KJEMI nr. 5 - 2011

12 / 32

12 KJEMI 5 2011
Kathrin H. Hopmann og Kenneth Ruud, Senter for Teoretisk
og Beregningsbasert Kjemi (CTCC), Institutt for Kjemi,
Universitetet i Tromsø
De fleste molekyler i naturen er kirale, det vil si at de eksisterer
i to former som er hverandres speilbilder. Disse formene kalles
for enantiomerer og betegnes henholdsvis (R) og (S) avhengig
av konfigurasjonen av atomer og funksjonelle grupper rundt et
kiralt senter (se Figur 1A). Et annet eksempel på kirale struktu-
rer er for eksempel a-heliksen, som er en viktig sekundærstruk-
tur i biologiske makromolekyler (se Figur 1B).
Kirale molekyler er ofte sentrale i biologiske systemer, og
deres biologiske funksjon er avhengig av at de har rett abso-
lutt konfigurasjon. Biologiske organismer har utviklet en rekke
ulike måter for å syntetisere kun den ønskede enantiomer, mens
det er en stor utfordring å lage en stereoselektiv syntese i la-
boratoriet, da man i mange tilfeller vil ende opp med en blan-
ding av de to enantiomerene (enten en rasemisk blanding eller
en blanding hvor en av enantiomerene har en viss overvekt).
Mange legemidler selges som en blanding, selv om kun den
ene enantiomer har ønsket aktivitet, og den andre enantiomeren
enten ikke har noen effekt eller har en uønsket aktivitet. Dette
kan ha katastrofale følger: et kjent eksempel er legemiddelet
Thalidomid, som ble gitt til gravide kvinner på 60-tallet for
å behandle kvalme. Thalidomid ble solgt som en blanding av
begge enatiomerer, men mens (R)-formen motvirket kvalme, så
medførte (S)-formen misdannelser hos ufødte barn. En viktig
utfordring i kjemisk syntese er derfor å være i stand til å skille
enantiomerer fra hverandre [1]. Like viktig er det å kunne be-
stemme den absolutte konfigurasjonen på det molekyl man har
syntetisert eller isolert fra naturen. Men hvordan kan man vite
om det er (R) eller (S) formen man har?
Optisk aktivitet
Det er vanskelig å skille mellom to enantiomerer siden enantio-
merene har de samme kjemiske og fysiske egenskaper. Et ve-
sentlig unntak er deres vekselvirkning med sirkulært polarisert
lys: sender man planpolarisert lys mot to enantiomerer, så vil de
dreie lyset i hver sin retning. Dette betegnes som «optisk aktivi-
tet» (eller «optisk rotasjon», OR). Dreiningen måles typisk ved
598 nm (D-linje i spekteret til natriumatomet) og oppgis i gra-
der, [α]D°. Et molekyl vil benevnes med (+) eller (-), avhengig
av i hvilken retning lyset dreies. Å bestemme dreiningen er dog
ikke nok for å avgjøre hvilken konfigurasjon molekylet har: for
noen stoffer er det (R) som gir (+) signal, for andre er det ( S).
Det vil si at man på forhånd må vite om det er (+)-formen som
svarer til (R) eller (S ) for det stoff man ser på for å være i stand
til identifisere hvilken enantiomer man har. I mange tilfeller vil
et molekyl dessuten ha flere kirale sentre, hvilket medfører at
det ikke kun finnes 2 enantiomerer, men 2n mulige diastereo-
merer (n = antall kirale sentre). Dette gjør bestemmelsen av den
absolutt konfigurasjon enda vanskeligere.
Kiroptisk spektroskopi
En måte å bestemme et molekyls konfigurasjon på er å krystal-
lisere det og bruke røntgenkrystallografi for å bestemme mo-
lekylets struktur, og dermed også dets absolutte konfigurasjon.
Mange molekyler lar seg ikke krystallisere eller det er en van-
skelig prosess å lage gode krystaller, og det er derfor viktig å
finne metoder for å bestemme konfigurasjonen av molekyler i
løsning. En annen grunn til at det er viktig å kunne bestemme
struktur i løsning er at aktiviteten av biologiske molekyler ofte
er relatert til deres struktur i løsning, en struktur som kan være
forskjellig fra molekylets krystallstruktur, noe som for eksem-
pel kan være tilfelle for et makromolekyls sekundære eller ter-
tiære struktur.
Kiroptisk spektroskopi tar utgangspunkt i det faktum at
kirale molekyler viser optisk aktivitet. I vanlig spektroskopi (for
eksempel infrarød spektroskopi), anvender man lys som ikke er
polarisert – det vil si at det vekselvirker på samme måte med
begge enantiomerer og man vil ikke kunne se forskjell på spek-
trene for de to enantiomerene. Anvender man derimot sirkulær
polarisert lys, så vil de to enantiomere vekselvirke ulikt med
høyre og venstre polarisert lys (de har for eksempel ulik bryt-
ningsindeks for høyre- og venstredreiende lys), hvilke resulterer
i en liten forskjell i intensiteten av hver enkelt signal. Hvis in-
tensitetsforskjellen er positiv for den ene enantiomeren, så vil
den være negativ for den andre, og spektrene som man måler for
de to enantiomerene ut fra intensitetsforskjellene vil derfor være
hverandres speilbilder (Figur 2). Det er viktig å være oppmerk-
som på at man i kiroptisk spektroskopi ser på en intensitets­
forskjell som ofte vil være 1000 til 10000 ganger mindre enn
den totale intensiteten – dette er en følge av at intensitetsfor-
skjellen bestemmes av det induserte magnetiske dipolmoment,
som er rundt 1000 ganger mindre enn det induserte elektriske
dipolmoment. Dette gjør den eksperimentelle bestemmelsen av
kiroptiske spektra mer utfordrende enn vanlig spektroskopi.
Det finnes forskjellige former for kiroptisk spektroskopi
(Figur 3), avhengig av om man studerer elektroniske eller
Kiroptisk spektroskopi:
Hvor teori og eksperiment
utfyller hverandre
Å bestemme konfigurasjonen av kirale molekyler er en utfordring, fordi enantiomerne har de samme
kjemiske og fysiske egenskaper. Et unntak er vekselvirkningen med polarisert lys, som kan brukes
til å skille mellom to enantiomerer. Kiroptisk spektroskopi, spesielt i det vibrasjonelle området, i
kombinasjon med teoretiske beregninger, er en relativt ny og fremgangsrik måte for å bestemme den
absolutte konfigurasjonen av molekyler i løsning.