva izomera, lijevi
i desni gliceraldehid. Sve eere izvedeneiz desnozakreuega proglasio
je desnima i za njih uveo oznaku D. Oneizvedene iz lijevozakreueg
gliceraldehida nazvao je lijevima i oznaio ihs L. Zatim je predloio
sljedeu konvenciju: konguracije molekula L- i D-gliceraldehida
izgledaju kao na slici 13 [15]. Na taj je nain 1893.
deniraorelativne konguracije, koje se za eere i aminokiseline rabe
jo i danas.Molekule su svih prirodnih eera konguracije D, a
aminokiselin L. Da bise odredilo konguraciju bilo kojega kiralnog
spoja, trebalo ga je prevesti ugliceraldehid i izmjeriti mu optiko
zakretanje. Tako je za prirodnu vinsku
5Ispravnije bi bilo rei asimetrino okrueni ugljikov atom ili
asimetrino supsti-tuirani ugljikov atom. Jer, atomi su (barem
ugrubo) kuglasti, dakle ne mogu bitiasimetrini.
6Glukoza ima etiri asimetrina ugljikova atoma, dakle 24 = 16
stereoizomera.
13
-
kiselinu ispalo da pripada D-seriji, tj. da je relativna
konguracija njezinihmolekula D.
Slika 12: Hermann Emil Fischer (1852-1919).
Slika 13: Fischerova (1893) konvencija molekula a) desnoga (D) i
b) lijevog (L)gliceraldehida [14].
6 Apsolutna konguracija
Treba imati na umu da je Fischer svoju konvenciju uveo samo zbog
knji-govodstva, tek toliko da bi se na neki nain moglo razlikovati
enantiomerei oznaavati njihove konguracije. Tako se za svaki spoj
ija je kongu-racija bila odreena moglo znati njegov stereokemijski
odnos prema glicer-aldehidu. Odatle i naziv relativna konguracija.
U Fischerovo se doba naimenije moglo znati koja od onih dviju
formula sa slike 13 zaista pripada molekuliD-gliceraldehida.
Odgovor na to pitanje trebalo je priekati jo vie od polastoljea, i
dala ga je, kao i u Pasteurovo doba, kristalograja. I, naravno,
upriu se upleo jedan srije.
14
-
Dok su kristalogra 19. stoljea pomou mikroskopa i goniometra
mogliprouavati samo vanjski izgled (morfologiju) kristala, njihovi
su kolege iz 20.stoljea uz pomo monoga novog orua - rendgenskih
zraka - mogli zaviritiu njihovu unutranjost, vidjeti atome i
molekule od kojih se sastoje. Dase ove graevne jedinice ponavljaju
periodiki u prostoru pretpostavio je jokrajem 18. stoljea Hay, no
njegova se tvrdnja dugo nije mogla dokazati.
Njemaki je ziar Max v o n L a u e 1911. predvidio da bi se
rend-genske zrake, za koje se smatralo da su elektromagnetski
valovi vrlo kratkihvalnih duljina, mogle ogibati (difraktirati) na
atomima u kristalu isto onakokako se zrake vidljive svjetlosti
(takoer elektromagnetskih valova, ali veevalne duljine) ogibaju na
optikoj reetci. Sljedee su godine njegovi surad-nici F r i e d r i
c h i Kn i p p i n g izveli prvi difrakcijski pokus [16, 17].Njime
su dokazali dvije stvari: da su rendgenske zrake zaista
elektromagnet-ski valovi i da su kristali periodike grade. Iz
difrakcijske se slike osim togamoe odrediti i valnu duljinu
rendgenskog zraenja te veliine atoma. Odgo-varajuim se matematikim
postupkom moe doi do udaljenosti izmeu svihatoma u kristalu - moe
se dakle dobiti trodimenzijska slika unutranjegrae kristala (a time
i slika molekule u tri dimenzije). Dvojica engleskih -ziara, otac
William Lawrence B r a g g i sin William Henry B r a g g suve 1913.
odredili kristalne strukture nekolicine jednostavnih spojeva [16,
17].
Do poetka drugoga svjetskog rata rendgenska je strukturna
analiza po-stala posve razvijena znanstvena disciplina, a poznate
su ve bile kristalne imolekulske strukture petstotinjak organskih i
oko 2000 anorganskih spojeva.Moemo samo zamisliti koliko je
poznavanje tone geometrije stotina organ-skih molekula (tj. duljin
kemijskih veza i kutova izmeu njih) znailo zarazvoj stereokemije!
Jednu stvar rendgenske zrake ipak nisu mogle: razliko-vati
enantiomere. U difrakcijskim je pokusima posve svejedno jesu li
molekuleu kristalu lijeve ili desne. Nizozemac Johannes Martin B i
j v o e t sekrajem 40-tih domislio rjeenju ovoga problema. Pomou
anomalnog ras-prenja rendgenskog zraenja, (otkrivenog 1930.) koje
se javlja na atomi-ma velikoga rednog broja, Bijvoet je 1951.
odredio kristalnu i molekulskustrukturu i apsolutnu konguraciju
jednoga srijea, natrijeva rubidijeva tar-tarata [18, 19]. Time je
potvrdio da D-gliceraldehid zaista ima konguracijuprikazanu na
slici 13a. Molekula D-vinske kiseline onako kako izgleda
ukristalima, s ispravno odreenom apsolutnom konguracijom, prikazana
jena slici 14. Sve bezbrojne do tada odreene relativne konguracije
tako supostale apsolutne. Bijvoet je takoer potvrdio i da je
Fischerov proizvoljniodabir konguracij molekula gliceraldehida bio
sluajno ispravan; bila je tovelika srea jer bi inae u kemijskoj
literaturi nastala neopisiva zbrka.
Bijvoet nije bez razloga odabrao upravo natrijev rubidijev
tartarat zasvoj pokus. Za prvo odreivanje apsolutne konguracije
trebao je neki jed-
15
-
nostavan i notorno poznat spoj odavno poznate stereokemije. Uz
to, kristalisu trebali u sebi sadravati neki atom visokoga rednog
broja kako bi efektanomalnog rasprenja bio mjerljiv. U ovomu sluaju
bio je to rubidijevkation. K tome, taj je spoj morao lako
kristalizirati i tvoriti velike, dobrorazvijene kristale. Teko bi
ikoji organski spoj ove uvjete mogao bolje zado-voljiti od jednoga
srijea.
Slika 14: Stereoskopski prikaz molekule D-vinske kiseline u
kristalima [20].Gledanjem u kri tako da se obje molekule preklope
vidjet emo trodimenzijskusliku.
7 Stereokemijska zavrzlama
Otprilike u vrijeme kada je Bijvoet odredio prvu apsolutnu
konguraciju,poele su se otkrivati i manjkavosti Fischerove
konvencije za oznaavanje ki-ralnosti. Prireivali su se, naime,
mnogi kiralni spojevi koje se nije moglosvesti na gliceraldehid i
njihova se konguracija stoga nije mogla opisati nitikao D niti kao
L. Bilo je potrebno izmisliti neku novu, openitiju,
konvenciju.Uskoro su je predloili Robert Sidney Cah n , Christopher
Kelk I n g o l d iVladimir P r e l o g [21, 22], koja se njima u
ast naziva CIP-konvencijom. Ti-jekom pedesetih oni su razvili
jednoznaan sustav oznaavanja konguracijekoji vrijedi za sve atome
okruene s etirima skupinama (osim planarnih, kojisu nuno akiralni
[12]). On se temelji na sekvencijskom pravilu, dodjeljivanju
16
-
prioriteta pojedinim skupinama.Postoje tono odreena pravila
kojima se odreuje prioritet; najprije se
gleda atomski broj supstituenta (to je vei to ima vii
prioritet), zatimmaseni broj (to je vei, to je vii prioritet), pa
broj atoma vezanih na tajsupstituent (to je vei, to je vii
prioritet), itd. Detalje o odreivanju prio-riteta i apsolutne
konguracije moe se nai u bilo koje udbeniku organskekemije.
Molekulu sada promatramo kao kota ija je osovina veza koja
spajasredinji (ne nuno ugljikov) atom sa supstituentom najniega
prioriteta, o-nako kako pokazuje slika 15. Zamislimo da obod kotaa
ide od supstituenta snajviim prioritetom prema onome s drugim pa
zatim treim po redu. Uko-liko se kreemo udesno, konguracija se
oznaava s R (od lat. rectus - desno),a ako se kreemo ulijevo,
konguracija je S (od lat. sinister - lijevo). Ovakomoemo svakom
asimetrino okruenom etverovalentnom atomu odreditinjegovu
(apsolutnu) konguraciji. CIP-pravila je prihvatila i
Meunarodnaunija za istu i primijenjenu kemiju (IUPAC).
Slika 15: Odreivanje apsolutne konguracije prema CIP-pravilima:
u spojuCHBrClF prioriteti idu redom: Br > Cl > F > H.
Molekulu orijentiramo takoda gledamo kroz vezu izmeu ugljikovog
atoma i supstituenta najmanjeg prioriteta(u ovome sluaju to je veza
CH); zatim opisujemo krunicu prolazei redom krozsupstituente poevi
od onog s najveim prioritetom prema treemu po redu.
17
-
No, treba imati na umu da su i CIP-pravila, koliko god korisna
bila, ipaksamo knjigovodstvena stvar. Nema, naime nikakve veze
izmeu oznaka (+) i(), D i L te R i S. (+) i () oznaavaju smjer
optikoga zakretanja zakretanja;D i L se odnose na konguracije
gliceraldehida, a R i S na prioritete pojedinihatomskih skupina.
Posve je sluajno ispalo da prirodna vinska kiselina, kojazakree
ravninu polarizacije u desno, ima konguraciju D, odnosno (R,R)
7.
Na primjer, apsolutna konguracija svih aminokiselina je L prema
Fi-scheru, no prema CIP-pravilima sve su aminokiseline S osim
serina ija jekonguracija R zato jer najvii prioritet ima sumporov
atom vezan na ugljik.
CIP-pravilima rijeeno je opisivanje stereokemijskog okruja
etverova-lentnih atoma, no ona ipak nije univerzalna. U anorganskoj
su kemiji uo-biajeni metalni ioni valencije vee od 4, tj. na koje
je vezano vie od etiriskupine; a zadnje se vrijeme javljaju i
topoloki kiralni spojevi [12] kojimaje teko ili nemogue pripisati
neku konguraciju CIP-konvencijom. . . uope,opisivanje konguracije
molekul jo je daleko od rijeenoga i ima jo punoposla za neke budue
Fischere i Preloge.
8 Ima li dalje?
Netko e moda brzopleto pomisliti da se dananja kemija bavi
problemimaprevie sloenim da bi njihovu rjeavanju ita mogao
pridonijeti banalan,odavno poznat spoj poput srijea te da se nakon
Bijvoetovog istraivanja oovoj molekuli vie nema to rei. No, bio bi
to prenagljen zakljuak. Do danadananjega odreene su kristalne
strukture preko 250 razliitih srijeova, soliD- i L-vinske, racemine
i meso-vinske kiseline. Sa stereokemijskog su sta-jalita vrlo
zanimljivi meso-vinska kiselina i njezine soli: ovi su spojevi
op-tiki neaktivni i akiralni, ali su njihove molekule i ioni u
kristalima ipak ki-ralni. To je do sada slabo istraena pojava
konformacijske kiralnosti [12].Moemo je prikazati na primjeru
natrijeva trihidrogen di-meso-tartarata,NaH3(C4H4O6)2 (Slika 15)
[23]. U kristalima se nalaze dvije vrste molekula,i to
enantiomernih. U strukturi moemo opaziti i simetrinu vodikovu
vezuOHO, kod koje su obje udaljenosti OH jednake i iznose oko 1,2 .
Rije jezapravo o trocentrinoj dvoelektronskoj vezi, i ne moe se rei
koji je kisikovatom donor, a koji akceptor. Ova je veza zapravo
zamrznuto stanje reakcijeprijenosa protona:
OHO OHO.7Ovo znai da je raspored supstituenata (konguracija)
obaju asimetrino supsti-
tuiranih atoma R; apsolutna konguracija lijeve vinske kiseline
je (S,S ), a meso-vinske(R,S ).
18
-
Slika 16: Struktura trihidrogen di-meso-tartaratnoga aniona,
[H3(C4H4O6)2] , ukristalima NaH3(C4H4O6)2 [23]. Dvije su
enantiomerne molekule povezane neo-bino jakom vodikovom vezom dugom
samo 2,4 .
No, te se stvari tek posljednjih godina ozbiljnije prouavaju. .
. Oito,Dioniz nas ima jo mnogo emu pouiti.
Literatura
[1] C. PLINIVS SECVNDVS, NATVRALIS HISTORIA, rukopis, oko
77.Latinski original i engleski prijevod mogu se nai na
internetskoj
straniciwww.perseus.edu/cache/perscoll_Greco_Roman.html
[2] T. LVCRETIVS CARVS, DE RERVM NATVRA, rukopis, oko 54. pr.K.
Latinski original i engleski prijevod mogu se nai na
internetskojstraniciwww.perseus.edu/cache/perscoll_Greco_Roman.html
[3] Lukrecije, O prirodi (u prijevodu M. Tepea), Tipograja,
Zagreb, 1938.
[4] D. Grdeni, Povijest kemije, kolska knjiga, Zagreb, 2002.
[5] G. B. Kauman, R. D. Myers, J. Chem. Educ., 52 (1977)
777-781.
[6] M. J. T. Robinson, Tetrahedron, 30 (1974) 1499-1501.
[7] L. Vanino (ur.), Handbuch der Syntetischen Chemie, Teil II:
OrganischeChemie, Verlag F. Enke, Stuttgart, 1937.
19
-
[8] A. S. Couper, Phil. Mag., 16 (1858) 104-116. Tekst se moe
nai i nainternetskoj stranicihttp://web.lemoyne.edu/
GIUNTA/couper/couper.html
[9] R. Robinson, Tetrahedron, 30 (1977) 1477-1486.
[10] R. G. Kostyanovsky, Mendeleev Commun., 2003, 1-6.
[11] L. Pasteur, Leons de chimie profeses en 1860, Socit
Chimique deParis, Pariz, 1860. Engleski se prijevod moe nai na
internetskoj stranicihttp://web.lemoyne.edu/
giunta/pasteur60.html.
[12] K. Molanov, B. Koji-Prodi, Kem. Ind., 56 (2007)
275-292.
[13] E. L. Eliel, Croat. Chem. Acta., 69 (1996), 519-533.
[14] H. A. M. Snelders, J. Chem. Educ., 51 (1974) 2-7.
[15] E. Fischer, Ber. Dtshc. Chem. Ges., 24 (1893) 1836.
[16] W. L. Bragg, Acta Cryst. A, 26 (1970) 171-172.
[17] M. F. Perutz, Acta Cryst. A, 46 (1990) 633-643.
[18] J. M. Bijvoet, Proc. K. Ned. Akad. Wet. B, 52 (1949)
313.
[19] J. M. Bijvoet, A. F. Peerdeman, A. J. van Bommel, Nature
(London)168 (1951) 271.
[20] Y. Okaya, N. R. Stemple, M. I. Kay, Acta Cryst., 21 (1966)
237.
[21] R. S. Cahn, J. Chem. Educ., 41, (1964) 116-125.
[22] R. S. Cahn, C. K. Ingold, V. Prelog, Angew. Chem., 78
(1966) 413-447.
[23] A. J. A. R. Blankensteyn, J. Kroon, Acta Cryst. C, 42
(1986) 291-293.
20
-
Tablica 1: Imena, strukturne formule i specina optika zakretanja
spojeva okojima se govori u ovome lanku
brutto-formula C4H6O6
C4H6O6
C4H6O6
strukturna formula
specino optiko zakretanje / o +12,0 0 12,0
hrvatski (puko ime) srijeovina (sreovina),srijeova
kiselina,vinska kiselina
hrvatski (kemijsko ime) D-(+)-vinska kiselina, racemina
kiselina, L-()-vinska kiselina2,3-dihidroksi-1,4- groana
kiselina,-butanska kiselina D,L-vinska kiselina
latinski acidum tartaricum acidum racemicum
njemaki Weinsure, Traubensure, LinksweinsureRechtsweinsure,
D,L-Weinsure L-WeinsureD-Weinsure
engleski tartaric acid, racemic acid L-()-tartaric
acidD-(+)-tartaric acid, D,L-tartaric acid2,3-dihydroxy-1,4-
-butyric acid
21
-
Tablica 1, nastavak
brutto-formula C4H6O6
C4H5O6K C
4H5O6K
C4H5O6K
strukturna formula
hrvatski (puko ime) srije (sre),kleger, vinski kamen
hrvatski (kemijsko ime) meso-vinska kiselina kalijev D(+)-
kalijev L-()-hidrogentartarat hidrogentartarat
latinski tartar (tartarum,tartarus), argol
njemaki meso- Kalium D-(+)- Kalium-L()-Weinsure
Hydrogentartarat, Hydrogentartarat
Weinstein
engleski meso- cream of tartar, potassium L-()-tartaric acid
potassium acid hydrogen tartrate
tartrate,potassium D-(+)-hydrogen tartrate
Tablica 1, nastavak
brutto-formula C4H4O6NH
4Na C
4H4O6NH
4Na C
4H4O6NH
4Na
strukturna formula
specino optiko zakretanje / o +23,5 0 -23,5
hrvatski (kemijsko ime) natrijev amonijev natrijev amonijev
natrijev amonijevtartarat, racemat, L-()-tartarat
natrijev amonijev natrijev amonijevD-(+)-tartarat
D,L-tartarat
njemaki Natrium Ammonium Natrium Ammonium Natrium
AmmoniumD-(+)-Tartarat, Racemat L-()-Tartarat
Natrium AmmoniumD,L-Tartarat
engleski sodium ammonium sodium ammonium sodium
ammoniumD-(+)-tartrate racemate, L-()-tartrate
sodium ammoniumD,L-tartrate
22
