W niniejszym opisie powoływano się już na takie analogie, jak modele oscylatora hydraulicznego, elektrycznego i ekologicznego przy opisie reakcji oscylacyjnych lub do analogii działania suwaka zamka błyskawicznego z funkcjonowaniem enzymu. Proponowane niżej przykłady mogą razić swoją prostotą. Wynik niektórych z eksperymentów jest tak oczywisty, że ich wykonywanie można uznać za zbędne. Doświadczenia takie nazywane są niekiedy "eksperymentami myślowymi". Czasami jednak spotyka się opis zaskakująco skomplikowanego modelu, jak np. model komputera opartego na bistabilności chemicznej reakcji oscylacyjnej.

Śruby i nakrętki czyli stechiometria i pojęcie mola

    Początkującym chemikom sprawia trudność zrozumienie celowości posługiwania się jednostkami liczności materii - molami w miejsce klasycznych jednostek masy - gramów. Dla niezbyt zaawansowanego chemika pewną trudność może stanowić następujący problem. Do reakcji użyto 100 g CH₃COOH i 90 g NaOH. Której substancji użyto w nadmiarze (i czy w ogóle użyto nadmiaru)?
    Identyczne problemy ma każdy, kto w sklepie metalowym kupił 100 g dużych śrub i 90 g małych nakrętek i zastanawia się, czy są one w ilościach "do pary". Dlatego w sklepie metalowym (podobnie jak w chemii) operowanie jednostkami masy (gramy) jest niewygodne. Rozsądniejsze byłoby wyrażanie mas jednostkowych wszystkich wyrobów nie w gramach, ale w wielokrotnościach masy najmniejszego elementu w magazynie. Do celów praktycznych najwygodniejsze byłoby operowanie artykułami paczkowanymi np. po 12 sztuk (tuzin). ("Proszę o trzy paczki śrub i trzy paczki nakrętek!"). Dokładnie takie rozwiązanie przyjęto od dawna w chemii ! Jako jednostkę masy atomowej i cząsteczkowej przyjęto (pierwotnie) masę pojedynczego atomu najlżejszego pierwiastka - wodoru. Operowanie w chemii jednostkami liczności (mole) zamiast jednostkami masy (gramy) nie jest więc abstrakcyjnym dziwactwem, lecz podyktowane jest rzeczywistą wygodą.
    Trudno powstrzymać się od refleksji dotyczącej metod dydaktycznych większości nauczycieli chemii. Wprowadzenie do chemicznych jednostek liczności najczęściej odbywa się następująco: "Proszę zapisać w zeszycie definicję: mol jest to [---]. A na następnej lekcji zrobimy sprawdzian z nauczenia się tej definicji na pamięć!" Nauczyciele chemii w szkole powinni najpierw uzasadnić celowość operowania jednostkami liczności zarówno w chemii, jak i w życiu codziennym, a dopiero potem wymagać uczenia się na pamięć definicji mola! Inaczej trudno się dziwić, że tak wielu maturzystów nie tylko nie rozumie chemii, ale wręcz jest do końca życia do chemii uprzedzonych.
    Wracając do problemu stechiometrii, stosunek masy śrub do masy nakrętek powinien być taki, jak masa jednej śruby ma się do masy jednej nakrętki. Podobnie, masy CH₃COOH i NaOH powinny pozostawać w proporcji identycznej, jak stosunek ich mas cząsteczkowych, a więc 60 : 40 = 100 g CH₃COOH : 66,7 g NaOH. 90 g NaOH stanowi więc nadmiar (!) w stosunku do 100 g CH₃COOH (90 g NaOH zamiast teoretycznych 66,7 g NaOH). Nadmiar ten wynosi 90 : 66,7 = 1,35 raza, czyli 135%.
    O wiele prostsze jest stosowanie od razu chemicznych jednostek liczności. 100 g CH₃COOH = 100 g : 60 g/mol = 1,67 mola CH₃COOH, natomiast 90 g NaOH = 90 g : 40 g/mol = 2,25 mola NaOH. W nadmiarze jest oczywiście NaOH, a nadmiar ten wynosi 2,25 : 1,67 = 1,35 raza. Ilością stechiometryczną NaOH byłoby 1,67 mola czyli 1,67 mola 40 g/mol = 66,7 g NaOH.
    Czytelnik zapewne nie będzie miał kłopotu z udzieleniem odpowiedzi na identyczne pytanie, dotyczące jednak zmieszania 100 g CH₃COOH i 100 g NaOH.

Przyczyna aktywności optycznej

    Obrót płaszczyzny światła spolaryzowanego przechodzącego przez roztwór chiralnych cząsteczek następuje w wyniku oddziaływania światła z elementami budowy cząsteczki. Jeśli światło przechodząc wzdłuż takiej cząsteczki doznaje skręcenia płaszczyzny polaryzacji np. "w prawo" (poprawniej: w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara), to w przypadku przechodzenia wzdłuż takiej samej cząsteczki, odwróconej jednak o 180^o, powinno nastąpić takie samo skręcenie, ale "w lewo". I konsekwentnie: wiązka światła spolaryzowanego przechodząc przez roztwór będący zbiorowiskiem chiralnych cząsteczek ułożonych przecież w przypadkowy, chaotyczny sposób, powinna doznawać wypadkowego skręcenia równego zero. Takie są typowe nieporozumienia związane z przyczynami czynności optycznej. Należy pamiętać, że chiralne cząsteczki mają niezwykłą właściwość geometryczną, którą zachowują niezależnie od przypadkowego ułożenia w przestrzeni! Najprostsze jest odwołanie się do analogii z nieocenionymi śrubami i nakrętkami... Bardzo przydatne są duże plastikowe śruby, stanowiące element zestawu do zabawy dla dzieci.
    Nakrętka symbolizuje chiralną cząsteczkę, a śruba symbolizuje wiązkę światła spolaryzowanego. Eksperymentator usytuowany od lewej strony usiłuje przemieścic śrubę w stosunku do nieruchomej nakrętki, w kierunku wskazanym przez strzałkę. Dokonać tego można przez wkręcanie śruby zgodnie z kierunkiem obrotów wskazówek zegara. Odwrocenie modelu o 180^o (dolny rysunek) nie zmienia rezultatu doświadczenia, śrubę również i tym razem trzeba obracać "w prawo"! Wynik tego doświadczenia powinien być oczywisty, z reguły jednak jest zaskakujący dla słuchaczy.

Literatura:
1. J.Chem.Educ. 47, 659 (1970). [Model śruby i nakrętki jako polaryzatora światła]

Dlaczego tylko "L" aminokwasy ?

Prawie wszystkie (poza glicyną) aminokwasy mogą istnieć w postaci dwóch izomerów optycznych: "L" i "D". W typowych białkach i peptydach spotykanych w organizmach żywych występują jednak niemal wyłącznie aminokwasy szeregu "L". Nielicznymi wyjątkami są pewne peptydy pełniące tak specjalne funkcje, jak np. antybiotyki peptydowe. Na homochiralność aminokwasów (i cukrów) występujących w żywych organizmach zwrócił uwagę Ludwik Pasteur już w 1860 roku. Można więc postawić dwa pytania:

1. dlaczego natura wybrała tylko jedną z dwu możliwości struktury przestrzennej ?
2. dlaczego tą formą jest szereg izomerów właśnie "L" ?

* Wydaje się, że "prawoskrętność" wybrano przypadkowo. Niewielki wpływ na to mogła mieć praworęczność większości ludzi.

Fakt, że w naturze spotyka się niemal wyłącznie polipeptydy zbudowane z aminokwasów jednego tylko szeregu: "L", ogromnie zwiększa wydajność i szybkość procesów syntezy, gdyż odpada konieczność etapu rozpoznawania chiralności substratu - aminokwasu oraz odrzucania cząsteczek "nie pasujących". Jest to również oszczędność materiałowa. Prócz tego upraszcza się "oprzyrządowanie" biochemiczne w postaci wyposażenia organizmów w enzymy uczestniczące w przemianach takich diastereoizomerycznych substancji. Trzeba pamiętać, że przy 21 tzw. kodowanych aminokwasach, możliwość występowania większości z nich w dwóch formach przestrzennych powoduje astronomiczne wręcz zwiększenie liczby kombinacji budowy produktu - polipeptydu!
    "Prawidłowa" budowa przestrzenna ma znaczenie decydujące dla aktywności biologicznej biopolimerów. Wydaje się, że błędy podczas biosyntezy tych skomplikowanych struktur prowadzą do wyjątkowo niekorzystnych następstw biologicznych dla popełniających je organizmów. Ostatnio powstała teoria, że biocząsteczki o takiej omyłkowej strukturze są odpowiedzialne za wiele schorzeń, np. chorobę Kreutzfelda-Jacoba. Ograniczenie elementów budulcowych do elementów jednego tylko rodzaju ogromnie zmniejsza prawdopodobieństwo takich omyłek. Organizmy, które nie potrafiły w toku ewolucji przyjąć tego optymalnego rozwiązania, już dawno padły ofiarą niekorzystnych skutków. Obecnie uważa się, że homochiralność jest jedną z najbardziej charakterystycznych cech życia w tej formie, która nas otacza. Jak konsekwentnie i skutecznie zasada ta jest realizowana w przyrodzie, niech świadczy przykład z chemii cukrów, gdzie uprzywilejowane są izomery "D". Stosunek zawartości D-glukozy do L-glukozy w żywych organizmach wyraża się liczbą 1_000_000_000_000_000_:_1 ! Jest to tym bardziej zdumiewające, że zgodnie z termodynamiczną zasadą wzrostu entropii istnieje naturalna tendencja do ciągłej racemizacji enancjomerów. Do tego procesu Przyroda ma stosunek aktywny, polegający na ciągłej eliminacji powstającego samorzutnie niepożądanego enancjomeru. Jest to widocznie tak ważne dla zachowania sprawności funkcjonowania organizmu, że na taki proces przeznaczana jest pewna część energii życiowej.
    Poważnym problemem może być zastosowanie chiralnych leków. Jeśli są to substancje nienaturalne, syntetyczne, to stanowią one z reguły mieszaninę enancjomerów lub diastereoizomerów. Najczęściej właściwości terapeutyczne ma tylko jeden z izomerów. Właściwości drugiego izomeru, obecnego z reguły w mieszaninie, mogą być wręcz szkodliwe. Najbardziej dramatycznym przykładem są teratogenne właściwości Thalidomidu (Conterganu). Lek ten wprowadzony do obrotu w latach 60-tych, miał być nieszkodliwym środkiem uspokajającym dla kobiet w ciąży. W wyniku jego stosowania narodziło się kilka tysięcy dzieci z niedorozwojem kończyn. W obrocie znajdowała się racemiczna mieszanina obu enancjomerów. Jeden z enancjomerów miał działanie deformujące płód.

Literatura:
1. J.Chem.Educ. 63, 667 (1986). [Stereochemia i pochodzenie życia]
2. Chemia w Szkole. 1998 115. [Racemiczne leki]
3. A.Danysz, R.Gryglewski (red.), "Farmakologia", PZWL, Warszawa 1982, s.123. [Działanie leków na płód]
4. Kurier Chemiczny, 1996, Nr 1-3, s.4. [Wskaźnik chiralności]

Praca wpłynęła do Chemfana: 11-12-1998