Száz évvel ezelőtt, 1874-ben a holland Jacobus Henricus van’t Hoff és a francia Joseph Achille Le Bel egymástól függetlenül és csaknem egy időben új elmélettel magyarázta meg bizonyos szerves vegyületeknek a fénnyel szemben tanúsított „furcsa” viselkedését. Feltételezték, hogy a szerves molekulákat felépítő atomok nem síkban helyezkednek el – mint addig hitték –, hanem háromdimenziós geometriai alakzatok. Ez a forradalmi jelentőségű elmélet lehetővé tette a „molekulák geometriájának” kidolgozását A kémiában új korszak kezdődött: a sztereokémia korszaka.
A FELFEDEZÉS ELŐZMÉNYEI: IZOMÉRIA, «IKERPARADOXON»
A múlt század első felében kialakult az atomok vegyértékének fogalma. Sok egyszerű összetételű anyagban meghatározták az alkotóelemek súlyarányát. A számadatok összehasonlításával megállapították a minden atomra jellemző vegyértéket, vagyis azt, hogy az illető atom hány más atommal kapcsolódik molekulává. (A vízmolekulában egy oxigén két hidrogénatommal társul, a metánban a szénatom négy hidrogént köt meg – ebből következik, hogy a szén-dioxidban a szén két oxigénatomot tud megkötni. Hasonló összehasonlítások alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a hidrogén- egy, az oxigén- kettő, a nitrogén- három, a szénatom pedig négy vegyértékű.) Ennek alapján sok egyszerű vegyület molekulájáról már azt is el lehetett dönteni, hogy benne az egyes atomok milyen más atomokkal kapcsolódhatnak közvetlenül, ezzel tehát nemcsak a molekulát felépítő atomok számát, hanem az atomok kapcsolódási sorrendjét – a molekula konstitúcióját – is megismerték.
Sok olyan anyagot ismerünk, amelynek azonos a kémiai összetétele, sajátságai azonban eltérőek – ezeket izomér vegyületeknek nevezzük. Ilyenek például a jól ismert etilalkohol és a robbanékony gáz, a dimetiléter; mindkettő két szén-, hat hidrogén- és egy oxigénatomból épül fel. A két vegyület a molekulák konstitúciójában különbözik egymástól Ez nagyon jól észrevehető képleteik összehasonlításával: CH3–CH2–OH (etilalkohol) és CH3–O–CH3 (dimetiléter).
A konstitúciót leíró képlet azonban csak rejtjeles szimbólum, nem mond semmit a molekulák térbeli szerkezetéről.
Bár Wollaston már 1808-ban arról írt, hogy az atomokból felépülő molekulák térbeli képződmények, s hogy kölcsönhatásaik megértéséhez háromdimenziós térbeli geometriájukat is ismernünk kellene, a molekulák térbeli szerkezete a kor legtöbb vegyésze szemében a kémia talán legnagyobb és talán soha meg nem oldható rejtélye maradt.
A rejtély megoldása szorosan kapcsolódik az optikai aktivitás tanulmányozásához. Már régebben megfigyelték, hogy bizonyos átlátszó kristályok a polarizált fény rezgési síkját jobbra vagy balra elforgatják – ez a jelenség az optikai aktivitás. A jobbra, illetőleg balra forgató kristályformák úgy viszonyulnak egymáshoz, mint tárgy a tükörképéhez: a jobb és bal kezünkhöz hasonlóan nem hozhatók fedésbe egymással. (Ilyen tulajdonságú a kristályos bórkősav: az egyik kristályforma jobbra, a másik balra forgatja el a polarizált fény síkját, bár kémiai tulajdonságaikban nem különböznek egymástól.)
Azt is megfigyelték, hogy a kristály megolvasztásával optikai aktivitása is megszűnik. Ebből következik, hogy az optikai aktivitás és a kristály térbeli rendezett szerkezete között szoros összefüggés áll fenn. Igen ám, de 1815-ben J. B. Biot francia fizikus különféle szerves vegyületekkel kísérletezve azt tapasztalta, hogy azok oldatban is optikai aktivitást nyilvánítanak. (Ilyen a terpentin, kámfor, citromolaj alkoholos oldata.) Ebben az esetben a forgatóképesség nem lehet a kristályszerkezet következménye.
A PLATÓNI SZABÁLYOS TEST ÉS A SZTEREOKÉMIA
Az optikai izoméria értelmezhetővé válik, ha feltételezzük, hogy az izomér molekulában, a szénatom négy vegyértéke egy olyan képzeletbeli tetraéder négy csúcsa felé mutat, amelynek középpontjában a szénatom foglal helyet.
A tetraéder az egyik legrégebben ismert geometriai test, A ókor nagy filozófusa, Platón szerint, az anyag végső építőkövei szabályos testek, poliéderek. Öt ilyen szabályos testet sorol fel: tetraéder, oktaéder, ikozaéder, hexaéder, duodekaéder. Felfogásában az oktaéder a levegőnek, az ikozaéder a víznek, a kocka (hexaéder) a földnek felel meg. Platón egyes modern értelmezői szerint a poliéderek nála voltaképpen az anyag halmazállapotai. Csoportelméleti rotációjuk vizsgálata révén a szabályos testek a kvantumkémiában is jelentős helyet foglalnak el. A sztereokémiában az üres forma mozgó anyaggal telik meg, s újólag igazolódik a tér–idő–mozgóanyag szoros kapcsolata.
A tetraéder nagyfokú szimmetriája azzal a következménnyel jár, hogy mindaddig, amíg legalább két csúcsára azonos atom vagy atomcsoport kerül, akárhogy is változtassuk a helyzetét, mindig csak egyféle térszerkezetet kapunk, ha viszont mind a négy csúcsára más-más atom vagy csoport kerül, kétféle elrendeződésre van lehetőség. Ezek tükörképei egymásnak, mégsem azonosak. A molekulafajták nem szimmetrikusak, a molekulán nem halad át olyan szimmetriasík, mely a molekulát két tükörképi félre osztaná. Az ilyen térbeli szerkezeteket „királis”-nak nevezzük. A kifejezés a kéz görög nevéből (kheir) származtatható. Az ilyen molekulafajtákat, amelyek a polarizált fény síkját jobbra, illetve balra forgatják el, nevezzük optikai izomereknek.
A fény – elektromágneses rezgés. A rezgések általában a tér minden irányában történnek, a síkban polarizált fény esetében azonban egyetlen síkban mennek végbe. Az így polarizált fénynek két komponense van, ezek egymással olyan viszonyban állnak, mint a jobbmenetű csavar a balmenetűvel. A csavarvonal királis alakzat: a jobb csavar a balnak tükörképe. Kézenfekvő, hogy a királis molekula két optikai izomérje a királis fénysugár két komponensével különböző kölcsönhatásba lép.
Egy szabályos téglalap alakú dobozban egyformán elfér egy jobbkezes meg egy balkezes kesztyű, de próbálja meg valaki fordítva felhúzni kesztyűit a kezére. A kéz különbséget tesz a királis kesztyűk között, az akirális (szimmetrikus) doboz nem.
A KONZERVATÍV PROFESSZOR BÍRÁLATA ÉS EGY CSATTANÓS CÁFOLAT
A szokatlan elgondolásnak heves ellenzői is akadtak. Az érdekesség kedvéért idézzünk Hermann-Kolbe, a lipcsei egyetem – különben számos érdemet szerzett, nagy tekintélyű, de elméleti téren igen konzervatív – professzorának egy cikkéből:
„A kémiai kutatás legújabban tapasztalható visszafejlődésének okaként a minap azt jelöltem meg, hogy nincsenek általános alapos képzettségű vegyészeink. Ennek eredménye, hogy elönt minket a bölcsnek és szellemesnek tűnő, de valójában szemtelen természettudományos filozófia gizgaza, amelyet ötven évvel ezelőtt az egzakt kutatás módszerei már kiseprűztek, s amelyeket most ál-természetbúvárok a lomtárból előszednek, és akár egy ringyót, modernül felöltöztetve és újrafestve, a jó társaságba kívánnak becsempészni. Ha valaki ezt a véleményemet túlzásnak tartaná, olvassa el egy bizonyos van’t Hoff úrnak fantáziadús cikkét az atomok térbeli elhelyezkedéséről. Nem is ejtenék róla szót, ha nem lennének neves kémikusok, akik védelmükbe veszik ezt a maszlagot.
Ez a bizonyos Dr. J. H. van’t Hoff, aki az utrechti állatorvosi iskolán működik, úgy látszik, nem híve az egzakt kutatásnak. Kényelmesebbnek találta, hogy felüljön egy, nyilván az állatorvosi iskolától kölcsönkért pegazusra és művében meghirdesse, hogy a kémiai Parnasszusra való repültében hogyan látszódtak neki az atomok a világűrben elhelyezkedni… Ezt a munkát bírálni azért sem lehetséges, mert a benne eregetett fantázia játékok minden reális alapot nélkülöznek és komoly kutató számára érthetetlenek.”
Az elmélet azonban minden elvakult bírálat ellenére igaznak bizonyult. A századunk első felében megindult röntgendiffrakciós vizsgálatok kísérletileg igazolták, a modern kvantumkémiai számítások eredményei pedig alátámasztják az egyszerű tetraéder-elv fundamentális jellegét.
A molekulák felépítésében résztvevő atomokat a térben összetartó erők: vegyértékek irányítják. A vegyértékek elektronpárok, ezeknek grafikai képe egy olyan térrész, amelyben az elektronok tartózkodási valószínűsége a legnagyobb. A térrész burkolófelülete az úgynevezett orbitál.
A közismert metán molekula esetében a központi szénatomot és a négy hidrogénatomot összekapcsoló négy orbitál egy tetraéder négy csúcsa felé irányul, amelynek középpontjában a szénatom, csúcsaiban pedig a hidrogénatomok helyezkednek el. Ez a kép vizuálisan is nyomon követhető.
Az amerikai Michigan egyetem kutatói olyan új mikroszkópos eljárást dolgoztak ki, amellyel 0,1 angström feloldóképességet lehet elérni. Ilyen feloldóképesség mellett már láthatók az atommagok és a kötést létesítő elektronpárok orbitáljai is.
A kétlépéses eljárásban először elektronsugarak segítségével előállítják a megvizsgált molekula hologramját, majd lézersugarak segítségével elkészítik a hologram nagyított képét. A képen láthatóvá válnak a molekulán belüli atomok magjai és a kötő elektronpárok „felhőszerű“ eloszlása, tehát az úgynevezett molekulaorbitálok.
A nyert kép alapján közvetlenül ellenőrizhetők a bonyolult módon kiszámított elektroneloszlások.
Az életfolyamatok molekuláris alapjait kutató molekuláris biológiát Kendrew és Perutz, Watson, Crick és Wilkins alapjában véve sztereokémiái vizsgálatai alapozták meg, a fehérjék és nukleinsavak térszerkezetének feltárásával. Az enzimek működése térszerkezetük ismerete alapján vált érthetővé. Az enzimek ugyanolyan molekulák, mint a legegyszerűbb szerves vegyületek, csakhogy bennük sok ezer atom együttes kölcsönhatása összegeződik a magasabb rendű és specifikusabb funkciók ellátására is alkalmas, bonyolultan szervezett térszerkezet kialakításában.
Az élő rendszerekre a struktúra es a funkció tökéletes egybehangolódása jellemző. Az összehangolt működés – a folyamatok időbeli szervezettsége – bonyolult térbeli struktúrákhoz van kötve, melynek alapkövei a térben szervezett molekulák komplex rendszerei.
Megjelent A Hét VI. évfolyama 15. számában, 1975. április 11-én.
