Optikai izomeria, D- és L-anyag, racém

Röviden: Szerves vegyületeknél gyakori, hogy két vegyület atomjai és atomcsoportjai a síkban rajzolva ugyanúgy kapcsolódnak, a valóságban azonban mégis az egyes atomok vagy csoportok térállása különböző. Az optikai izomer molekulák egyszerűbb esetekben egymásnak a tükörképei, mint pl. a jobb és bal cipő, forgatással nem hozhatók fedésbe. Ezek a szervezetben külön­bözőképpen viselkedhetnek.

Bővebben:Többször elfordult a racem, a D-valami és L-valami kifejezés az egyes anyagoknál. Miről is van szó?

Vegyünk egy gömböt és csatlakoztassunk hozzá négy másik különböző gömböt. Úgy is mondhatjuk, hogy vegyünk egy szénatomot és kapcsoljunk hozzá négy másik, egymástól különböző másik atomot vagy atomcsoportot. Kétféle összeállítást, molekulát kaphatunk, ezek egymásnak tükörképei:

Egyformák, de bárhogy forgatjuk is őket, nem hozhatók egymással fedésbe (csak ha két golyót, atomot felcserélünk, de ez most nem meg­engedett). A képen a két almasav molekula optikai izomer, egymásnak tükörképe (szakszóval enan­tiomerek), a szaggatott kötés azt jelzi, hogy a hidrogénatom a papir síkja mögött van. Optikai izomeria mindig fellép, ha egy szénatom mind a négy vegyértékéhez más-más atom, atomcsoport csatlakozik, más szóval a szénatom aszim­metrikus. Az ilyen molekulákat királis molekuláknak is hívjuk. A kétféle almasav minden fizikai tulajdonsága egyforma (olvadáspont, hővezető­képesség, bármi), kivéve a fénytani tulajdonságait: ha oldatot készítünk belőle, az egyik oldata a polarizált fény síkját jobbra forgatja, a másik balra (aki ért a fényképezéshez és tudja, hogy mi és mire jó a polárszűrő, valószínűleg kapisgálja a dolgot). A latin jobb és bal rövidítése alapján hívjük őket D- és L-almasavnak (vagy + és - jellel is jelölik őket). Az alapvető kémiai tulajdonságaik is egyformák (milyen erős sav, hogy reagál egy másik anyaggal stb.). A kétféle almasav 1:1 arányú keverékét DL-almasavnak vagy racém almasavnak hívjuk. Egy kémiai laboratóriumi vagy gyári egyszerű szintézisben mindig ilyen keverék keletkezik, az utólagos szétválasztás mindig egy kicsit trükkös! Természetesen ez minden olyan szerves anyagra érvényes, amiben aszimmetrikus szénatomok vannak, márpedig az élővilágban szinte mindegyik ilyen.

Probléma akkor van, ha egy reakcióban mindkét partner optikailag aktív: ekkor az eredmény nem ugyanaz, ha – mondjuk – D-bázis az L-savval, vagy D-bázis a D-savval kerül össze. Az egyik esetben lesz reakció, a másik esetben nem vagy másféle. Magyarul, ha van két zárunk, amelyek egymásnak tükörképei, akkor a megfelelő kulcsok is tükörképek lesznek: D-kulcs nyitja a D-zárat, de az L-zárat már nem, és fordítva.

Az élet úgy alakult ki a Földön, hogy az aminosavak csak az L-sorozatba, a cukrok csak a D-sorozatba tartoznak (máig is vita tárgya, hogy ez véletlenül alakult-e ki így vagy volt-e valami oka). Ebből az következik, hogy ha egy űrhajós egy olyan világba érkezne, ahol az élet pont a fordított optikai izomereken alapszik, bármennyit enne, mégis éhenhalna. Ezt persze a Földön is ki lehet próbálni: ha egy patkányt olyan tápszerrel etetnek, amiben a fordított aminosavak és cukrok vannak, nem sokáig húzza. A dolog persze komplikáltabb: ha egy L-kulcssal akarunk egy D-zárat nyitni, lehet, hogy a kulcs bele se megy a zárba, lehet, hogy csak körbeforog, de lehet, hogy beletörik és zár tönkremegy. A valóságban is így van: a fordított, tükörképi molekula lehet, hogy egyszerűen csak kiürül, de lehet, hogy valami egész mást csinál, ami lehet ártatlan dolog is, de lehet rossz is. Ezt minden egyes esetben alaposan meg kell vizsgálni.

A gyógyszerek esetében erre több jó példa is akad:

A két felső anyag közül a levorphanol erős, a morfinhoz hasonló fájdalomcsillapító, míg a másik a dextrorphan köhögéscsillapító. A két izomert ezért elválasztva, mint két külön gyógyszert kell kezelni. Bizonyára egyeseknek ismerős a propranolol nevű anyag (esetleg más gyógyszer­néven), ez a béta-blokkolók körébe tartozik és magas vérnyomás, bizonyos szívritmuszavarok ellen használják. A gyógyszer a (-)-forma, a (+)-vegyületnek nincs ilyen hatása, viszont gyenge helyi érzéstelenítő hatással rendelkezik. Ez különösebb gondot nem okoz, ezért nem választják szét a két anyagot (ez eléggé meglökné az árát). A dobozra rá van írva, hogy egészben, szétrágás nélkül kell lenyelni a tablettát vagy kapszulát. Ha valaki mégis elrágná és egy kis ideig a nyelvén tartja, zsibbadni kezd a nyelve hegye, mintha fogorvosnál járt volna...

A gyógyszereknél ezért régebben, ha a "rossz" izomer nem csinált gondot, a keveréket alkal­mazták, mert a szétválasztás jócskán meg­drágította volna a gyógyszert. Manapság az új anyagokat általában már tisztán, a másik izomertől mentesen forgalmazzák.

Ha valaki eddig elolvasta és még bírja, hozzátenném, hogy az optikai izomeria igazából még komplikáltabb: ha egy vegyületben nem egy, hanem két aszimmetrikus atom van, akkor négy izomer létezik, általánosan N ilyen atom esetén 2^N darab, ez 2^N/2 tükörképi párt alkot. Ha egy fehérjében 100 aminosav van, az anyagnak elvileg 2¹⁰⁰ izomerje lehet, amiből csak egyetlen egy az igazi. Jó szórakozást, ha valaki az összeset ki akarná modellként rakni…