Kiralite

Açılış sahnesi

Dördüncü haftanın salısı, uygulamanın ilk yarım saati. Isparta'daki fakültenin organik kimya laboratuvarında Mete sağ elinin nitril eldivenini acele edip sol eline geçirmeye çalışıyor; başparmak yuvası avucun yanlış tarafına düşüyor ve eldiven buruşuyor. Nilüfer Hanım gülümseyip tezgâha iki küçük kahverengi şişe bırakıyor. Etiketlerin üstü bantla kapatılmış, ikisinde de yalnız "C₁₀H₁₄O" yazıyor.

Mete ilk şişenin kapağını açınca naneli sakız kokusu yayılıyor; ikincisi ona annesinin köftesine kattığı kimyonu hatırlatıyor. Nilüfer Hanım tezgâhın ucundaki polarimetreyi, içinden sarı ışık geçen uzun bir tüpü ve dönen bir göz merceğini gösteriyor: "Formül aynı, bağlanma sırası da aynı. Burnun ikisini ayırdı. Bu cihaz da ayıracak; ama kaynama noktaları tıpatıp aynı olduğundan termometre ayıramıyor."

Bu derste ne olacak

Bir nesnenin ne zaman ayna görüntüsüyle çakışmadığını tanımlayacak, bu özelliği karbon atomunda arayacağız. Ayna görüntüsü olan ve olmayan stereoizomerleri iki ayrı ada ayıracak, bir moleküldeki kiral merkez sayısının kaç stereoizomere izin verdiğini hesaplayacağız. R/S adlandırmasını D/L etiketinden ayıracak, polarimetre okumasından hem saflığı hem derişimi çıkaracağız. Son olarak canlıların neden tek bir el kullandığına bakacağız.

Metin

Eldiven ve el

Sağ el ile sol el aynı parçalardan kurulur: beş parmak, aynı sırayla, aynı eklemlerle. Sağ eli aynaya tuttuğunuzda aynada sol el görünür, ama iki eli ne kadar çevirirseniz çevirin üst üste tam oturtamazsınız. Eldivenin sağı sola geçmez, çünkü eldiven de elin biçimini taşır. Bir kalem, bir fincan ya da bir top ise aynadaki görüntüsüyle birebir çakışır.

İzomerlik dersinde galaktozu glukozdan ayıran dördüncü karbonun dört farklı gruba bağlı olduğunu görmüştük. Kiraliteyi taşıyan yapı çoğu zaman tam olarak böyle bir karbondur. Dört bağı dörtyüzlünün köşelerine uzanan bir karbona dört farklı grup bağlandığında, grupların iki ayrı dizilişi vardır ve biri ötekinin aynadaki görüntüsüdür. İki gruptan biri bile tekrarlanırsa molekülü ikiye bölen bir simetri düzlemi ortaya çıkar ve iki diziliş tek bir diziliş olur.

Fonksiyonel Gruplar dersinde zwitteriyon adını glisin üzerinden koymuştuk. Glisinin ortadaki karbonu amino grubu, karboksil grubu ve iki hidrojen taşır. İki hidrojen aynı grup olduğu için glisin akiraldir ve proteinleri kuran amino asitler arasında aynadaki görüntüsüyle çakışan tek amino asittir. Hidrojenlerden birinin yerine metil konduğunda alanin elde edilir ve alaninin iki el biçimi vardır.

Ayna görüntüsü olan ve olmayan

Açık zincirli glukozda aldehitin bağlı olduğu birinci karbon ile uçtaki altıncı karbon dışında kalan ikinci, üçüncü, dördüncü ve beşinci karbonların her biri dört farklı gruba bağlıdır. Galaktoz bu dördünden yalnız birinde, dördüncü karbonda glukozdan ayrılır; öteki üçünde düzen aynıdır. Bu yüzden galaktoz glukozun ayna görüntüsü değil, diastereomeridir. Glukozun enantiyomeri, dört kiral merkezin dördünde de düzeni ters olan L-glukozdur. Yalnız tek bir merkezde ayrılan diastereomerlere epimer de denir.

Enantiyomerler akiral bir ortamda birebir aynı davranır: kaynama noktaları, çözünürlükleri, suyla ya da oksijenle tepkime hızları aynıdır. Polarite dersinde bir molekülün dipolünü bağların yönünden hesaplamıştık; ayna görüntüsünde bütün bağların uzunluğu ve açısı aynı kaldığından bu değerler de değişmez. Diastereomerlerde ise atomların birbirine uzaklığı değişir ve erime noktası, çözünürlük gibi özellikler ayrılır.

Kaç stereoizomer?

Her kiral merkez iki düzenden birini seçebildiğine göre, n kiral merkezli bir molekülün en fazla 2ⁿ stereoizomeri olabilir. Açık zincirli bir aldoheksozun dört kiral merkezi için bu sayı 2 × 2 × 2 × 2 = 16 eder. Wikipedia'nın heksoz maddesi de OpenStax'ın aldozların konfigürasyonuna ayrılmış bölümü de on altı aldoheksoz sayar. Bunlar sekiz enantiyomer çifti oluşturur: 16 ÷ 2 = 8 tanesi D, sekizi L serisindedir. D-glukoz, D-galaktoz ve D-mannoz bu sekiz D-şekerin üçüdür.

Sınır bir üst sınırdır. Şarap tortusunda bulunan tartarik asidin iki kiral merkezi vardır; kural dört stereoizomere izin verir, ama yalnız üç tane bulunur. İki merkezin taşıdığı gruplar aynı olduğundan, birinin sağ, ötekinin sol düzen taşıdığı biçim ortasından geçen bir simetri düzlemiyle ikiye bölünür ve ayna görüntüsü kendisidir.

Adı koymak: R ve S

Bir kiral merkezin hangi düzeni taşıdığını söylemek için Cahn, Ingold ve Prelog'un öncelik kuralları kullanılır. Merkeze bağlı dört atom atom numarasına göre sıralanır; büyük numara önce gelir. İki atom eşitse, onlara bağlı atomlara bakılır ve ilk farkın çıktığı yere kadar ilerlenir. Sonra en düşük öncelikli grup gözlemciden uzağa çevrilir. Kalan üç grubun birinciden üçüncüye çizdiği yol saat yönündeyse merkez R (Latince rectus, sağ), tersiyse S (sinister, sol) adını alır.

Laktik asitte kiral karbona hidroksil, karboksil, metil ve hidrojen bağlıdır. Oksijenin atom numarası sekiz olduğundan hidroksil birinci gelir. Karboksil ile metil karbonla bağlanır; eşitliği karbonların komşuları bozar: karboksil karbonu üç oksijen sayar, metil karbonu üç hidrojen. Sıra hidroksil, karboksil, metil, hidrojendir. pKa dersinde asitliğini hesapladığımız laktik asidin kaslarda üretilen biçimi L-laktik asittir; PubChem kaydındaki IUPAC adı (2S)-2-hidroksipropanoik asit, yani S'dir.

R/S ile D/L farklı sorulara cevap verir. D/L eski bir akrabalık etiketidir: şekerlerde karbonilden en uzak kiral merkezin düzeni gliseraldehitin iki biçiminden hangisine benziyorsa o harfi alır. R/S ise o merkezin çevresindeki atomların numarasından kurala göre hesaplanır. L-alanin S'dir; ama L-sistein R'dir. Sisteinde metil yerine CH₂SH grubu vardır ve kükürdün atom numarası on altı olduğu için bu grup karboksilin önüne geçer. Molekülün uzaydaki düzeni aynı ailedendir; değişen yalnız sıralama kuralının çıktısıdır.

Polarimetrenin söylediği

Enantiyomerleri ayıran fiziksel ölçüm, düzlem polarize ışığın titreşim düzlemini çevirmeleridir. Polarimetrede tek dalga boylu ışık bir süzgeçten geçerek tek düzlemde titreşir, örnek tüpünden geçerken bu düzlem döner ve göz merceğindeki ikinci süzgeç dönüş açısını okur. Sağa dönen madde (+), sola dönen (−) ile gösterilir.

Wikipedia'nın özgül çevirme maddesi sakarozun değerini +66,37 derece verir; aynı ansiklopedinin invert şeker maddesi +66,6 yazar. Bir desimetrelik tüpte +6,65 derece okunan bir sakaroz çözeltisinin derişimi 6,65 ÷ (66,5 × 1) = 0,100 çıkar; mililitrede onda bir gram. İki kaynağın değerleriyle sonuç 0,1002 ile 0,0998 arasında kalır ve fark üçüncü basamağa düşer. Aynı çözelti iki desimetrelik tüpte iki kat açı verir; açı yolu uzattıkça büyür, derişim ise değişmez.

Enzimlerin Katalitik Rolü dersinde (L02-P06-M05-D08) Michaelis ile Menten'in invertaz ölçümünü çözeltinin çevirme yönündeki değişimden yaptığını görmüştük. Sakaroz ayrışınca eşit kütlede glukoz ve fruktoz çıkar; ansiklopedi glukoza +52,7, fruktoza −92 değerini verir. Karışımın özgül çevirmesi (52,7 − 92) ÷ 2 ≈ −19,7 olur. Çevirme sağdan sola "tersine döndüğü" için bu karışıma invert şeker denir.

Rasemik karışım ve saflık

Louis Pasteur 1848'de, rasemik asit adıyla bilinen ve ışığı çevirmeyen tartarik asidin sodyum amonyum tuzunu kristallendirdi. Kristallerin yarısının yüzeyleri sağa, yarısınınki sola eğikti; büyüteç ve cımbızla iki yığına ayırdı. Her yığının çözeltisi ışığı ters yöne çevirdi, eşit miktarda karıştırılınca etkiler birbirini sıfırladı. Moleküldeki el ayrımı ilk kez böyle gösterilmiş oldu.

Wikipedia'nın karvon maddesi ve üreticinin kataloğu, nane kokulu (R)-karvonun özgül çevirmesini −61, kimyon kokulu (S)-karvonunkini +61 derece verir. Mete'nin birinci şişesinden ölçülen özgül çevirme −30,5 derece çıksaydı, ee = 30,5 ÷ 61 = 0,5 olurdu. Bu, karışımın yarısının saf R, öbür yarısının rasemik olduğu anlamına gelir; rasemik yarı da eşit bölünür ve bileşim yüzde yetmiş beş R, yüzde yirmi beş S olur. Hesap, karışımda ışığı çeviren başka bir maddenin bulunmadığını varsayar.

Kiral ortamda ayrılan kardeşler

Burun kiral bir ölçüm aletidir. Koku alıcıları L-amino asitlerden kurulu proteinlerdir; karvonun iki biçiminin iki ayrı koku vermesi, alıcıların da kiral olmasıyla tutarlıdır. Friedman ile Miller'in 1971'de Science'ta yayımlanan özetine göre (R)-(−)-karvon nane yağının, (S)-(+)-karvon kimyon yağının kokusunu veren bileşendir; ayrım, iki biçimin birbirine çevrilmesi, ayrı ayrı sentezlenmesi ve rasemik karışımdan ayrılmasıyla sınanmıştır. Aynı yıl Nature'da yayımlanan başka bir çalışma da iki kokunun farkını bildirdi.

Enzimler de aynı nedenle seçicidir. Enzim dersinde aktif bölgeyi birkaç amino asit yan zincirinin çevrelediği cep olarak tanımlamış, Fischer'in 1894'te enzimin yalnız belirli biçimdeki şekere etki ettiğini gösterdiğini görmüştük. Cep L-amino asitlerden yapıldığı için kiraldir; bir enantiyomeri üç noktadan kavrayan cep, ayna görüntüsünü aynı üç noktadan kavrayamaz. Sağ elin sağ eldivene girip sol eldivene girmemesi gibi.

Canlıların kimyası tek elini seçmiştir. Proteinleri kuran amino asitler L, metabolizmanın temel şekerleri D serisindedir; bu tek elliliğe homokiralite denir. İstisnalar vardır: bakterilerin hücre duvarında D-alanin bulunur. Ama bir hücrenin kendi proteinlerini kurduğu yol L-amino asitler üzerinden işler ve bu tercih, cepleri ve alıcıları kuran zincirin kendisine yazılıdır.

Tezgâhta iki şişe

Mete polarimetrenin tüpüne birinci şişeden seyreltilmiş bir çözelti doldurup merceği çeviriyor, ibre eksi tarafta duruyor. İkinci şişe artı tarafa düşüyor. Nilüfer Hanım iki çözeltiden eşit hacmi bir beherde karıştırıp tüpe koyuyor ve ibre sıfıra iniyor. Mete beheri koklayınca nanenin de kimyonun da orada olduğunu fark ediyor; ışık susmuş, burun susmamış.

Bant kalkıyor, etiketlerde (R) ve (S) harfleri beliriyor. Mete sol elindeki buruşuk eldiveni çıkarıp tezgâha koyuyor, yanına bir kâğıda laktik asidin dört grubunu öncelik sırasıyla yazıyor. En alta tek bir satır ekliyor: "Termometre ayırmadı, burun ayırdı, ışık ayırdı".

Kendini sına

1. 2-bütanolün kaç kiral merkezi vardır? 1-bütanol neden akiraldir? Grupları yazarak göster.
2. Glukoz ile mannoz yalnız ikinci karbonda ayrılır. Bu ikisi enantiyomer mi, diastereomer mi, epimer mi?
3. Bir desimetrelik tüpte −4,6 derece okunan fruktoz çözeltisinin mililitredeki gram cinsinden derişimini −92 değerini kullanarak hesapla.
4. Özgül çevirmesi +45,75 derece ölçülen bir karvon örneğinin ee değerini ve iki enantiyomerin yüzdesini bul.
5. Serinin kiral merkezine bağlı dört grubu öncelik sırasına diz; L-serinin R mi S mi olduğunu bir kaynakla karşılaştır.

Bir sonraki derse köprü

Karvonun altılı halkasında bir karbon–karbon çift bağı, yan zincirinde de bir tane daha vardı; çift bağın dönmezliğini İzomerlik dersinde görmüştük. Alkan, Alken ve Aromatikler dersi hidrokarbonları bu bağlara göre ayıracak: yalnız tekli bağ taşıyan doymuş bir alkan, çift bağ taşıyan doymamış bir alken ve benzendeki gibi aromatik bir halka nasıl birbirinden ayrılır, ve çift bağ taşıyan her altılı halka neden aromatik sayılmaz?