Właśnie opublikowaliśmy 12 odcinek podcastu Coopernicus!
Artykuł - zdjęcie główne
Molekularna rebelia – jak przypadkiem udowodniliśmy prawdziwość zapomnianych XIX-wiecznych tez Jacobusa van ‘t Hoffa

Różnica między stroną prawą i lewą

Wiele związków chemicznych występujących w naturze cechuje brak elementów symetrii lustrzanej. Oznacza to, iż związek wyjściowy (A) i jego lustrzane odbicie (A’) po nałożeniu na siebie nie są identyczne – podobnie jak ludzkie dłonie. Cecha ta w chemii nazywana jest chiralnością. Związki A i A’ opisujące powyższy przypadek, mające identyczne wzory sumaryczne i strukturalne są zwane enancjomerami. Enancjomery jako swoje lustrzane odbicia, w kontakcie ze związkami achiralnymi (mającymi elementy symetrii lustrzanej) wykazują identyczne właściwości. Podobnie obserwujemy brak różnicy pomiędzy chwytem lewą a prawą dłonią prostej metalowej rurki. Jednakże gdy związki A i A’ mają do czynienia z innymi chiralnymi związkami, struktura przestrzenna (tzw. konfiguracja) ma kluczowe znaczenie dla interakcji. Zobrazować to zjawisko znowu możemy na podstawie ludzkich dłoni dwóch osób. Inaczej dopasowana będzie nasza prawa dłoń do prawej dłoni drugiej osoby aniżeli do jej lewej dłoni. Tę kluczową właściwość wykorzystują niemal wszystkie funkcyjne związki naturalne: kwasy nukleinowe, białka czy cukry. Aby chemia życia funkcjonowała, wszystkie interakcje między biomolekułami muszą być perfekcyjne: biopolimery mają identyczne sekwencje i długość, wszystkie związki mają tę samą konfigurację, wszystkie kwasy nukleinowe tworzą helisy prawoskrętne. Ten naturalny „pedantyzm” jest od wielu dekad wielką tajemnicą dla chemików. Do dziś nie znamy odpowiedzi na wiele trapiących nas pytań: skąd wzięła się chiralność? Jakie były pierwsze chiralne związki? Jak chiralność ewoluowała? Czy istnieją alternatywne galaktyki, gdzie dominują związki o odwróconej konfiguracji? Te pytania możemy mnożyć, lecz odpowiedź na choćby jedno z nich to wiele lat badań.

Pierwszym chemikiem, który opisał chiralność (jako pokłosie struktury przestrzennej związków organicznych) był Holender Jacobus van ‘t Hoff, który otrzymał za swoje badania w roku 1901 nagrodę Nobla w dziedzinie chemii (nomen omen pierwszą w historii tego konkursu). Podczas swoich badań nad chiralnymi związkami jeszcze pod koniec XIX wieku, van ‘t Hoff zaproponował tezę, iż enancjomery powinny wykazywać różne właściwości również, gdy są rozpuszczone w rozpuszczalniku chiralnym. Pozornie teza ta brzmi jak truizm, gdyż wynika z paragrafu powyżej. Lecz fakty są zadziwiające: do 2019 roku, nikomu nie udało się wykazać eksperymentalnie, że wyżej opisana różnica w stanie równowagi termodynamicznej istnieje. W tym miejscu zagłębimy się w historię, która dosyć niespodziewanie wydarzyła się w laboratoriach Uniwersytetu Technicznego w Eindhoven.

Związki organiczne posiadają strukturę przestrzenną. Atomy węgla mają możliwość tworzenia czterech wiązań kowalencyjnych. Gdy każdy z czterech podstawników jest inny, lustrzane odbicia związku po nałożeniu na siebie nie są identyczne – tak jak dłoń lewa i prawa – są enancjomerami. Natura korzysta z tej właściwości i jest w stanie selektywnie dobierać enancjomery. Przykładowo, limonen występuje w postaci dwóch enancjomerów. Enancjomer R znajduje się w cytrusach i odpowiada za ich charakterystyczny zapach. Enancjomer S ma natomiast zapach terpentyny. Wszystko z powodu, iż receptory zapachowe są również związkami chiralnymi i inaczej wchodzą w interakcję z enancjomerem R lub S.

grafika po lewej: Wikipedia Common, domena publiczna; po prawej źródła własne

Rebelia w probówce

Podczas doktoratu zajmowałem się badaniem procesu polimeryzacji supramolekularnej, która polega na syntezie długich łańcuchów cząsteczek (polimerów) tworzonych z powtarzających się segmentów (merów). Polimery syntetyczne to niezastąpiona klasa związków, bez których nie wyobrażamy sobie dziś życia. Związki takie jak polietylen, polipropylen czy politereftalan etylenu są powszechne i spotykane niemalże na każdym kroku. Wyżej wymienione polimery są polimerami kowalencyjnymi, co oznacza, że kolejne mery połączone są ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych. W Eindhoven badaliśmy polimery supramolekularne, które oparte o wiązania niekowalencyjne między merami – takie jak wiązania wodorowe. Główna różnica między polimerami kowalencyjnymi a niekowalencyjnymi polega na tym, że synteza tych drugich jest całkowicie odwracalna – tj. dzięki działaniu odpowiednich czynników (temperatura, rozpuszczalnik, inny związek chemiczny) można z łatwością odwrócić proces i odzyskać monomery – co jest przeważnie niemożliwe w przypadku konwencjonalnych polimerów. Dzięki funkcjonalizacji związków o odpowiedniej symetrii w grupy zdolne do tworzenia wiązań wodorowych, byliśmy w stanie syntezować niekowalencyjne polimery o strukturze helikalnej. Helisy są strukturami chiralnymi posiadającymi skrętność. Rozróżniamy helisy prawoskrętne (P) i lewoskrętne (M). Skręt helisy mógł być kontrolowany przez kilka czynników takich jak obecność elementów chiralnych w monomerze, lub w rozpuszczalniku, w którym zachodził proces polimeryzacji. Co ciekawe, tak zbudowane polimery supramolekularne wykazują wiele właściwości podobnych do kryształów. Dla przykładu: polimeryzacja zaczyna się od zarodkowania a następnie przechodzi w fazę elongacji. Kluczową właściwością wspólną dla obu tych grup jest kooperatywność – addytywność wielu oddziaływań w strukturze. Oznacza to, że wszystkie oddziaływania w polimerze (wiązania wodorowe między kolejnymi monomerami) mają na siebie wpływ nawzajem i sumują się. Kooperatywność wyrażana jest w wielu nieliniowych zjawiskach obecnych również w związkach naturalnych. 

Polimery kowalencyjne takie jak politereftalan etylenu (po lewej) zbudowane są z monomerów: kwas tereftalowy i glikol etylenowy za pomocą wiązań kowalencyjnych. Polimery supramolekularne zbudowane są za pomocą wiązań wodorowych między kolejnymi merami. Związki aromatyczne funkcjonalizowane grupami amidowymi mają zdolność do tworzenia stabilnych wiązań wodorowych. Odpowiednia symetria w strukturze monomeru (tu: oś symetrii C3) sprawia, że polimery przybierają postać helisy.

Grafika: PET: Wikipedia Common, domena publiczna, po prawej: źródła własne

Jak wspomniałem wcześniej, skręt helisy naszych polimerów supramolekularnych kontrolowaliśmy dzięki chiralnym strukturom monomerów. Jednakże dzięki zjawisku kooperatywności, pula monomerów nie musi się składać w 100% z chiralnych związków, aby uzyskać pełny skręt helisy. Dzięki zjawisku zwanemu w literaturze naukowej „Sergeants and soldiers”, wystarczy ledwie kilka % chiralnego monomeru (A), by wymusić na achiralnych monomerach (B) skręt helisy preferowany przez (A).

Do tego momentu opisywałem zjawiska, które znaliśmy wcześniej i nie było w nich nic zaskakującego. Jednakże pewnego piątkowego wieczoru na ostatnim roku rozmyślałem nad ostatnim rozdziałem swojej pracy i zaproponowałem coś całkowicie innego. Otóż, traktując nasze polimery jak wojsko, z pulą sierżantów (monomery chiralne, enancjomer o konfiguracji R) i szeregowych (monomery achiralne), hipotetycznie możemy odwrócić sytuację „Sergeants and soldiers” i doprowadzić do rebelii. Przy użyciu chiralnego rozpuszczalnika wymusimy na achiralnych monomerach skręt helisy odwrotny wobec preferowanego przez monomery chiralne (R). Eksperyment przeprowadziłem z sukcesem, lecz gdy zacząłem badać, jak proces polimeryzacji dla różnych mieszanin monomer chiralny + achiralny przebiega przy zmiennej temperaturze, zauważyłem zjawiska inwersji (skrętności) helisy, których wcześniej nie obserwowałem w innych rozpuszczalnikach.

Złamana symetria

Wywnioskowałem, że najpierw muszę zająć się polimeryzacją samych monomerów chiralnych (obu enancjomerów R i S) w chiralnym rozpuszczalniku o konfiguracji S. Okazało się, że w przypadku obu enancjomerów dochodzi od odwrócenia helisy w trakcie polimeryzacji (tj. z helisy P do helisy M dla monomeru o konfiguracji R i odwrotnie dla monomeru o konfiguracji S). Nie byłoby w tym nic nadzwyczajnego, gdyby nie fakt, że w chiralnym rozpuszczalniku o konfiguracji S, temperatury inwersji helisy dla obu enancjomerów były różne! Mój kolega z grupy badawczej, Mathijs Mabesoone stworzył odpowiedni model termodynamiczny, który opisywał liczbowo badany system i z jego pomocą doszliśmy do niezwykle zaskakujących wniosków. Wyniki naszych wspólnych badań jednoznacznie potwierdzały, że chiralny rozpuszczalnik złamał symetrię lustrzaną pomiędzy enancjomerami, co było niezbitym dowodem na prawdziwość tezy van ‘t Hoffa. Dokładna analiza pozwoliła nam ustalić, dlaczego nikt przed nami nie mógł tego dokonać. Nasi poprzednicy badali rozpuszczalność enancjomerów w chiralnych rozpuszczalnikach i nie zaobserwowali nigdy różnicy w tej właściwości w przypadku enancjomerów. Rozpuszczalność to cecha monomerów, w przypadku których oddziaływania międzycząsteczkowe nie sumują się. W związku z tym nawet, jeśli istnieje jakakolwiek różnica między rozpuszczalnością enancjomerów, to jest ona zbyt mała, by być zauważalna eksperymentalnie. W naszym przypadku zajmowaliśmy się polimerami, gdzie dzięki zjawisku kooperatywności, oddziaływania między cząsteczkami sumują się. W efekcie nawet minimalna różnica w energii pomnożona przez długość łańcucha (rząd wielkości setki tysięcy) daje zauważalne eksperymentalnie różnice między enancjomerami. Model Mathijsa pozwolił również uzyskać inną interesującą informację – różnica (wyrażona jako entalpia swobodna Gibbsa, ΔG) między właściwościami enancjomerów w chiralnym rozpuszczalniku pochodzi niemalże w całości od entropii ΔS układu, natomiast niewiele wspólnego ma z jego entalpią ΔH.

Grafika: źródło własne, autorstwo Mathijs Mabesonne

Helikalne polimery supramolekularne mogą przybierać postać lewo- lub prawoskrętną pod wpływem chiralności obecnej w strukturze monomeru lub rozpuszczalnika. W achiralnym rozpuszczalniku helisy P i M są enancjomerami, tak jak monomery, z których są zbudowane. Helisy te wykazują identyczne właściwości chemiczne. W chiralnym rozpuszczalniku symetria lustrzana zostaje złamana i polimery zachowują się jak diastereoizomery – mają różne właściwości. Powyższa ilustracja symbolizuje złamaną symetrię lustrzaną.

Nasze późniejsze badania wykazały, że może mieć to związek z nieliniowymi efektami powodowanymi przez rozpuszczalnik. W dużym uproszczeniu należy traktować rozpuszczalnik nie jako zbiór osobnych cząsteczek, lecz jako pole wektorowe. W ten temat jednak nie będę się zagłębiał, gdyż ze względu na konieczność opuszczenia murów uczelni po obronie doktoratu, nie mieliśmy czasu, by kontynuować tę pasjonującą podróż we wcześniej nieznane zakamarki chemii. Niemniej ciągle mam nadzieję, że znajdzie się śmiałek, który zdecyduje się podjąć dalsze badania mające ostatecznie odpowiedzieć na pytanie – czym tak naprawdę jest rozpuszczalnik? Jest to doprawdy przewrotne, że rozpuszczalniki towarzyszą nam niemal w każdym chemicznym procesie, a my ciągle wiemy o nich niewiele.

Na podstawie: Nature Chemistry, 13, 200–207 (2021)

Marcin Ślęczkowski
Bio:

Urodzony w Kędzierzynie-Koźlu, wychowany w Zabrzu, gdzie ukończył II LO w 2009 roku. Następnie studiował Makrokierunek: Technologia i Inżynieria Chemiczna na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej, gdzie ukończył studia inżynierskie (2013), a następnie magisterskie (2014). Po ukończeniu studiów pracował rok w przemyśle, a następnie w roku 2015 podjął studia doktoranckie na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Chemii Uniwersytetu Technicznego w Eindhoven w Holandii w dziedzinie chemii supramolekularnej. Swoje badania skoncentrował na odgadnięciu roli rozpuszczalników w procesach polimeryzacji supramolekularnej. Po obronie pracy doktorskiej (2019) kontynuował pracę naukową na Wydziale Nauk Ścisłych i Inżynierii Uniwersytetu Maastricht w Holandii, gdzie łączył syntezę polimerów kowalencyjnych stopniowych i polimerów supramolekularnych w celu uzyskania biodegradowalnych żywic samoutwardzalnych. W 2021 roku opuścił mury uczelni i pracuje jako naukowiec w przemyśle.

Napisany przez:

Marcin Ślęczkowski

Dodaj komentarz