hrvatski, pdf (5 mb)

Kiralnost – ususret 160.obljetnici Pasteurova otkriæa

K. Molèanov i B. Kojiæ-ProdiæInstitut “Ruðer Boškoviæ”, Zavod za fizièku kemiju,p. p. 180, HR-10002, Zagreb, Hrvatskae-mail: [email protected]

Prikaz o kiralnosti posveæen je 100. godišnjici roðenja Nobelovca Vladimira Preloga i predsto-jeæoj 160. godišnjici Pasteurovog otkriæa kiralnosti soli vinske kiseline. Pojavu kiralnosti u prirodiprepoznali su umjetnici i graditelji koristeæi je u svojim djelima što je ilustrirano primjerima u uvo-du. Napretkom znanosti kroz povijest do danas šire se spoznaje o kiralnosti i gotovo je nemoguæeobuhvatiti sve njezine aspekte i primjene. Opisana su kljuèna povijesna otkriæa vezana uz pojavuzakretanja ravnine polariziranog svjetla kao posljedicu kiralnosti te otkriæa Pasteura i lorda Kelvi-na. Kiralnost se susreæe u fizici elementarnih èestica kao i u svim podruèjima kemije: analitièkoj iorganskoj kemiji, kemiji prirodnih spojeva, medicinskoj i farmaceutskoj kemiji, biokemiji i bio-tehnologiji, kao i molekularnoj biologiji. Kratko je opisano širenje spoznaja o kiralnosti i fizikalneosnove molekularne kiralnosti. Sustavno su definirane: geometrijska, topološka i konformacijskakiralnost. Povezanost simetrije i kiralnosti dolazi do izraÞaja i u kristalografiji. Kako je rendgenskastrukturna analiza metoda kojom se jednoznaèno odreðuje molekularna arhitektura, neospornoje da se pri tome utvrðuje i apsolutna konfiguracija molekula Bijvoetovim pristupom. SaÞeto suopisane dvije metode za odreðivanje apsolutne konfiguracije: metoda rendgenske difrakcije ikruÞnog dikroizma. U skladu s obiljeÞavanjem znaèajnog jubileja, prikaz je orijentiran na ulogukiralnosti u (stereo)kemiji. To je u skladu s E. L. Elielovim pristupom koji stereokemiju smatra naèi-nom gledanja na kemiju, a ne granom kemije. Taj pristup omoguæava sagledavanje razlièitih as-pekata kiralnosti i usuglašavanje postojeæih nepotpunih definicija o kiralnosti molekula, štozacijelo otvara nove primjene. Buduænost nam nudi da više saznamo o kiralnosti u sluÞbi komuni-kacije molekula koje upravljaju našim Þivotnim procesima. U tijeku su eksperimenti priprave raz-norodnih dinamièkih kiralnih supramolekula iz akiralnih molekula i predstoji istraÞiti kako se tokorisno moÞe upotrijebiti. IstraÞivanje izotopne kiralnosti kvantno-kemijskim metodama omogu-æit æe razumijevanje odstupanja od zakona pariteta i rasvijetliti fizikalne osnovice molekularne ki-ralnosti.

Kljuène rijeèi: Geometrijska kiralnost, topološka kiralnost, konformacijska kiralnost, simetrija,akiralnost, apsolutna konfiguracija, apsolutna konformacija, anomalna disperzija rendgenskogzraèenja, Bijvoetovi parovi, kruÞni dikroizam

Les hypotheses, n’en déplaise a moncontradicteur, sont l’ âme des progres de la science.

Pretpostavke koje se ne sviðaju mom osporavateljuduša su napretka znanosti.

Louis Pasteur

Uvod

Kiralnost je usko vezana uz simetriju Þivih i neÞivih objekatai od davnine je prepoznata u prirodi i primjenjivana u sva-kodnevnom Þivotu. Simetrija lišæa, cvjetova, plodova, pau-kovih mreÞa, puÞevih kuæica, minerala ili ljudskog tijela kaoi Þivotinskih tijela pretoèena je u umjetnièka djela. Dovo-deæi u sjeæanje saèuvane povijesne graðevine (slika 1) injhove ukrase, brojne freske (slika 2), grafike i slikarska plat-na (slike 3a i b) prepoznat æemo autorske spoznaje o ki-ralnosti i simetriji koje su korištene u naglašavanju poruke iestetskog dojma umjetnièkog djela. Na oslikanom svoduSikstinske kapele u Vatikanu Michelangelo Buonarroti jeodabrao da u fokus likovnog prikaza “Stvaranje Adama”

prikaÞe struju Þivota, kojom je Bog nadahnuo Adama, laga-nim dodirom lijeve i desne ruke (slika 2). Primjer koji smoodabrali, iako veoma èesto upotrebljavan za ilustraciju bitienzimske katalize, nije trivijalan jer nas njegova ljepota iumjetnièka vrijednost uvijek iznova opèinjavaju. Zanimlji-vo, Michelangelo je oslikao svod Sikstinske kapele u raz-doblju 1508.–1512., a par ruku u molitvi prikazao je ugrafici Albrecht Dürer 1508. u Nürnbergu (slika 3a). Jamaè-no moÞemo iskljuèiti uzajamno plagiranje ove dvojice re-nesansnih umjetnika. Studijski crteÞ ruku Leonarda da Vin-cija (slika 3b) nastao je oko 1474. i jasno pokazuje da je au-tor uoèio njihov simetrijski odnos. Kako ljudsko tijelo imazrcalnu simetriju mogli smo odabrati i crteÞ Leonarda daVincija da naglasimo vezu izmeðu kiralnosti i zrcalne si-metrije ili dobro poznati primjer djevojaèkih ruku s tetra-edrima, koje je odabrao Vladimir Prelog u svom predavanjuprigodom dodjele Nobelove nagrade (slika 4).

Kiralni predmeti nas okruÞuju u svakodnevnom Þivotu: npr.lijeva i desna cipela, lijevi i desni vijci (slika 5), lijeva i desnaspiralna stubišta (slika 6). Simetriju ili njezin nedostatak opa-Þamo i u Þivoj prirodi. Veæina Þivotinja, ukljuèujuæi i ljude,

K. MOLÈANOV i B. KOJIÆ-PRODIÆ: Kiralnost – ususret 160. obljetnici Pasteurova otkriæa, Kem. Ind. 56 (5) 275–292 (2007) 275

KUI – 17/2007Prispjelo 19. oÞujka 2007.

Prihvaæeno 10. travnja 2007.

ima pribliÞnu simetriju Cs (tj. ima zrcalnu ravninu). Izuzetaksu jeÞinci i morske zvijezde (simetrija Cn, tj. imaju osi simet-rije n-tog reda) te posve asimetrièni, dakle i kiralni puÞevi(slika 7). Cvjetovi takoðer imaju osi simetrije; pored njihobièno imaju i zrcalne ravnine tako da su akiralni (slika 8).

Vremenom su kiralni objekti na makroskopskoj razini pod-sticali interes za znanstvenim pristupom otkrivajuæi suštinu

pojave i prepoznajuæi uzroke pojave u mikroskopskomsvijetu. Gotovo su sve biološki vaÞne organske molekule odkojih su graðena sva Þiva biæa, od bakterija do ljudi, homo-kiralne. Enigma kiralnosti Þivota desetljeæima je predmetrasprava i Þelja da se pokusima podastru dokazi logiènogodabira prirode. Uloga enzima u biološkim procesima te-melji se na prirodnom odabiru ‘desne’ ili ‘lijeve’ molekule i

danas se obilato koristi u biotehnologiji istereoselektivnoj organskoj sintezi, u kojojizuzetno vaÞan dio predstavljaju sinteze li-jekova i njihovih prekursora.

Kiralnost u zakonima kvantnefizike povezuje se s kiralnošæumolekula i homokiralnošæubioloških molekula

Dugo vremena fizièari su bili uvjereni daprirodni zakoni ne razlikuju lijevo i desno ida je stoga paritet (zrcalna simetrija) saèu-van u svim interakcijama. Eksperimenti �--raspada kobalta (60Co) koje su izveli Lee iYang 1956.1 jasno su pokazali da svemi-rom ne dominira simetrija pariteta kako sevjerovalo na temelju zakona klasiène fi-zike. Fizika elementarnih èestica je, koris-teæi se kvantnom mehanikom, definiralaspinove i heliènost, prepoznavši kiralnostna subatomskoj razini. Spin èestice defini-ra gibanje èestice ulijevo ili udesno pa si-metrijska operacija tih dvaju gibanja pred-stavlja paritet. Tako djelovanje pariteta naDiracov fermion predstavlja kiralnost. Iako

276 K. MOLÈANOV i B. KOJIÆ-PRODIÆ: Kiralnost – ususret 160. obljetnici Pasteurova otkriæa, Kem. Ind. 56 (5) 275–292 (2007)

S l i k a 2 – Detalj freske svoda Sikstinske kapele u Vatikanu koju je oslikao Michelan-gelo Buonarroti u razdoblju 1508.–1512. Stvaranje Adama po uzoru na“Bog stvori èovjeka na svoju sliku i priliku”.

F i g. 2 – A detail of the Sistine Chapel ceiling painted by Michelangelo Buonarrotibetween 1508 and 1512 – “The Creation of Adam”.

S l i k a 1 – Stare i nove graðevine koje ilustriraju zrcalnu simetriju: a) lijeva i desna kolonada oko eliptiènog trga Sv. Petra u Rimu, graðeneizmeðu 1656. i 1667., koje je projektirao G. Bernini; b) neboderi Petronas u Kuala Lumpuru, do nedavno najviši na svijetu.

F i g. 1 – Old and new architecture illustrating a mirror symmetry: a) left and right collonade around the elliptic St. Peter’s Square inRome, built 1656–1667 by G. Bernini; b) Petronas Towers in Kuala Lumpur, among the highest buildings in the world.

se radi o slabim interakcijama, razlikuje se intenzitet in-terakcije lijevog i desnog fermiona. Tako dva lijeva fermio-na meðusobno jaèe reagiraju nego dva desna, ili lijevi idesni meðusobno. Postavljanje ‘standardnog modela’ Glas-howa, Salama i Weinberga o odstupanju pariteta na raziniatoma rezultiralo je dodjelom svoj trojici Nobelove nagrade1979. Uopæeno, moÞe se zakljuèiti da u svemiru postojiprednost lijeve kiralnosti, kao što potvrðuje i prirodni oda-bir L-aminokiselina u glavnini Þivih biæa, no u proteinskimstrukturama prisutne su desne �-zavojnice definirane li-


S l i k a 4 – Kiralnost, crteÞ koji je za Vladimira Preloga naèiniošvicarski slikar Hans Erni. Preuzeto iz Prelogova predavanja povo-dom primanja Nobelove nagrade.2 Slika prikazuje sve što treba zaopisivanje pojma kiralnosti: ljudsku inteligenciju, lijevu i desnu rukute par deformiranih tetraedara.

F i g. 4 – Chirality, a drawing by Swiss painter Hans Erni, whichthe author presented to V. Prelog. The picture is taken from Prelog’sNobel Prize lecture.2 It shows all that is required for the descriptionof chirality: human intelligence, a left and a right hand, and a pair ofdeformed tetrahedra.

S l i k a 3 – a) Grafika “Ruke u molitvi” Albrechta Dürera nastala 1508. èuva se uzbirci grafika u muzeju Albertina u Beèu; b) studijski crteÞ ruku Leonarda da Vincijanastao oko 1474.

F i g. 3 – a) “Hands in Prayer”, graphic art by A. Dürer from 1508, exhibited inthe Albertina Museum, Vienna; b) a sketch by Leonadro da Vinci dated around1474.

S l i k a 5 – Lijevi i desni vijak odnose se kaopredmet i slika u ogledalu. Lijevi se zateÞe ok-teranjem u lijevo, a desni okretanjem u desno.F i g . 5 – The left and righ screws are mirrorimages. The left is tightened by turning to the left;the right is tightened by turning to the right.

S l i k a 6 – Spiralno stubište vatikanskog muzeja (gore) i njegovenantiomer (dolje)

F i g. 6 – Spiral staircase of the Vatican Museum (uper) and itsenantiomer (lower)

jevim aminokiselinama. Iako imamo lijevu i desnu ruku,veæina ljudi je desnoruka, a i veæina puÞevih kuæica imajuistaknutu desnu spiralu (slika 7). Naravno, postoje biljke ko-ji pri rastu tvore lijevu spiralu. Novija istraÞivanja K. Starostei tima,3 objavljena 2001, pokazuju da su neke atomske

jezgre asimetriène. IstraÞivaèi su pripravili uzorke cezija,lantana i prometija nuklearnom reakcijom izazvanomteškim ionima. Te su jezgre bile u pobuðenom stanju i priprijelazu u stabilna stanja zraèile su �-zrake neznatno razli-èitih energija, ali istih angularnih momenata. Te sitne raz-like najbolje se mogu objasniti postojanjem lijevog i desnogoblika iste jezgre koje su proizvele zraèenje. Oèekuje se dakiralnost ima ulogu i u ostalim sustavima s više tijela i u tomse podruèju oèekuju otkriæa. Time su fizièari na mikrorazinipokazali vezu izmeðu homokiralnosti biomolekula i ki-ralnosti slabih bozona.

Premda je prikaz posveæen kiralnosti u kemiji, nezaobilaz-no je povezati izvor pojave kiralnosti s njezinim manifesta-cijama u simetriji molekula. Korisno je prisjetiti se da sufizièki zakoni nepromjenjljivi s obzirom na odreðene trans-formacije, što generira pravila oèuvanja i izborna pravila.Velièine, nazvane nezamjetljivima (engl. non-observables),apsolutna su kiralnost, apsolutni smjer tijeka vremena i ap-solutni predznak elektrièkog naboja. Uz njih su vezane triosnovne simetrijske operacije koje fizièke zakone i velièineèine kiralnima ili akiralnima.4 Transformacija vezana uz ap-solutnu kiralnost je prostorna inverzija, i predstavlja ope-rator pariteta, �P, koji obræe sustav kroz ishodište osi od-reðenih u prostoru, tako da se svaka toèka radij-vektora ri

preslika u –ri. Veæina je fizièkih zakona invarijantna premaprostornoj inverziji, tj. njihovi odgovarajuæi fizièki procesizadrÞavaju paritet.

Transformacija povezana s apsolutnim tijekom vremena jevremenska inverzija (ili ‘obrtanje’ vremena), koju pred-stavlja operator �T. Ona ‘obræe’ gibanja svih èestica u susta-vu. Kod fizièkih procesa kod kojih zamjena vremenskekoordinate t s (–t) ostavlja odgovarajuæe jednadÞbe nepro-mijenjenim, to su zakoni kod kojih je ‘obrtanje’ vremenaoèuvano. Takvi se procesi nazivaju povratnima ili reverzi-bilnima. Ova se reverzibilnost ne smije miješati s termodi-namièkom reverzibilnošæu.

Transformacija povezana s apsolutnim predznakom elek-trièkoga naboja je konjugacija naboja, prikazana operato-rom �C koji zamjenjuje èestice odgovarajuæim antièesticama(ako èestica ima naboj, njezina antièestica ima suprotan na-boj).

Kao posljedice ovih triju transformacija postoje èetiri vrstesvojstava:4

1) skalarna – imaju samo iznos i ne ovise o smjeru, npr.temperatura, masa;

2) vektorska – imaju iznos povezan s definiranim smjerom,npr. brzina, ubzanje;

3) tenzorska – imaju iznose povezane s dva ili više smjerova– npr. elektrièka polarizabilnost;

4) pseudoskalarna – imaju iznos koji ne ovisi o smjeru, alimijenjaju predznak s �P, npr. zakretanje ravnine polarizira-noga svjetla, kruÞni dikroizam.

Prva se tri svojstva svrstavaju prema operacijama �P i �T. Vek-tor èiji se predznak mijenja s �P naziva se pravim ili polarnim(npr. radij-vektor poloÞaja), a ako se ne mijenja, tada se na-ziva aksijalnim ili pseudo-vektorom (npr. kutna kolièina gi-banja). Vektor èiji se predznak ne mijenja s �T je paran (uvremenu), a ako se mijenja, tada je neparan.


S l i k a 8 – Cvijet narcisa (Narcissus sp.) ima simetriju C3v (os si-metrije treæega reda i tri zrcalne ravnine) i zato je akiralan

F i g. 8 – A daffodil (Narcissus sp.) has a C3v symmetry (a three-fold axis and three mirror planes), therefore, it is achiral

S l i k a 7 – PuÞ vinogradnjak (Helix pomatia) i njegova zrcalna sli-ka (tj. enantiomer) imaju simetriju C1. PuÞevi su homokiralni; goto-vo svi vinogradnjaci u prirodi imaju “desnu” kuæicu (gornja slika),dok “lijeve” kuæice (doljnja slika) grade tek rijetki primjerci. Brunnerje izraèunao da je vjerojatnost rasta lijeve kuæice 1 : 20000, ali topouzdano vrijedi samo za lokaciju Dijona, zavièaju istraÞivaèa kojise time pozabavio.F i g. 7 – The so-called Roman snail, Helix pomatia, and its mir-ror image (i.e. enantiomer) have a C1 symmetry. Snails are homoc-hiral: almost all Helix sp. have “right-handed” shells (uper picture);“left-handed” shells (lower picture) are very rare. Brunner calcula-ted that the odds for the formation of a “left-handed” shell are 1 :20,000 in the Dijon area, the researcher’s homeland.

Pseudoskalarna se velièina dobije kao skalarni umnoÞakpolarnoga i aksijalnog vektora. Primjeri ovakvih svojstavaupravo su oni koji se opaÞaju kod kiralnih tvari. Kiralni supredmeti, dakle, oni kod kojih se mogu opaziti pseudoska-larna svojstva.

Razvoj spoznaje o kiralnostii temeljni pojmoviPrvu pojavu vezanu uz kiralnost, optièku aktivnost, tj. zak-retanje ravnine polariziranoga svjetla opazio je još 1815. J.B. Biot.5,6 Pri prolazu kroz mnoge uzorke, otopine or-ganskih spojeva, kristale kvarca ili neke organske kristaleravnina polarizirane svjetlosti zakreæe se ulijevo ili udesno.Prolaskom kroz talinu kvarca ona se ne zakreæe. Nekolikogodina kasnije, Herschel je otkrio da se lijevozakreæuæi idesnozakreæuæi kristali odnose jedan prema drugome kaopredmet i njegova zrcalna slika5,6 (slika 9).

Godine 1847. francuski je kemièar Louis Pasteur opazioprvo spontano razdvajanje enantiomerâ prilikom kristaliza-cije jednoga organskog spoja, natrijeva amonijeva tartara-ta.7 Fizièki je odvojio “lijeve” i “desne” (slika 9 b) kristale iopazio da u razlièitom smjeru zakreæu ravninu polariziranesvjetlosti. Isti uèinak na zakretanje polariziranog svjetla ima-la je otopina “lijevih”, odnosno “desnih” kristala. Otopinanastala miješanjem iste kolièine “lijevih” i “desnih” kristalanije pokazivala nikakvu optièku aktivnost. Ovu je pojavuPasteur pripisao nedostatku simetrije sâmih molekula vin-ske kiseline i nazvao je dyssimétrie moléculaire.7 Njegove semetode razdvajanja enantiomerâ i kristalizacije optièki èistetvari iz racemiène smjese primjenjuju još i danas.8,9

Optièku aktivnost kristalâ kvarca objasnio je asimetriènimrasporedom ne nuÞno asimetriènih molekula – nešto naliklijevom i desnom spiralnom stubištu (slika 6). Taljenjemkvarca asimetrièna se slagalina razori pa talina gubi optièkuaktivnost.

U razvoju pojma kiralnosti i stereokemije posebno mjestozauzima model tetraedarski okruÞenih ugljikovih atoma,koji su neovisno jedan o drugome, 1874. postavili J. H.van’t Hoff10 i J. A. Le Bel.11 Prema ovome modelu do mo-lekulske disimetrije i optièke aktivnosti dolazi kada se naugljikov atom veÞu èetiri razlièite skupine. Tada su moguæadva prostorna rasporeda atoma koji se meðusobno odnosekao predmet i slika u ogledalu (slika 10). Ovaj “asimetriènosupstituirani ugljikov atom” tek je prvi u nizu primjera mo-lekulske kiralnosti te ujedno najèešæi i konceptualno naj-jednostavniji. E. Fischer i A. von Bayer su 1891., primje-njujuæi tetraedrijski koncept, razjasnili kemiju šeæera, što ihje dovelo do problema optièke izomerije i konfromacijskihrazlika. Utvrdili su relativne konfiguracije pojedinih šeæerauzevši kao polazište apsolutnu konfiguraciju gliceraldehida(slika 10 a).12 Tek 1949. kada je J. M. Bijvoet pokazao naprimjeru natrijeva rubidijeva tartarata da se anomalno ra-spršenje rendgenskih zraka moÞe primjenjivati za odreði-vanje apsolutne konfiguracije,13 utvrðeno je da je Fischerovproizvoljni odabir lijevog i desnog enantiomera bio ispra-van.

Pojavu da neke tvari mogu imati “lijevi” i “desni” oblik, lordKelvin je oko 1884. nazvao kiralnost (od grèke rijeèi ��,ruka). “Lijevi” i “desni” oblik iste tvari nazvao je enantio-morfnima ili enantiomernima. Njegova definicija kiralno-sti jest:

I call any geometrical figure, or group of points, chiral, andsay that it has chirality if its image in a plane mirror, ideallyrealized, cannot be brought into coincidence with itself.

(Svako geometrijsko tijelo ili skupinu toèaka zovem kiralnim ikaÞem da imaju svojstvo kiralnosti ako se ne mogu preklopitisa svojim idealiziranim odrazom u ogledalu.)

(lord Kelvin, 1893.)4


S l i k a 9 – Lijevo- i desnozakreæuæi kristali a) kvarca i b) natrijevaamonijeva tartarata odnose se jedan prema drugome kao predmet injegova zrcalna slika

F i g. 9 – Mirror images of a) quartz and b) sodium ammoniumtartrate crystals rotate the polarised light in opposite directions

S l i k a 10 – Tetraedarski model ugljikova atoma: “lijevi” i “des-ni” raspored èetiriju razlièitih skupina oko središnjeg ugljikova ato-ma. Na molekulama gliceraldehida, a), Emil Fischer je 1891. de-finirao relativne konfiguracije (L, D).12 Enantiomeri limonena, b),imaju razlièitu boju i okus: (+)-limonen (lijevo) okus naranèe, a(–)-limonen (desno) okus limuna. Ova se dva spoja koriste u proiz-vodnji voænih bombona.F i g. 10 – Tetrahedral model of carbon atoms: “left-handed”and “right-handed” coordination of four different substituents at acentral carbon atom. Molecules of glyceraldehyde, a) were a stan-dard for Fischer’s definition (1891) of relative configurations (L, D).12

Enantiomers of limonen b) (+)-limonen (left) orange flavour, while(–)-limonen (right) lemon flavour. Both compounds are used in themanufacture of fruit candy.

S razvojem kemije i fizike predlagale su se nove definicije:

An object is chiral if it cannot be brought into congruencewith its mirror image by translation and rotation.(Predmet je kiralan ako se ne moÞe preklopiti sa svojomzrcalnom slikom operacijama translacije i rotacije.)

(V. Prelog, 1975.)2

True chirality is exhibited by systems that exist in two enanti-omeric states that are interconvertible by space inversion,but not by time reversal combined with any proper spatialrotation.(Prava se kiralnost javlja u sustavima koji postoje u dvaenantiomerna stanja koja se mogu pretvarati jedno u drugoinverzijom u prostoru, ali ne i obrtanjem tijeka vremenakombiniranim s rotacijom u prostoru.)

(L. D. Barron, 1986.)4

An object is chiral if it can exist in two distinct states of nearlyequal energy, interconvertible by space inversion followedby exchange of all constituent atoms for the original ones,noninterconvertible by time inversion, and nonsuperpo-sable. The two states are enantiomorphic.(Predmet je kiralan, ako moÞe postojati u dva razlièita stanjagotovo jednake energije koja se mogu superponirati jednona drugo; mogu se jedno u drugo prevesti inverzijom u pro-storu i zamjenom svih atoma originalnima, ali ne i inverzijomtijeka vremena. Takva su dva stanja enantiomorfna.)

(J. Jonas, 1997.)14

Geometrijska (euklidska) kiralnostU najopæenitijem sluèaju, svaki je predmet sastavljen od Nneekvivalentnih* toèaka u (N-1)-dimenzionalnom prostorukiralan. U sluèaju trodimenzionalnog prostora za postizanjekiralnog predmeta trebaju èetiri toèke. Kiralnost moÞemoopisati tako da nekim (unaprijed dogovorenim) redoslije-dom spajamo toèke (npr. 0-A-B-C, slika 11). Na taj naèindobijemo fragment uzvojnice ili definiramo koordinatni

sustav (slika 11). Spajanjem toèaka suprotnim redosljedom(dakle, C-B-A-0) dobijemo enantiomerni koordinatni su-stav. Definiranje redoslijeda kojim spajamo toèke središnjije problem u definiranju kiralnosti. Ako pretpostavimo dasu neke toèke ekvivalentne (npr. A i B na slici 11), dobijemopredmet èiju se kiralnost ne moÞe definirati. Takve pred-mete nazivamo akiralnima ili simetriènima i moÞemo reæida je akiralnost specijalni sluèaj kiralnosti.

U euklidskom prostoru moÞemo govoriti o euklidskoj iligeometrijskoj kiralnosti. Ona se moÞe definirati u smisluteorije grupa: predmet je kiralan ili akiralan veæ prematome je li njegova simetrijska grupa (toèkina grupa) kiralnaili ne.

Elementi toèkinih grupa su elementi simetrije i moÞemo ihpodijeliti na dvije vrste:

1) oni koji ne obræu kiralnost, i2) oni koji je obræu.

Elementi prve vrste su identitet i osi simetrije, a elementidruge vrste su zrcalna ravnina, središte inverzije i nepraveosi simetrije. Njihove su odgovarajuæe simetrijske operacijeidentitet i rotacija oko pravca te refleksija preko ravnine iinverzija kroz toèku (neprava rotacija je sloÞena operacijasastavljena od rotacije i inverzije i ponekad se naziva roto-inverzijom). Dakle, kiralne simetrijske grupe su one koje sa-drÞe samo elemente prve vrste, dok akiralne moraju imati(i) elemente druge vrste. Najèešæe toèkine grupe su prikaza-ne u tablici 1.

T a b l i c a 1 – Kiralne i akiralne toèkine grupe s navedenimelementima simetrije

T a b l e 1 – Chiral and achiral point groups and their cor-responding symmetry elements

Kiralne toèkine grupe

Simbol poSchönfliesu Elementi simetrije

C1 IdentitetCn Os simetrije n-tog reda (predmet je invarijantan

na rotaciju za 360°/n)Dn Os simetrije n-tog reda i n osi simetrije drugog

reda okomite na nju

Akiralne toèkine grupe

Ci Središte inverzijeCs Zrcalna ravninaCnv Os n-tog reda paralelna s n zrcalnih ravninaCnh Os n-tog reda okomita na zrcalnu ravninuDnh Os n-tog reda okomita na zrcalnu ravninu

i n osi drugog redaDnv Os n-tog reda paralelna s n zrcalnih ravnina,

a okomita na n osi drugoga redaTd Simetrija tetraedra*

Oh Simetrija oktaedra*

Ih Simetrija ikozaedra*

Kh Simetrija kugle*

* Zbog sloÞenosti, elementi simetrije ovdje nisu navedeni. Mogu se naæi ukristalografskoj literaturi.15


S l i k a 11 – Spajanjem èetiriju neekvivalentnih toèaka 0, A, B i Cu trodimenzionalnom prostoru dobivamo dio uzvojnice. Transla-tiranjem vektorâ , 0A, 0B i 0C u zajednièko ishodište definiramo li-jevi ili desni koordinatni sustav.

F i g. 11 – A fragment of a helix is obtained by connecting fournon-equivalent points, 0, A, B and C in a 3D space. Translation ofvectors , 0A, 0B and 0C to the origin defines the left- or right-handed coordinate system.

* Pojam “neekvivalentne toèke” ovdje se upotrebljava u posve opæenitomsmislu. Da bi dvije toèke bile neekvivalentne, tj. da bi ih se moglo razliko-vati, trebaju imati barem neko svojstvo (poloÞaj u prostoru u odnosu naishodište, velièina, masa, boja…) razlièiti. Ekvivalentnim se toèkama sma-traju one koje je nemoguæe razlikovati. Dakle, kiralnim se predmetommoÞe smatrati skup èetiriju toèaka razlièito udaljenih od neke referentnetoèke (ishodišta) ili pak skup èetiriju toèaka jednako udaljenih, ali razlièitihpo nekim osobinama (npr. razlièito oznaèenih).

“Klasièna” je slika molekule kao statiènoga predmeta toènodefiniranog sastava i geometrije. Iako znamo da u stvarnostinije tako, ovakav je pojednostavljeni model vrlo koristan.Po njemu, za molekule moÞemo definirati simetriju toèkinegrupe i euklidsku kiralnost. Najopæenitije je reæi da je mo-lekula euklidski kiralna ako pripada jednoj od kiralnih toèki-nih grupa navedenih u tablici 1. Specijalan je sluèaj kiraln-osti “asimetrièno supstituirani ugljikov atom”* van’t Hoffa10

i LeBela.11 Srodan mu je koncept “središta kiralnosti”**:èetiri ili više razlièitih supstituenata, koji nisu u istoj ravnini,razmješteni oko neke zamišljene toèke koja se moÞe, ali ine mora, poklapati sa središtem nekog atoma, generiraju ki-ralnost. Nekoliko primjera molekula sa “središtem kiralno-sti” prikazano je na slici 12. Prema preporuci IUPAC-a zaoznaèavanje kiralnosti na tetraedarski koordiniranim “sre-dištima”, koriste se Cahn-Ingold-Prelogova pravila (CIP--pravila).16 Deskriptori za opisivanje apsolutne konfigura-cije su (R) i (S), nastali od latinskih rijeèi rectus i sinister(desno, odnosno lijevo). Oznaèavanje kiralnosti na “središ-tima” s koordinacijskim brojem veæim od èetiri vrlo je kom-plicirano i nepraktièno te se rijetko koristi.17

Lako je pokazati da se “središte kiralnosti” moÞe definiratisamo za predmete (molekule) simetrije C1. Definirati ki-ralnost predmetâ (molekula) koji imaju osi simetrije znatnoje teÞe i trenutaèno nema jednoznaènoga sustava za njezi-no oznaèavanje.16,18,19 Ovakvi se predmeti mogu opisatikao dijelovi “lijeve” ili “desne” (P i M) zavojnice i vrijedikonvencija prikazana na slici 13. Nejednoznaènost defini-

ranja apsolutne konfiguracije molekula s osima simetrijeposljedica je toga što se dio zavojnice manji od punog ok-reta moÞe jednako dobro preklopiti i na M- i na P-zavojnicu(slika 14). Nekoliko kiralnih molekula simetrijâ Cn i Dn prika-zano je na slici 15. Promotrimo pobliÞe molekulu vodikovaperoksida simetrije C2 (slika 14): u smjeru veze izmeðu dvi-ju hidroksilnih skupina ona tvori dio M-zavojnice; okomitona nju tvori dio P-zavojnice.

Topološka kiralnostNeki vrlo gibljivi predmeti kao što su konopi, gumene vrpceili vrlo velike, èesto (poli)makrociklièke, molekule mogu sevrlo lako deformirati, pa ih je moguæe smotati na bezbrojrazlièitih naèina, tj. mogu zauzeti bezbroj konformacija. Zanjih definiranje euklidske kiralnosti nema smisla. Ipak, zaneke tipove èvorova (slika 16) postoje dva oblika koja se,koliko god ih deformirali, ne mogu u prostoru preklopiti.Oni su topološki kiralni.

Da bismo definirali topološku kiralnost, najprije treba defi-nirati topološke transformacije. To su sve transformacijekod kojih se mijenja oblik i velièina predmeta, pri èemupredmet ostaje neprekinut. Dakle, broj šupljina unutar do-tiènoga predmeta je isti bez obzira na topološke transfor-macije. Topološki ekvivalentni predmeti su npr. lonèiæ islikarska paleta (slika 17) jer imaju samo jednu rupu.

Zanemarimo li u grafièkom prikazu nekog predmeta veli-èine, moÞemo ga svesti na graf koji se sastoji samo od toèa-ka i linija. Buduæi da su velièine nebitne, moÞemo te toèke ilinije po volji deformirati, skraæivati i istezati. Tako dugodok ih ne prekinemo, naš je graf topološki prikaz dotièno-


S l i k a 12 – Nekoliko molekula sa “središnjom kiralnosti”. “Sre-dište kiralnosti” se kod a) poklapa s ugljikovim atomom, kod b) skobaltovim atomom, kod c) sa središtem veze izmeðu dvaju fenil-nih prstenova, a kod d) sa središtem adamantilne skupine. Moleku-le b), c) i d) nemaju “asimetrièno supstituiran” ugljikov atom, aliipak posjeduju “središnju kiralnost”.

F i g. 12 – Several molecules with “central chirality”. The “cen-tre of chirality” is located at the carbon atom in a), at the cobaltatom in b), the middle point in the central C-C bond in c), and inthe centre of adamantyl cage in d). Molecules b), c) and d) have noasymmetrically substituted carbon atom but still possess “centralchirality”.

S l i k a 13 – Konvencija “lijeve” (M) i “desne” (P) zavojnice tedeskriptori za oznaèavanje apsolutnih konfiguracija

F i g. 13 – Convention and descriptors for defining the “left-handed” (M) and “right-handed” (P) helix

S l i k a 14 – Dio zavojnice manji od punoga zaokreta (npr. mo-lekula vodikova peroksida, simetrije C2) moÞe se jednako dobropreklopiti na M- i na P-zavojnicu. Ove su dvije enantiomerne zavoj-nice meðusobno okomite.

F i g. 14 – Part of a helix less than a full turn (e. g. of a hydrogenperoxide molecule with C2 symmetry) can equally well fit onto anM and a P screw. These two screws are mutually orthogonal.

** Ponekad se pogrešno kaÞe i “asimetrièni ugljikov atom”. Atomi su pri-bliÞno sferièni i, prema tome, akiralni.** Ponekad se pogrešno kaÞe “kiralno središte”. Središte je toèka, daklebez dimenzija, pa ne moÞe biti kiralno.

ga predmeta i najèešæe je nalik nekom èvoru. Èvorovi mogubiti topološki kiralni ili topološki akiralni. Koliko god daèvorove na slici 16 deformiramo, ne moÞemo iz jednoganapraviti drugi. To moÞemo postiæi samo operacijom inver-zije. Èvor je topološki akiralan ako moÞemo nacrtati njegovgraf tako da linije nigdje ne prelaze jedna preko druge; akose takav graf ne moÞe nacrtati, èvor ipak ne mora biti topo-loški kiralan iako ima kiralan graf (slika 18).

Velike su molekule konformacijski vrlo gibljive zbog velikogbroja jednostrukih veza oko kojih je rotacija pri sobnojtemperaturi uglavnom moguæa. One zato mogu imati go-lem broj konformerâ, uglavnom geometrijski kiralnih,* kojistalno prelaze jedan u drugi tako da je rasprava o njihovojkiralnosti besmislena. Ovakvim se sustavima bavi topološ-ka stereokemija, razmjerno nova grana kemije.20–23


S l i k a 15 – Nekoliko kiralnih molekula s osima simetrije. Pripa-dajuæe toèkine grupe su: a) D2, b) C2, c) C2, d) C2, e) D3, f) D4

F i g. 15 – Several chiral molecules with axial symmetry. Thecorresponding point groups are: a) D2, b) C2, c) C2, d) C2, e) D3, f) D4

S l i k a 16 – “Lijevi” i “desni” oblik kiralnog èvora “trolista”F i g. 16 – “Left-handed” and “right-handed” form of a trefoil

chiral knot

S l i k a 17 – Dva topološki ekvivalentna predmeta, a) lonèiæ i b) slikarska paletaF i g. 17 – Two topologically equivalent objects, a) a mug, and b) the painter’s palette

S l i k a 18 – Dva topološki akiralna èvora s kiralnim grafovima.Iako su naoko kiralni (tj. imaju geometrijsku kiralnost), èvorovi setopološkim transformacijama mogu prevesti u svoj enantiomer pasu, prema tome, topološki akiralni. Preuzeto iz ref. 20.F i g. 18 – Two topologically achiral knots with chiral graphs.Although they appear chiral (i. e. they are geometrically chiral), theknots can be interconverted into their enantiomers by topologicaltransformations. Taken from ref. 20.

* Ovdje je rijeè o konformacijskoj kiralnosti, o kojoj æemo govoriti uodjeljku Konformacijska kiralnost.

Topološka se kiralnost definira tako da shematski prikazmolekule pretvorimo u graf i izoblièimo ga tako da svi èvo-rovi (atomi ili skupine atoma) doðu u istu ravninu. Ako segraf moÞe nacrtati tako da linije (veze izmeðu atoma iliatomskih skupina) ne prelaze jedna preko druge (slika 19),molekule su topološki akiralne. Ako to nije moguæe, mo-lekule mogu biti topološki kiralne i mogu postojati dva to-pološka enantiomera (slike 20 i 21). Topološka kiralnost jevrlo èesta kod policiklièkih spojeva (slika 20) i katenanâ (sli-ka 21). Posljednjih je godina pripremljen niz topološki ki-ralnih rotaksana, katenana i molekulskih èvorova s topolo-gijama trolista,24 pereca25 ili boromejskih prstenova.26

Posebna pojava vezana uz topološku kiralnost je ciklo-enantiomerija. Nju je teorijski obradio Prelog.32 Osim štoje s teorijskog aspekta opisao pojavu, sintetizirao je cik-lo-heksaalanil i ciklo-diglicil-tetraalanil te ih karakterizirao1H NMR spektroskopijom, ali u to vrijeme dostupnim spek-trometrima niskog razluèivanja od 60 i 100 MHz.33 Ciklo-enantiomerija se javlja kod prstenova sastavljenih od višekiralnih elemenata. Te je elemente moguæe rasporediti nadva naèina i tako se dobiju dva razlièito orijentirana prstenakoji se jedan prema drugome odnose kao predmet i njego-va zrcalna slika. Jedan je primjer cikloenantiomerije prika-zan na slici 22.

Veza izmeðu geometrijske i topološke kiralnosti nije posvejednostavna. Svi topološki kiralni predmeti ujedno su i geo-metrijski kiralni, a oni geometrijski akiralni nuÞno su i topo-loški akiralni. No topološki akiralni predmeti mogu i nemoraju biti geometrijski kiralni, dok geometrijski kiralnipredmeti mogu i ne moraju biti topološki kiralni.

Konformacijska kiralnost

Molekule u stvarnosti nikada ne miruju. Osim elektronâ,stalno se gibaju i atomske jezgre; njihova gibanja ukljuèujuvibracije i interne rotacije, od kojih mnoge narušavaju si-metriju molekule. U dovoljno kratkom vremenu (kraæem


S l i k a 19 – Neke topološki akiralne molekule (gornji red) i nji-hovi grafovi (donji red): a) tvistan,27 b) tristvistan,28 c) [6]benzociklo-fan.29 Preuzeto iz ref. 20.F i g. 19 – Several topologically achiral molecules (upper row)and their graphs (lower row): a) twistane,27 b) tristwistane28 and c)[6]benzocyclophane.29 Taken from ref. 20.

S l i k a 20 – Topološki kiralan policiklièki spoj30 i njegov enanti-omer imaju topologiju Möbiusove vrpce s tri preèke. Preuzeto izref. 20.F i g. 20 – Topologically chiral polycyclic compound30 and itsenantiomer have a topology of the Möbius band with three rungs.Taken from ref. 20.

S l i k a 21 – Topološki kiralni [2]-katenan i njegov enantiomer31

F i g. 21 – A topologically chiral [2]-catenane and its enantiomer31

od jednog perioda vibracije) svaka je molekula kiralna. Uduljem periodu (nekoliko nanosekundi) svaka molekula iz-mijeni brojne konformacije, pa opaÞamo prosjeènu konfor-maciju i prosjeènu geometriju koje ne moraju biti kiralne.MoÞemo vidjeti i uprosjeèenu, statistièku simetriju koja jeprividna. Na primjer, najstabilnija konformacija cikloheksa-na je “stolica” simetrije D3v. Pri sobnoj temperaturi ona sestalno obræe (slika 23 a). U vremenu uprosjeèena geometri-ja odgovara planarnom prstenu simetrije D6h (slika 23 b).

Zahvaljujuæi unutarnjim rotacijama oko jednostrukih vezaC–C molekula butana moÞe imati više konformacija (slika24), kod kojih su tri konformera, stabilne konformacije kojepredstavljaju minimume na plohama potencijalne energije.To su antiperiplanarna (globalni minimum simetrije C2h) telokalni minimumi +sinklinalna i –sinklinalna (+ i –gauche) si-metrije C2. Konformacije + i –gauche su enantiomerne i nemogu se preklopiti u prostoru. Ipak, buduæi da su u uzorkubutana u svakome trenutku prisutne jednake kolièine + i


S l i k a 22 – Cikloenantiomeri2,3,9,10,16,17,23,24-oktakis(oktanoilami-

do)-29,31,33,35-tetraundecil-27,37:28,36--dimeteno-29H,31H,33H,35H-dibenzo

[b,b‘]bis[1,7]benzodioksonino[3,2-j:3’,3’-j‘]benzo[1,2-e:5,4-e‘]-bis[1,3]-benzodioksonina u otopini

prelaze jedan u drugi. Preuzeto iz ref. 34.F i g. 22 – Cycloenantiomers of

2,3,9,10,16,17,23,24-octakis(octanoylami-do)-29,31,33,35-tetraundecyl-27,37:28,36-di-

metheno-29H,31H,33H,35H-dibenzo[b,b‘]bis[1,7]benzodioxonino[3,2-j:3’,3’-j‘]benzo[1,2-e:5,4-e‘]-bis[1,3]-benzodioxonin in solution convert into

each other. Taken from ref. 34.

S l i k a 24 – Konformacije butana nacrtane u Newmanovim projekcijama: a) sinperiplanarna, b) +sinklinalna (+gauche), c) +antiklinalna,d) antiperiplanarna, e) –antiklinalna, f) –sinklinalna (–gauche) i ploha potencijalne energije za internu rotaciju metilnih grupa. Konformacijea), c) i e) odgovaraju energijskim maksimumima i predstavljaju prelazna stanja, dok konformacije b), d) i e) odgovaraju energijskim minimu-mima i zovu se konformeri. Postoje dva enantiomerna oblika sinklinalne (gauche) i antiklinalne konformacije, oznaèena s + i –.

F i g. 24 – Newman projections of butane conformations: a) synperiplanar, b) +synclinal (+gauche), c) +anticlinal, d) antiperiplanar, e)–anticlinal, f) –synclinal (–gauche) and a potential energy surface for internal rotation of methyl groups. Conformations a), c) and e) corre-spond to energy maxima and represent transition states, while the conformations b), d) and e) correspond to the energy minima and are cal-led conformers. There are two possible enantiomeric forms of synclinal (gauche) and anticlinal conformationism marked by + and –.

S l i k a 23 – a) Molekula cikloheksana u konformaciji “stolice”(simetrije D3v ) stalno se obræe. Njezina prosjeèna konformacija, b),koja se dobije preklapanjem dviju “stolica” jest planaran prsten si-metrije D6h. U sluèaju cikloheksana supstituenti su A = B = H.F i g. 23 – a) A molecule of cyclohexane in a “chair” conforma-tion (D3v symmetry) is constantly inverting. Its average conformati-on, b), obtained by superposition of the two “chairs” is a planar ringwith D6h symmetry. For cyclohexane the supstituents are A = B= H.

–gauche molekula (i znatno više antiperiplanarnih), butan jepri sobnoj temperaturi statistièki akiralan.

Simetrija molekula koju opaÞamo je, dakle, rezultat prekla-panja velikoga broja razlièitih konformacija, od kojih su go-tovo sve kiralne.

Kod nekih su molekula neke interne rotacije iz sterièkih raz-loga onemoguæene. Jedan je takav spoj bifenil (slika 25) èijise benzenski prstenovi ne mogu zakretati neovisno jedan odrugome. Kad bi to bilo moguæe, bifenil bi imao prosjeènusimetriju D2h (slika 25 b). Ovako postoje dva enantiomernaoblika (slika 25 a) simetrije D2 koji na sobnoj temperaturi nemogu prelaziti jedan u drugi. Enantiomere nastale zbog“zakoèene” interne rotacije nazivamo atropoizomerima.

Energijska barijera koja koèi internu rotaciju ili obrtanjekonfiguracije (kao kod tercijarnih amina, slika 26 a) ipak jekonaèna; pri nekoj temperaturi molekula æe imati dovoljnoenergije da bi je mogla svladati i postati (statistièki) akiralna.Pri dovoljno niskoj temperaturi, gotovo svi akiralni spojevitvorit æe atropoizomere. Kod nekih je spojeva energijska

barijera viša od energije disocijacije (npr. izvrtanje tetra-edarskog ugljika, slika 26 b) pa je obrtanje konfiguracijenemoguæe.

Prema tome, granica izmeðu “pravih” enantiomera i atro-poizomera nije sasvim oštra i uvelike ovisi o temperaturi.Na Þalost, ne postoji nikakav naèin oznaèavanja konforma-cijskih stereoizomera.35

Kiralnost u kristalografiji

Kristale se zamišlja kao pravilne beskonaène trodimenzio-nalne slagaline atoma. Stoga za opisivanje njihove simetrijei unutrašnje graðe trebaju sve simetrijske operacije navede-ne u odjeljku Geometrijska kiralnost te još jedna dodatna– translacija. Uvoðenjem translacije moguæe je definirati 14razlièitih kristalnih rešetaka za 7 kristalnih sustava, koje na-zivamo Bravaisovim rešetkama. Kombinacijom translacije ioperacija simetrije prvog reda (inverzije, zrcaljenja i rota-cije) javljaju se novi elementi simetrije – klizne ravnine i vij-èane osi (operacije drugog reda). Za opisivaje simetrijeunutrašnje graðe kristala nisu dovoljne toèkine grupe, negotreba uvesti prostorne grupe. Ima ih 230 i mogu se svestina 32 toèkine grupe, nazvane kristalne klase.

Dio strukture koji, ponavljajuæi se u sva tri smjera u prosto-ru, tvori kristalnu strukturu, zove se jedinièna æelija. Ras-pored atoma unutar jediniène æelije odreðen je operaci-jama simetrije. Dio jediniène æelije koji je jednoznaèan i neukljuèuje operacije simetrije zove se asimetrièna jedinica.*

Ponavljanjem jednoznaènog dijela æelije operacijama si-metrije stvara se cijela jedinièna æelija.

Za molekulu u specijalnom poloÞaju (tj. onu koja leÞi na ne-kom elementu simetrije) kaÞemo da ima kristalografsku si-metriju. Kod prostorne grupe** P 21/c specijalni je poloÞajcentar inverzije, pa je svaka molekula u specijalnom polo-Þaju centrosimetrièna (slika 27). Za molekulu koja ne leÞi uspecijalnom poloÞaju kaÞemo da se nalazi u opæem poloÞa-ju i ima kristalografsku simetriju C1, što znaèi da je kiralna.Molekula moÞe imati i lokalnu, nekristalografsku, simetriju(slika 28). U prostornim grupama bez centara i ravnina si-metrije kristaliziraju molekule iste kiralnosti (homokiralne)tj. optièki èiste tvari. U prostornim grupama koje imaju rav-nine i/ili centre inverzije prisutne su molekule obje kiralnos-ti (racemati) ili pak akiralne molekule.

Velika veæina molekula pohranjenih u bazi kristalnih struk-tura organskih i organometalnih spojeva, Cambridge Struc-tural Database,38 nalazi se u opæim poloÞajima pa ih semoÞe smatrati kiralnima (nekristalografska je simetrija raz-mjerno rijetka pojava). Dakle, veæina spojeva koje se inaèesmatra akiralnima, zapravo u kristalnim strukturama zauzi-ma kiralne konformacije. Oèit je primjer konformacijski ki-ralne molekule prikazan na slici 29. Interne rotacije koje bije uèinile statistièki akiralnom u kristalu su onemoguæenezbog sterièkih razloga.

Konformacijska je kiralnost u kristalografiji, dakle, vrlo raši-rena, ali i vrlo malo istraÞivana pojava.


** Kako joj samo ime kaÞe, asimetrièna jedinica nema elemenata simetri-je, tj. njezina je simetrija C1.** U kristalografiji je uobièajeno oznaèavanje simetrije po Hermann-Mau-ginu. Oznaka prostorne grupe P 21/c po Schönfliesu je C h2

5 . Njezina je od-govorajuæa toèkina grupa C2h, odnosno 2/m.

S l i k a 25 – Zbog sterièkih smetnji koje stvaraju vodikovi atomi,molekula bifenila je kiralna i ima simetriju D2 (a). Kad bi fenilne sku-pine mogle rotirati neovisno jedna o drugoj, molekula bi bila statis-tièki akiralna s prosjeènom simetrijom D2h (b).F i g. 25 – Due to steric hindrance imposed by hydrogenatoms, a biphenyl molecule is chiral with D2 symmetry (a). Werethe rotation of the phenyl groups free, the molecule would be stati-stically achiral with an average symmetry D2h (b).

a) b)

S l i k a 26 – Obrtanje konfiguracije tercijarnih amina, a) zbiva sepri sobnoj temperaturi jer je energijska barijera vrlo niska. Obrtanjekonfiguracije tetraedarskoga ugljikova atoma, b) nije moguæe jer jeenergijska barijera veæa od energije disocijacije molekule.

F i g. 26 – a) Configuration of tertiary amines inverts at roomtemperature due to a very low energy barrier. b) Inversion of theconfiguration of tetrahedral carbon atoms is impossible becausethe energy barrier is greater than the dissociation energy.

a) b)


S l i k a 27 – Molekula N,N‘-bis(1-adamantil-metilglicinat)oksalamida s kristalografskom simetrijom Ci.36 Kristalografski centar inverzijenalazi se na sredini veze C1-C1’. Atomi C2 i C2’ su središta kiralnosti i enantiomerni jedan prema drugome – apsolutna konfiguracija jedno-ga je (R), a drugoga (S). Akiralni spojevi s parnim brojem središtâ kiralnosti nazivaju se meso-spojevima.F i g. 27 – A molecule of N,N‘-bis(1-adamantyl-methylglycinate)oxalamide possesses a crystallographic symmetry Ci.36 The crystallo-graphic inversion centre is located at the mid point of the C1-C1’ bond. Atoms C2 and C2’ are centres of opposite chirality, thus one has theabsolute configuration (R) and the other (S). Achiral compounds with an even number of centres of chirality are calledmeso-compounds.

S l i k a 28 – Zbog neureðenog vodikovog atoma H1 (na oba ki-sikova atoma O1 naizgled je vezano pola vodika H1), molekulap-benzosemikinonskog radikala37 nalazi se u kristalografskom sre-dištu inverzije (tj. središte inverzije se poklapa sa središtem ben-zenoidnog prstena) pa ima kristalografsku simetriju Ci. Proton H1 jedelokaliziran, tako da se molekula p-benzosemikinonskog radikalaponaša kao anion. Njegova je lokalna (nekristalografska) simetrijaD2h.F i g. 28 – Due to a disordered position of the hydrogen atomH1 (it appears that a half of H1 is bound to each O1 oxygen atom),a molecule of p-benzosemiquinone radical37 is located in thecrystallographic inversion centre (i.e. the centroid of the benzenoidring is located in the inversion centre) so it has a crystallographic Cisymmetry. H1 proton is delocalized so the p-benzosemiquinonemolecule behaves like an anion radical. Its local (non-crystallograp-hic) symmetry is D2h.

S l i k a 29 – Molekularna struktura dimetil-adamantoilmalonataodreðena rendgenskom strukturnom analizom.39 Zbog razlièitihorijentacija karboksimetilnih skupina oznaèenih s A i B ugljikovatom C3 ponaša se kao da je asimetrièno supstituiran. Takva je mo-lekula konformacijski kiralna.

F i g. 29 – Molecular structure of dimethyl adamantoylmalo-nate determined by X-ray structure analysis.39 Due to different ori-entations of the carboxymethyl moieties A and B the C3 carbonatom acts as a centre of chirality. Such a molecule is conformatio-nally chiral.

Eksperimentalne metode odreðivanjaapsolutne konfiguracije: rendgenskadifrakcija i kruÞni dikroizam

Kiralnost je molekularno svojstvo, dok je optièka aktivnostsvojstvo supstancije – uzorka koji sadrÞi velik broj molekula.Stoga je ispravno govoriti o kiralnoj molekuli i optièki aktiv-noj supstanciji. Mjerenjem optièke aktivnosti otopine kojasadrÞi samo jedan enantiomer moÞe se utvrditi smjer skre-tanja polariziranog svjetla, ali se ne moÞe utvrditi njegovaapsolutna konfiguracija. Otopina koja sadrÞi enantiomeresuprotne apsolutne konfiguracije u jednakom broju je ra-cemièna i ona ne zakreæe ravninu polariziranog svjetla. Dosredine prošlog stoljeæa bilo je moguæe odrediti samo rela-tivnu konfiguraciju kiralnih molekula prema odabranim ki-ralnim molekulama, npr. gliceraldehidu kojeg je koristioFischer u definiranju stereokemije šeæera.12

Otkriæe uporabe anomalnog raspršenja rendgenskih zrakaM. J. Bijvoeta 1949.13 u odreðivanju apsolutne konfigura-cije natrijeva rubidijeva (+)-tartarata bio je znaèajan napre-dak za stereokemiju. Bijvoet je dokazao da je apsolutnakonfiguracija natrijeva rubidijeva (+)-tartarata identiènakonfiguraciji izvedenoj iz kemijskog odnosa (+)-gliceral-dehida.40 Time je dokazano da je Fischerov sluèajan odabirbio ispravan. Molekule razlièite apsolutne konfiguracijeimaju razlièita kemijska, fizièka i biološka svojstva, što je odizuzetne vaÞnosti u farmakologiji, strukturnoj molekularnojbiologiji i biotehnologiji. Stoga slijedi saÞeto objašnjenjeteorijske osnovice pojave anomalnog raspršenja i njegovogkorištenja.41,42

Motiv raspršenja rendgenskih zraka na kristalu je centrosi-metrièan bez obzira na kristalografski sustav i prostornu gru-pu. Svaki kristal moÞemo zamisliti kao niz poredanih atomakroz koje polaÞemo ravnine oznaèene indeksima hkl (kojiodreðuju poloÞaj ravnina prema kristalografskim osima) i upojednostavnjenom pristupu, koji je dao Bragg prema za-konu refleksije u klasiènoj optici, rendgenske zrake valneduÞine � raspršuju se na tim ravninama pod kutom � (ustvarnosti one se raspršuju na elektronima atoma koji leÞena zamišljenim ravninama). Periodiènost ponavljanja ravni-na oznaèena je s d.

n� = 2 d sin �

Intenziteti upadnog i raspršenog vala na nizu ravnina (hkl) i(hkl) bit æe jednaki (centrosimetriènost difrakcijskog moti-va), što je poznato kao Friedelov zakon:

I(hkl) = I(hkl)

Coster, Knol i Prins su 1930.43 opazili da intenziteti ras-pršenog vala na ravninama (111) i (1 1 1) cinkova sulfida ni-su isti, što je znaèilo odstupanje od poznatog Friedelovogzakona zbog anomalnog raspršenja na cinkovom atomu.Meðutim u to vrijeme nitko nije došao na pomisao kako is-koristiti ovo otkriæe za odreðivanje apsolutne konfiguracijemolekula.

Ako kristal sadrÞi atom višeg rednog broja (s više elektrona),anomalno raspršenje æe biti izraÞenije. Unutarnji elektronivezani su veæom energijom za teÞe jezgre pa upadni i ras-pršeni val nemaju razliku u fazi 180°, kao kod raspršenja naslobodnim elektronima, veæ pokazuju anomalno raspršenje

koje ima faznu razliku –90°. Anomalno raspršenje je naj-veæe kad je valna duljina upadnog zraèenja nešto manja odapsorpcijskog praga ‘teškog’ atoma koji se nalazi u kristalu.Atomski faktor raspršenja tada postaje kompleksna velièina:

fanomalni = f0 + �f’ + if’’,

pri èemu fo predstavlja raspršenje na slobodnim elektroni-ma daleko od apsorpcijskog praga zraèenja, dok �f’ + if’’nastaju zbog anomalnog raspršenja. Velièine (f0 + �f’) surealne i u fazi, dok if ’’ predstavlja imaginarnu komponentus faznim pomakom od –90°. U tom sluèaju više ne vrijediFriedelov zakon:

I(hkl) I(hkl),

pa su i faze upadnih i raspršenih valova na necentrosi-metriènoj strukturi razlièite. Prilikom odreðivanja apsolutnekonfiguracije odabiru se Friedelovi parovi koji imaju naj-veæe razlike intenziteta (odnosno pripadajuæih strukturnihfaktora) i model odreðene kristalne strukture testira se s obaenantiomera. Onaj koji daje bolje slaganje izraèunatih imjerenih strukturnih faktora oznaèava ispravnu apsolutnukonfiguraciju i odreðuje apsolutnu strukturu molekule. Upoèast Bijvoetu takvi parovi refleksa nose njegovo ime.

Kako bismo ispravno odredili apsolutnu strukturu i apsolut-nu konfiguraciju, dakle odabrali ispravan enantiomer, nuÞ-no je paÞljivo izvesti mjerenje difrakcijskih intenziteta (pomoguænosti pri temperaturi tekuæeg dušika) odabravši Fri-edelove parove i po moguænosti obuhvativši najveæi mo-guæi broj refleksa (dakle do što veæih Braggovih kuteva).Odabir valne duljine zraèenja mora biti usklaðen s prisut-nošæu ‘teškog’ atoma u molekuli. Atom s veæom sposobno-šæu raspršenja rendgenskog zraèenja uvjetovat æe veæe ods-tupanje u intenzitetima Friedelovih parova, ali æe poveæati iapsorpciju. U takvim sluèajevima podesnije je koristiti mo-libdensko zraèenje, èime se smanjuje apsorpcija zraèenjana kristalu. Pri odreðivanju apsolutne strukture organskihmolekula koje sadrÞe kao teÞi atom klor, sumpor ili fosfor,odabrat æemo bakreno zraèenje jer ti kemijski elementinemaju veæu apsorpciju rendgenskog zraèenja. Ova saÞetanapomena korisna je poèetnicima u kristalografiji, ali i sin-tetskim kemièarima da znaju što im rendgenska strukturnaanaliza pouzdano moÞe dati kad je u pitanju apsolutnakonfiguracija i apsolutna konformacija.

Mjerenjem intenziteta raspršenih rendgenskih zraka na kri-stalu dobivamo samo amplitudu raspršenog vala (koja jeproporcionalna intenzitetu), ali ne i fazu. Da bismo mogliodrediti kristalnu strukturu nekog spoja, moramo odrediti ifazu vala što je središnji problem rendgenske strukturneanalize. Jedna od metoda odreðivanja faze raspršenog valana kristalu je temeljena na mjerenju anomalnog raspršenja.Jasno je iz izloÞenog da u sluèaju odreðivanja apsolutnekonfiguracije, odnosno faze raspršenog vala, u molekulitrebamo imati barem atom fosfora, sumpora ili pak elemen-ta s veæim rednim brojem. Pristup odreðivanja faze ko-rištenjem anomalne disperzije razraðen je do velike uèin-kovitosti i koristi se pri odreðivanju proteinskih struktura,posebice sinkrotronom, jer se njime moÞe podesiti valnaduljina upadnog zraèenja i postiæi upadni snop mnogoveæeg intenziteta. Taj aspekt primjene anomalnog raspr-šenja izvan je teme ovog prikaza pa je samo spomenut.


Korisno je napomenuti kako æemo odrediti apsolutnu kon-figuraciju metodom rendgenske difrakcije kad u molekulinemamo ‘teškog’ atoma. Imamo na raspolaganju dvije mo-guænosti. Pripremimo kristal mješanac našeg spoja nepo-znate apsolutne konfiguracije s kiralnom molekulom po-znate apsolutne konfiguracije koja sluÞi kao standard. Dru-ga moguænost je kad imamo molekulu s više kiralnih centa-ra pri èemu barem jedan treba biti poznat i da ne podlijeÞeWaldenovoj inverziji tijekom kemijske reakcije. Tada, pre-ma poznatom centru moÞemo odrediti konfiguraciju ne-poznatog. Na isti naèin moÞe se odrediti apsolutnu kon-formaciju prstenaste strukture u molekuli, kiralnost spi-rale44–46 i aksijalnu kiralnost molekule47 (oznaèene za desnukao P i M za lijevu kiralnost). Ovakvim postupcima utvrðenakonfiguracija èesto se naziva relativna.

Ako nemamo na raspolaganju ni jednu od navedenih mo-guænosti, a odreðujemo kristalnu strukturu kiralne mole-kule, poÞeljno je da su mjerenja difrakcijskih intenziteta štobolja i da su izmjereni intenziteti Friedelovih parova [I(hkl) iI(hkl)]. Tijekom raèunskog postupka poboljšanja modelakristalne strukture metodom najmanjih kvadrata nastojimousporediti slaganje raèunskog modela strukture s mjerenimzamjenjujuæi u modelu (R)- i (S)-enantiomere pri èemu pra-timo vrijednost Flackovog parametra koji treba oznaèiti is-pravan izbor enantiomera.48–50 Ovaj postupak nije pouzdani ovisi o kvaliteti kristala i mjerenih intenziteta. U sluèajukad u molekuli ima više kiralnih centara, taj pristup se nemoÞe koristiti.

Razlièito ponašanje kiralne molekule u lijevo i desno kru-Þno polariziranom svjetlu (slika 30) temelj je spektroskop-ske metode kruÞni dikroizam (na engleskom jeziku Circu-lar Dichroism poznato kao skraæenica CD spectroscopy).Optièka rotacija i kruÞni dikroizam dva su razlièita aspektaiste fizikalne pojave. Mjerenje ove pojave u UV-vidljivompodruèju (200–800 nm) prikladno je za odreðivanje apso-lutne konfiguracije organskih molekula. Detaljno objašnje-nje metode je u elektronskoj strukturi atoma i interakciji sasvjetlom opisano Maxwellovim jednadÞbama i nadopunje-no Feynmanovim51 heliènim modelom. Razraðivanje me-tode i put ka njenoj primjeni u stereokemiji poèiva napraæenju promjena elektronskih stanja izazvanih pobudomfotonom pri èemu dolazi do prijelaza sa zaposjednutih (�,�) ili neveznih (n) molekularnih orbitala u nezaposjednute(�*, �*) orbitale što su razradili Snatzke52,53 (1967., 1968.),Michl i Thustrup54 (1986.) te Eliel55 i koautori (2003.).

Da je spoj kiralan, potvrðujemo mjerenjem optièke aktiv-nosti, tj. otopina koja sadrÞi enantiomer spoja zakreæe rav-ninu polariziranog svjetla za odreðeni kut (�) pri odreðenojvalnoj duÞini korištenog svjetla. Velièina kuta ovisi valnojduljini svjetla i obièno se mjeri pri D-linijama natrijevogsvjetla: 589,0 i 589,6 nm.

� ��

�

T ��

� = izmjereni kut zakreta polariziranog svjetla; � = debljinasloja s otopinom kroz koje prolazi svjetlo; � = masena kon-centracija otopine pri temperaturi T.

U toèci 0 elektrièno polje E0 je rezultanta dviju kruÞno pola-riziranih komponenti: E0(R) i E0(L). U optièki aktivnoj otopi-ni dvije kruÞno polarizirane komponente imaju razlièiteindekse loma nL nR. Pretpostavimo da je nL = nR pa stogavrijedi da je c/�L < c/�R i �L ��R . Pri prolazu svjetla kroz

optièki aktivnu otopinu brzina lijevo polarizirane kompo-nente je veæa od desno polarizirane. Prema slici 31 vidljivoje da svjetlo nakon prolaska kroz kivetu s optièki aktivnomotopinom El više neæe titrati u ravnini P0, veæ u ravnini P �

zakrenutoj za kut � prema P0. Tu pojavu pratimo pomoæuanalizatora. Kad je analizator zakrenut za kut �, dobiva semaksimalni intenzitet svjetla, E � . Taj postupak prikazujemjerenje optièke rotacije (slika 31). Kut rotacije � pri valnojduljini � je povezan s indeksom loma nL i nR prema Fres-nelovoj jednadÞbi:

� = (nL – nR) (�/�)�

� ��

��

��

��

� = gustoæa supstance pri temperaturi T

Normaliziranjem za debljinu sloja kroz koji svjetlo prolazi ikoncentraciju otopine definiramo specifièni i molarni elipti-citet:

[�] = �/cl i [�] = [�] M/100M = molekularna teÞina

Razlika u apsorpciji pri prolazu kroz optièki aktivnu otopinudviju kruÞno polariziranih komponenti imat æe razlièite ek-stincijske koeficijente L i R i njihova razlika � = L – R nazi-va se kruÞni dikroizam.

nL – nR i L ��R ovise o valnoj duljini �, dakle imamo spektredisperzije optièke rotacije (ORD – optical rotation dispersi-on) spektre kruÞnog dikroizma (CD) (slika 32).


S l i k a 30 – Zraka planarno polariziranog svjetla, a), moÞe sepromatrati kao superpozicija lijevo i desno kruÞnopolariziranih zraka, b) i c)

F i g. 30 – A beam of plane polarized light, a), can be conside-red as a superposition of a left- and right-circularlypolarized beams, b) and c)

Lijevi i desni enantiomer iste molekule imaju isti izotropniapsorpcijski spektar, ali su njihovi ORD i CD spektri zrcalnosimetrièni (slika 33). CD spektar moÞe se opaziti samo u bli-zini apsorpcijskog praga, pa je njegova interpretacija jed-nostavnija od ORD spektra iako oba daju iste informacije.

Postupak odreðivanja apsolutne konfiguracije nije uvijekdirektan; prema Snatzkeovoj53 klasifikaciji primjenjuje seempirijski, semiempirijski ili “neempirijski” pristup. Nemasumnje da æemo u empirijskom pristupu koristiti spektarspoja poznate strukture koji je kemijski analogan spoju èi-ju apsolutnu konfiguraciju odreðujemo CD spektroskopi-jom. Našim primjerom odreðivanja apsolutne konforma-cije i konfiguracije diltiazem-hidroklorida [(2S,3S)-3-ace-toksi-5-(dimetilaminoetil)-2,4-(metoksifenil)-2,3-dihidro-1,5--benzodiazepin-4(5H)-on-hidroklorid],56 koji pripada poro-dici Ca-antagonista i sluÞi u terapiji srèane aritmije i koro-narnih bolesti, ilustrirat æemo primjenu metode. PrilikomtraÞenja uèinkovite priprave spoja, koja je krenula iz race-

mata, bilo je presudno strukturno karakterizi-rati podukt: odrediti apsolutnu konfiguracijudvaju kiralnih centara i apsolutnu konforma-ciju 7-èlanog prstena jer je bilo poznato da je(+)-forma biološki uèinkovitija. Rendgenskastrukturna analiza utvrdila je apsolutnu kon-figuraciju kao (2S,3S) i konformaciju 7-èlanogprstena kao deformirani èamac. Apsolutnakonfiguracija endociklièkog ugljikovog atomaC3 kao S jednoznaèno je odredila M-apsolut-nu konformaciju prstena. M-konformacija dil-tiazema u otopini odreðena je na temeljukemijske korelacije s CD spektrom 1,4-ben-zodiazepina poznate apsolutne konfiguracije.Saèuvanost (S) apsolutne konfiguracije u obaspoja definira M-apsolutnu konformaciju.

Na temelju poznatih podataka o apsolutnojkonfiguraciji odreðene molekule izvedena supravila za predzanake Cottonovog efekta uCD spektrima koji su korelirani s desnom (P)odnosno lijevom heliènošæu (M), što ishodnoovisi o (R) odnosno (S) kiralnosti. Iz ovog seodmah moÞe uoèiti da je ova metoda pravi iz-

bor za izuèavanje sekundarne strukture peptida i proteina.U posljednje vrijeme izuzetno je aktualno izuèavanje pro-mjena proteinskog smatanja vremenski razluèenim kru-Þnim dikroizmom korištenjem sinkrotronskog zraèenja. Po-stoji nekoliko pravila izvedenih iz kvalitativnih odnosastrukture i spektara ili pak teorijski temeljena kao što je pra-vilo heliènosti koja se primjenjuje pri interpretaciji CDspektara. Neempirijski pristup, koji je izuzetno pouzdan,primjenjuje se kad u molekuli postoje dva “kromofora” iz-meðu kojih dolazi do sprege koja se jasno odraÞava u CDspektrima; takav je sistem trans-stilben-oksid.


S l i k a 31 – Pojednostavljen prikaz mjerenja optièke rotacijeF i g. 31 – Idealized optical rotation experiment

S l i k a 32 – Ovisnost indeksa loma lijevog i desnog enantiomerate njihovih ekstinkcija o valnoj duljini

F i g. 32 – Differential refractive indices and extinction coeffi-cients for left and right circularly polarized light

S l i k a 33 – Cottonov efekt i apsorpcijski maksimum. Energija,poloÞaj i intenzitet Cottonovog efekta su ovisni o strukturi mo-lekule.

F i g. 33 – The Cotton effect and absorption maxima. Energy,position and intensity of the Cotton effect depend on the molecularstructure

U interpretaciji CD-spektara, a time i njihove primjeneuèinjen je velik napredak, pri èemu je najznaèniji primjenaoscilatora u sprezi (neempirijski pristup). No još nisu iscr-pljene sve moguænosti korelacija spektara i strukture. Upraktiènom smislu velik je korak uèinjen povezivanjemHPLC sa stacionarnom fazom s CD detekcijom, što je odvelike prednosti u odvajanju kiralnih spojeva. Definitvnoveliko novo podruèje je otvoreno u korištenju spektrosko-pije CD za izuèavanje sekundarne strukture peptida, pro-teina i nukleinskih kiselina, kompleksa ligand-protein tenjihovih promjena tijekom interakcija.

Znaèaj Pasteurovog otkriæai što obeæava buduænost

Pasteurovo otkriæe pokrenulo je novi pristup u povezivanjusvojstava molekula i njihove simetrije s dalekoseÞnim pos-ljedicama u gotovo svim podruèjima znanosti i primjene.Kemièari æe reæi da je Pasteurovo otkriæe postavilo temelj zarazvoj stereokemije. V. Prelog se takoðer kao i E. L. Elielpriklonio stavu da stereokemija nije samo grana kemijenego mnogo više naèin pristupa kemiji.57 U doba Pasteuraradile su se samo jednostavne kemijske sinteze, a mnogoviše kemièari su se bavili izolacijama prirodnih spojeva èijasu djelotvorna svojstva bila poznata od davnina. Poèetkom20. stoljeæa poèeli su primjenjivati metode razgradnje spo-jeva kako bi indirektnim putem dokazali kemijski sastav pri-rodnih spojeva poput morfina, spojeva iz ljekovitog bilja,raznih alkaloida meðu njima i smrtonosnih otrova poputkurarea koji su koristili amerièki Indijanci na svojim strijela-ma. Nakon toga došao je novi izazov da se kemijskim pu-tem sintetiziraju prirodni spojevi. Tako su objavljene to-talne sinteze vrlo sloÞenih prirodnih molekula, uglavnomkiralnih, vezane uz velikane organske kemije koji su svi No-belovi laureati. R. B. Woodward je dobio Nobelovu nagra-du 1965. za sintezu prirodnih spojeva, preteÞno cefalo-sporinskog niza. D. H. R. Barton i O. Hassel podijelili su1969. nagradu za principe konformacijske analize. J. W.Cornfoth i V. Prelog takoðer su podijelili to prestiÞno pri-znanje 1975.: znaèajna otkriæa prvog vezana su uz stereo-kemiju enzimima kataliziranih reakcija dok je V. Prelogosvojio svoj dio nagrade za sterokemiju organskih molekulai reakcija. Upravo nakon Bijvoetovog otkriæa metode za od-reðivanje apsolutne konfiguracije objavljene 1949.13 i Bar-tonovih principa konformacijske analize stereokemija jedobila snaÞan zamah i znaèaj.

Kratak osvrt na ulogu kiralnosti u znanosti i njezinoj primje-ni58 oèito govori o dalekoseÞnoj posljedici narušavanja pra-vila pariteta u prirodi.59,60 Korištenje enzima u pripravi èistihenantiomernih spojeva opseÞno je i vaÞno podruèje, ali sva-kako treba spomenuti i asimetriènu katalizu, u kojoj kiralnikatalizator prevodi akiralni supstrat u homokiralni produkt.Bitan napredak postignut je 70-ih godina prošlog stoljeæakad su u Monsantu W. Knowlles i suradnici upotrijebili ro-dijev kompleks s kiralnim fosfinskim ligandom koji katalizirastereoselektivnu adiciju H2 na prokiralni supstrat generira-juæi CH kiralni centar visoke enantioselektivnosti. Taj postu-pak je komercijaliziran u sintezi L-dopamina, koji sluÞiublaÞavanju pojava izazvanih Parkinsonovom bolešæu. Listaprimjene asimetriène katalize u industriji veoma je opseÞnai moÞe se oèekivati velik napredak u tom podruèju kojeneminovno povezuje razlièite discipline kao što su organska

sinteza, organometalna kemija, kinetika, strukturna kemija,biologija* i znanost o materijalima. Priroda pruÞa najboljeuzore koje trebamo uoèiti i ‘’kopirati’’. Prirodni biopolimeripoput proteina i DNA èesto imaju helikoidalnu konforma-ciju koja odreðuje 3D strukturu i specifiènu biološku ulogu.U procesima staniène signalizacije i enzimskim reakcijamadolazi do promjene konformacija. Primjenimo li taj principu sintezi kiralnih konjugiranih polimera moÞemo pripremitioptoelektronièke molekule, biosenzore, umjetne enzime idrugo. Pri tome je igra priprave helikoidalne supermolekulepolimera, koristeæi akiralni polimer – npr. politiofen61 i pep-tid, izazovna. Nova molekula “naslijedit” æe sreðenu heli-koidalnu i kiralnu strukturu biopolimera i elektronska svoj-

stva sintetièkog polimera. Moguæe je da pri odreðenoj tem-peraturi ili pri obasjavanju svjetlom odreðene valne dulji-ne poprimi drugaèija svojstva. Izborom (a)kiralnosti jedneod komponenti moÞe se utjecati na kiralnost supramo-lekule.

Prepoznavanje i korištenje kiralnosti doista nema granice.Talijansko kemijsko društvo je, prepoznavši vaÞnost promo-viranja tih znanja, ustanovilo 1991. meðunarodnu nagradu‘Chirality Medal’ (slika 34) koju dodjeljuje meðunarodniodbor u koji su ukljuèeni i Þivuæi dobitnici tog priznanja. V.Prelogu takoðer je 1992. dodijeljeno ovo priznanje. Zanim-ljivo æe biti vidjeti tko æe nakon dobitnika za 2006. M. Laha-va, u 2007. na 19. Meðunarodnom simpoziju o kiralnostibiti ukrašen “puÞevima”.

Svako predviðanje u znanosti je neprimjereno jer je nepo-uzdano, ali je dopušteno navesti neka novija istraÞivanjavezana uz kiralnost koja zacijelo vode ka novim spoznaja-ma koje æe revolucionirati postojeæe teorije kako u fizici


* Aspekt kiralnosti Þivog svijeta veoma je sloÞen i nadasve zanimljiv. ZbogopseÞnosti teme ovaj je prikaz usmjeren samo na kiralnost u kemiji.

S l i k a 34 – “Chirality Medal” koju je 1992. dobio Vladimir Pre-log

F i g. 34 – The “Chirality Medal” awarded to Vladimir Prelog in1992

elementarnih èestica tako i u teoriji o porijeklu kiralnosti ti-jekom nastanka Þivota i prirodnom odabiru samo jednogenantiomera.

Kljuèno pitanje u ovoj enigmi je kako toèno izraèunati, apotom i izmjeriti razliku u energiji enenatiomera (fJ – pJmol–1) koja uzrokuje odstupanje od zakona pariteta. Za-nimljivo je navesti primjer prvog kvantitativnog istraÞivanjaizotopne kiralnosti derivata fosfina PHDX (X = F, 35Cl, 37Cl,79Br, Br) (slika 35).62 Izotopna supstitucija unosi kiralnost iutjeèe na molekularna gibanja koja dovode do promjenageometrije (duljina veza X – D < X – H). Postoji razlika upotencijalu enantiomera zbog izotopne supstitucije i te suenergije za red velièine manje nego li kod obiènih enantio-mera. Odstupanje od zakona pariteta nastaje zbog slabihelektriènih interakcija elektrona i nukleona posredstvomz-bozona. Usavršavanje kvantno-kemijskih metoda za izra-èunavanje tih slabih interakcija omoguæit æe razumijevanjeodstupanja od zakona pariteta i pruÞiti osnovu za potpunorazumijevanje fizikalne osnovice molekularne kiralnosti.

LiteraturaReferences

1. T. Lee, C. Yang, Phys. Rev. 104 (1956) 254-258.2. V. Prelog, Nobel Lecture, 12. prosinac 1975., Croat. Chem.

Acta 79 (2006) XLIX – LVII .3. K. Starosta, T. Koike, C. J. Chiara, D. B. Fossan, D. R. LaFosse,

A. A. Hecht, C. W. Beausang, M. A. Caprio, J. R. Cooper, R.Krücken, J. R. Novak, N. V. Zamfir, K. E. Zyromski, D. J. Hartley,D. L. Balabanski, Jing-ye Zhang, S. Frauendorf, V. I. Dimitrov,Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 971-974.

4. L. D. Barron, Chem. Soc. Rev. 15 (1986) 189-223.5. M. J. T. Robinson, Tetrahedron 30 (1974) 1499-1501.6. R. Robinson, Tetrahedron 30 (1974) 1477-1486.7. L. Pasteur, Leçons de chimie professées en 1860, Société Chi-

mique de Paris, 1861.8. R. G. Kostyanovsky, Mendeleev Commun. (2003) 1-6.9. E. L. Eliel, Croat. Chem. Acta 69 (1996) 519-533.

10. J. H. Van’t Hoff, Archives neederlandaises des sciences exacteset naturelles 9 (1874) 445-454.

11. J. A. LeBel, Bull. soc. Chim. 22 (1874) 337-347.12. E. Fischer, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 24 (1891) 1836.13. J. M. Bijvoet, Proc. Kon. Ned. Akad. Wet. 52 (1949) 313.14. J. Jonas, New. J. Chem. 21 (1997) 1251-1253.15. T. Hahn (ur.) International Tables for Crystallography, Volume

A: Space-Group Symmetry, International Union of Crystallog-raphy/D. Riedel Publishing Company, Dordrecht, 1983.

16. A. D. McNaught, A. Wilkinson, Compendium of ChemicalTerminology, The Gold Book, 2. izdanje, Blackwell Science,New York, 1997.

17. S. Alvarez, P. Alemany, D. Avnir, Chem. Soc. Rev. 34 (2005)313-326.

18. K. Mislow, Chirality 14 (2002) 126-134.19. H. Dodziuk, M. Mirowicz, Tetrahedron: Asymmetry 1 (1990)

171-186.20. K. Mislow, Croat. Chem. Acta 69 (1996) 489-511.21. A. Sobanski, R. Schmieder, F. Vögtle, Chemie in unserer Zeit

34 (2000) 160-168.22. D. M. Walba, A Topological Hierarchy of Molecular Chirality

anf other Tidbits in Topological Stereochemistry, u P. Mezey(uredn.), New Developments in Molecular Chirality, KluwerAcademic Publishers, Boston, 1991, str. 119-129.

23. J. Jonas, Chem. Listy 93 (1999) 223-228.24. M. Feigel, R. Ladberg, S. Engels, R. Herbst-Irmer, R. Fröhlich,

Angew. Chem., Int. Ed. 45 (2006) 5698-5672.25. R. Jäger, T. Schmidt, D. Karbach, F. Vögtle, Synlett 8 (1996)

723.26. K. S. Chichak, S. J. Cantrill, A. R. Pease, S. H. Chiu, G. W. V.

Cave, J. L. Atwood, J. F. Stoddart, Science 304 (2004) 1308-1312.

27. K. Adachi, K. Naemura, M. Nakazaki, Tetrahedron Lett. (1968)5467.

28. M. Nakazaki, K. Naemura, H. Chikamatsu, M. Iwasaki, M. Has-himoto, Chem. Lett. (1980) 1571.

29. M. Nakazaki, K. Yamamoto, S. Tanaka, H. Kametani, J. Org.Chem. 42 (1977) 287.

30. D. M. Walba, Tetraherdon 41 (1985) 3161.31. J.–C. Chambron, J.–P. Sauvage, K. Mislow, J. Am. Chem. Soc.

119 (1997) 9558.32. V. Prelog, H. Gerlah, Helv. Chim. Acta 47 (1964) 2288-2294.33. H. Gerlah, J. A. Owtschinikow, V. Prelog, Helv. Chim. Acta 47

(1964) 2294-2301.34. A. Shivanyuk, K. Rissanen, S. K. Korner, D. M. Rudkevich, J. Re-

bek, Jr., Helv. Chim. Acta 83 (2000) 1778-1790.35. H. Dodziuk, Tetrahedron: Asymmetry 3 (1992) 43-50.36. N. Basariæ, M. Matkoviæ, K. Mlinariæ-Majerski, K. Molèanov, B.

Kojiæ-Prodiæ, u tisku, Tetrahedron, 2007.37. K. Molèanov, B. Kojiæ-Prodiæ, M. Roboz, Acta Cryst. B 62

(2006) 1051-1060.38. F. H. Allen, Acta Cryst. B 58 (2002) 380-388.39. K. Molèanov, B. Kojiæ-Prodiæ, M. Matkoviæ, K. Mlinariæ-Ma-

jerski, Acta Cryst. E 62 (2006) 4824-4826.


S l i k a 35 – Energije izotopnih enantiomera su neznatno razlièi-te62 što je posljedica narušavanja zakona pariteta. Razlika u energiji�NA�pV� = ��pV H0

�� za reakciju (S) (R) prikazana je shemom ipredviða se da iznosi oko 10–11 J mol–1. Koliko je presudna ta malarazlika u kemiji i kakve su posljedice za fiziku i biologiju pitanja sukoja tek oèekuju odgovor.F i g. 35 – Due to the breaking of the parity, energy of isotopicenantiomers are slightly different.62 Energy difference �NA�pV� =��pV H0

�� for reaction (S) (R) is shown schematically and is pre-dicted to be ca. 10–11 J mol–1. The significance of such a small diffe-rence in chemistry, physics and biology is still unknown.

40. J. M. Bijvoet, Nature (London) 173 (1954) 888-891.41. J. Drenth, Principles of Protein Crystallography, Springer Ver-

lag, 3. izdanje, 2006, Heidelberg.42. C. Kratky, Anomalous Dispersion of X-Rays and the Determi-

nation of the Handedness of Chiral Molecules u R. Janoschek(ur.) Chirality – From Weak Bosons to the �-Helix, SpringerVerlag, Heiderlberg, 1991.

43. D. Coster, K. S. Knol, J. A. Prins, Z. Phys. 63 (1930) 345.44. G. Snatzke, C. Angeli, E. Decorte, F. Moimas, B. Kojiæ-Prodiæ,

V. Šunjiæ, Helv. Chim. Acta 69 (1986) 734-748.45. B. Kojiæ-Prodiæ, Ý. RuÞiæ-Toroš, V. Šunjiæ, E. Decorte, F. Moi-

mas, Helv. Chim. Acta 67 (1984) 916-926.46. M. Gelo-Puljiæ, S. Antoliæ, B. Kojiæ-Prodiæ, V. Šunjiæ, Tetra-

hedron 50 (1994) 13753-13764.47. K. Molèanov, M. Radiæ Stojkoviæ, I. Piantanida, M. Ýiniæ, Acta

Crystallogr. E 62 (2006), o2666-o2668.48. G. Bernardinelli, H. D. Flack, Acta Crystallogr. A 41 (1985)

500-511.49. H. D. Flack, G. Bernardinelli, J. Appl. Crystallogr. 33 (2000)

1134.50. H. D. Flack, Helv. Chim. Acta 86 (2003) 905-921.

51. R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, The Feynman Lectu-res on Physics, Vol. 1 Addison& Wesley, Reading, SAD, 1963.

52. G. Snatzke (uredn.), Optical Rotatory Dispersion and CircularDichroism in Organic Chemistry, Heyden & Son, London,1967.

53. G. Snatzke, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 7 (1968) 14.54. J. Michl, E. W. Thulstrup, Spectroscopy with Polarised Light,

VCH, New York, 1986.55. E. Eliel, S. Wilen, L. N. Mander, Streochemistry of Organic

Compounds, 13. poglavlje, Wiley, New York, 2003.56. B. Kojiæ-Prodiæ, Ý. RuÞiæ-Toroš, V. Šunjiæ, E. Decorte, F. Moi-

mas, Helv. Chim. Acta 67 (1984) 916-926.57. V. Prelog, Autobiography, http://nobelprize.org/nobel_prizes/

chemistry/laureates/1975/prelog-autobio.html58. J. W. Lough, I. Wainer (ur.) Chirality in Natural and Applied

Sciences, Blackwell, London, 2002.59. M. Quack, Angew. Chem. Int. Ed. 41 (2002) 4618-4630.60. W. A. Bonner, Chirality 12 (2000) 114-126.61. K. Peter, R. Nilsson, J. Rydberg, L. Baltzer, O. Inganäs, PNAS

101 (2004) 11197-11202.62. R. Berger, G. Laubender, M. Quack, A. Sieben, J. Stohner, M.

Willeke, Angew. Chem. Int. Ed. 44 (2005) 3623-3626.


SUMMARY

Chirality – The forthcoming 160th Anniversary of Pasteur’s DiscoveryK. Molèanov and B. Kojiæ-Prodiæ

The presented review on chirality is dedicated to the centennial birth anniversary of Nobel lau-reate Vladimir Prelog and 160 years of Pasteur’s discovery of chirality on tartrates. Chirality hasbeen recognized in nature by artists and architects, who have used it for decorations and basicconstructions, as shown in the Introduction. The progress of science through history has enabledthe gathering of knowledge on chirality and its many ways of application. The key historical disco-veries about the rotation of polarized light as a consequence of molecular chirality and findings ofPasteur and Lord Kelvin are described. Chirality can be found in physics of elementary particlesand in many fields of chemistry: analytical and organic chemistry, chemistry of natural compo-unds, medicinal and pharmaceutical chemistry, biochemistry and biotechnology, and molecularbiology. The development of knowledge about chirality and its physical background are brieflydescribed. Definitions for geometrical, topological, and conformational chirality are given accom-panied by numerous examples of molecules exhibiting such features. The relations between sym-metry and chirality in crystallography are exposed. X-ray crystallography is a method of choice forunambiguous determination of molecular architecture, including the absolute configuration ofthe molecule using Bijvoet’s approach. Two methods of determination of absolute configurationby X-ray diffraction and circular dichroism are briefly discussed. To mark two significant jubilees,the essay is dedicated to the role of chirality in stereochemistry. Stereochemistry is not a branch ofchemistry but rather a view at chemistry, as considered by E. L. Eliel; this approach is respected inthe essay presented. This very approach leads to various aspects of chirality and brings to the con-sistency of many definitions. The future will bring us knowledge on the role of chirality in commu-nications among molecules, which guide our life processes. The synthesis of various dynamicallychiral supramolecules from achiral molecules and preparations of conjugated homochiral po-lymers will offer new types of biosensors, artificial enzymes and some sophisticated materials. Theresearch of isotopic chirality by quantum-chemical methods reveals some parity-violating effectsand shed more light on the physical bases of molecular chirality.

Ruðer Boškoviæ Institute, Received March 19, 2007Department of Physical Chemistry, Accepted April 10, 2007Bijenièka 54, 10000 Zagreb, Croatia

hrvatski, pdf (5 mb)

Documents