A nyní i trochu (foto)chemie 1 V minulém kole jsme se 2 věnovali převážně tématu absorpce fotonu, která je nezbytnou podmínkou k tomu, aby mohlo dojít k fotochemické změně struktury molekuly. Ukázali jsme si, co je světlo a jak rychlé mohou být fotofyzikální děje. Rovněž jsme (jste) si sestavili jednoduché absorpční spektrum molekuly a pomocí modelu nekonečně hluboké potenciálové jámy dospěli ke kvantitativnímu závěru, že s rostoucím počtem konjungovaných dvojných vazeb v molekule se absorpční spektrum molekuly posouvá k delším vlnovým délkám. Nyní by to ale chtělo tyhle znalosti okořenit trochou skutečné chemie. Proto bude aktuální kolo zaměřeno na fotochemii dvojné vazby, která se hojně vyskytuje v přírodě 3. Od absorpce fotonu k chemii Po absorpci fotonu se elektronová struktura molekuly pozmění, protože jsme excitovali foton z jednoho orbitalu do orbitalu jiného. To má za následek, že se některé vazby v molekule prodlouží a zeslábnou a některé se naopak zkrátí a zesílí. Molekula postupně změní svou geometrii kvůli redistribuci energie, kterou přinesla absorpce fotonu. Vzpomeňte, že za absorpci je zodpovědná jenom část molekuly, které se říká chromofor. Energie je tudíž okamžitě po excitaci lokalizována jenom v části molekuly a začne postupně disipovat 4 po všech vazbách. To kromě změny geometrie navíc molekulu rozvibruje. Pak může dojít k chemické reakci nebo k celé řadě zajímavých fotofyzikálních procesů jako je fluorescence 5. Fototerapie V první části úlohy druhého kola si ukážeme fotochemickou izomeraci dvojné vazby, která našla uplatnění v medicíně. Fototerapie je vystavení pacienta světlu se specifickou vlnovou délkou k léčení zdravotních problémů, například akné. Fototerapie se ale běžně využívá v nemocnicích k léčení novorozenecké žloutenky (hyperbilirubinaemia) 6, která vzniká akumulací barviva bilirubinu (BR) v krvi novorozeňat. Bilirubin je rozpadovým produktem hemu 7, který je obsažen v hemoglobinu, krevním barvivu přenášejícím kyslík. Rozpadem hemu vzniká v krvi (Z,Z) bilirubin, který je však nerozpustný ve vodě a jeho přímá sekrece z těla je nemožná. V játrech se bilirubin váže s cukrem, kyselinou glukoronovou. Následný adukt (diglukoronát) je rozpustný ve vodě a vylučuje se žlučí. U zdravých lidí je rozpad hemu a vylučování BR diglukoronátu v rovnováze. Po narození však zvýšený rozpad červených krvinek není dostatečně kompenzován aktivitou jater, která je nízká. Tak se začne BR hromadit v krevním řečišti. Novorozenecká žloutenka je celkem běžná, ale musí se léčit, protože příliš vysoké koncentrace BR v krvi mohou způsobit permanentní poškození mozku nebo dokonce smrt. Spůsobů léčení existuje více, nejčastější metodou je dnes právě fototerapie používaná úspěšně více než 40 let. 1 Už bylo načase. 2 Snad jsem nebyl jediný. 3 Jak uvidíte, tak i v lidském oku. 4 Slovo disipace značí rozptýlení; nevratnou přeměnu např. části celkové energie v jiné druhy energie. 5 Fluorescence je příkladem luminiscence, tedy vyzáření světla excitovanou molekulou. Ta se vrátí do svého základního stavu. 6 McDonagh, A. F.; Palma, L. A.; Lightner, D. A. Science, 1980, 208, 145. 7 http://cs.wikipedia.org/wiki/hem
Jak to vidíme Dalším fascinujícím příkladem izomerace dvojné vazby je proces, ke kterému dochází na sítnici lidského oka 8. Jeho výsledkem je schopnost vidět překvapující věci kolem sebe 9. Na sítnici se nacházejí světlocitlivé buňky, přibližně 5 milionů tyčinek a 90 milionů čípků. V oku, které je přizpůsobené okolní tmě, jsou tyčinky schopny téměř každý zachycený foton přeměnit na nervový vzruch. Čípky, jejichž citlivost je typicky 10 100krát nižší, jsou využívané, když je světla dostatek. Rychlost jejich odezvy je rovněž vyšší než u tyčinek. Čípků jsou tři druhy a jejich zásluhou jsme schopni vnímat barvy. Každý druh však má trochu jinou citlivost k absorpci fotonu. Tyčinky obsahují pigment rhodopsin. Rhodopsin je transmembránový protein s prostetickou skupinou 10 11 cis retinal, která je výsledkem oxidace vitamínu A 11. Retinal je kovalentně vázán k bílkovině opsinu jako imíniová sůl. Absorpcí fotonu dochází k izomeraci jedné dvojné vazby v molekule retinalu a vzniká all trans forma, kde všechny dvojné vazby molekuly mají trans konfiguraci. Tím se změní tvar molekuly retinalu, která je uvězněna vevnitř opsinu. Tak dojde i ke změně konformace (tvaru) celé bílkoviny, což má za následek změnu klidového membránového potenciálu celé buňky. Výsledkem je elektrický signál, který se přenáší dál do mozku, kde je zpracován. Obdobně je to i s čípky, jejichž barviva se nazývají photopsiny. Regenerace světlocitlivé buňky zpět do původního stavu je zajištěna pomocí několika enzymů. Rhodopsin po izomeraci je hydrolyzován na opsin a all trans retinal. Ten je následně redukován na all trans retinol, biochemicky izomerován na 11 cis retinol, dále reoxidován a přenesen zpět k molekule opsinu, reakcí 12 s kterým vzniká pigment v původním stavu před absorpcí fotonu. A tak dál dokola. Lidské oko je však nástroj nedokonalý a dá se lehce ošálit. 13 Důvodem je přítomnost jenom tří druhů čípků, které mají absorpční maxima v modré, zelené a červené oblasti. Mícháním těchto barev o různých intenzitách jsme schopni vytvořit barvy jiné. Například smícháním červené a zelené barvy s intenzitami v poměru jedna k jedné dostaneme barvu žlutou. Již víte (první kolo semináře), že mnohým barvám odpovídá i monochromatické 14 světlo. Pro žlutou barvu je to světlo s vlnovou délkou 580 nm. Lidské oko je tedy schopno vidět dvě různé žluté barvy. Jedna je skutečná a druhá směsí jiných. Pokusem uspořádat všechny barvy do trojúhelníku s vrcholy primárních barev (červená, zelená a modrá) je obrázek 1 15. Křivka uvnitř trojúhelníku je výsekem části spektra elektromagnetického záření (Obrázek 1. v prvním kole semináře), kde každé vlnové délce odpovídá jedna barva (čistá spektrální barva). Přímka dolů spojující 380 a 700 nm reprezentuje nespektrální barvy 16, které jsou výsledkem míchaní fialového a červeného světla. 8 Nejen lidského. 9 Například sebe sama ráno v zrcadle. 10 Prostetická skupina je nízkomolekulová nebílkovinová složka vázána k enzymům kovalentní vazbou. 11 A proto je prospěšné jíst mrkev. 12 Retinal reaguje s NH 2 skupinou postranního řetězce lysinu v molekule opsinu. 13 Žlutá a žlutá barva nemusí být stejné. 14 Světlo s jednou konkrétní vlnovou délkou. 15 Barevnou verzi najdete pod názvem Barevny_trojuhelnik ve formátu png. 16 Tedy barvy, kterým nenáleží žádné monochromatické světlo.
Obrázek 1. Barevný trojúhelník 17 Každé barvě, kterou vidíme, když se díváme přímo do zdroje světla, náleží jeden bod plochy ohraničené naší křivkou a přímkou spojující konce křivky. Kdybychom kráčeli po čárkované čáře ze spektrální modré barvy (sytá modrá, 480 nm), přešli bychom nejdřív k bledě modré a bílé barvě, pak k bledě žluté až k syté žluté (580 nm). Pár barev, který je schopen navodit dojem bílé barvy, tedy může být spojen přímkou, která prochází přes bílý bod, se nazývá komplementární. Například oranžová barva (600 nm) a modro zelená (488 nm, v obrázku jako cyan). Rovněž směs všech tří primárních barev o stejné intenzitě vede k bílému světlu, což se využívá v osvětlení k navození dojmu přirozeného bílého světla 18 v domácnostech. Dominantní vlnovou délkou barevného světla (třeba bod X v Obrázku 1) získáme spojením příslušného bodu s bodem bílé barvy (480 nm pro bod X). Situace je jiná, pokud se díváme na světlo odražené od barevného povrchu, například nového trička v obchodě. Jestliže barvivo, kterým je tričko nabarveno, absorbuje modré světlo, barva, kterou má pro nás na bílém denním světle, je doplňkovou barvou (bílé světlo mínus modrá). Naše tričko se nám tedy jeví žluté. Jelikož neexistuje žádná spektrální barva pro purpurovou (nachovou), neexistuje v přírodě žádné barvivo, které absorbuje při jedné vlnové délce, a které se nám zároveň jeví jako zelené. Zelené barvy v přírodě tudíž existují díky barvivům, které mají alespoň dva absorpční pásy 19. Jak to vidí opice 20 Chlorofyl je barvivo, které se nachází téměř ve všech rostlinách a řasách a je naprosto nepostradatelnou molekulou při přeměně sluneční energie při fotosyntéze. Na podzim listy stromů ztrácí 17 Převzato z P.Klán, J. Wirz Photochemistry of organic compounds, 2009, Wiley 18 Přirozené bílé světlo je směsí všech spektrálních barev. 19 Vzpomeňte na chlorofyl v zelených rostlinách. 20 Aneb Andy Warhol`s banana (obal alba legendárních The Velvet Underground & Nico vpravo); díky, M.J., za nápad ;-)
svou typickou barvu. Příčinou těchto změn barvy je biochemická degradace chlorofylů 21 na bezbarvé produkty 22. Bylo zjištěno, že stejné bezbarvé finální produkty rozpadu chlorofylů se nachází i u zralých jablek nebo hrušek, co naznačuje, že katabolizmus 23 u stárnoucích listů a při zrání ovoce je velice podobný. Tenhle proces je možné sledovat i u banánů, kdy nezralé banány získávají svou typickou žlutou barvu. Překvapivě však byla u zralých banánů identifikována modrá fluorescence. Když se ve tmě posvítí na banány ultrafialovým světlem (366 nm, lidské oko nevidí), dochází k emisi fotonu excitovaným stavem molekuly, která je rozpadovým produktem chlorofylu (Obrázek 2), protože nezralé banány nesvítí. Rovněž přezrálé banány nevykazují žádnou fluorescenci. To naznačuje, že fluoreskující molekula je intermediátem při degradaci chlorofylu a nachází se v banánech několik dní. Mnoho savců vidí i světlo v UV oblasti. Mezi ně patří i opice. Vědci se domnívají, že modrá fluorescence u zralých banánů může pro takové živočichy sloužit jako optický zjasňovač. 24 Opice pak ví, kdy je banán krásně zralý a vhodný ke konzumaci 25. Vaším úkolem bude na základě hmotnostního spektra určit její možnou strukturu. Obrázek 2. Modrá fluorescence žlutých banánů pod UV světlem (366 nm) 26 21 Poznáme jak chlorofyl a, tak i chlorofyl b. 22 Barva listů je pak výsledkem přítomnosti jiných barviv. 23 Katabolizmus je metabolická fáze, kdy se zložité biomolekuly štěpí na molekuly jednodušší. 24 Moser S., Müller T., Ebert M O., Jockush S., Turro J.N., Kräutler B. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8954. 25 Lákal by vás modrý banán? 26 Převzato z článku v poznámce 23.
Kinetika prvního řádu Na závěr bych rád napsal krátce o kinetice prvního řádu, které, doufám, využijete při řešení některých úloh. Reakční rychlost je definována časovým úbytkem látkového množství některé z výchozích látek nebo přírůstkem látkového množství některého z produktů reakce vztaženým na stechiometrický faktor této látky. Pro obecnou reakci aa + bb cc + dd, kde malá písmena značí stechiometrické koeficienty, je reakční rychlost 1 dca 1dcb 1dcC 1 dcd v = = = =, a dt b dt c dt d dt kde d/dt značí derivaci podle času, co si můžete představit jako velice malou změnu koncentrace za krátký čas. Rychlost reakce je přímo úměrná součinu okamžitých koncentrací výchozích látek 27 : v= k c c, kde konstanta úměrnosti k se nazývá rychlostní konstanta a exponenty 28 udávají řád reakce vzhledem k jednotlivým reagentům. Jejich součet se pak nazývá celkový řád reakce. Řád reakce je formální veličina zjištěná experimentálním pozorováním kinetiky dané reakce a není možné z něj vyvozovat mechanizmus reakce. Když je celkový řád reakce rovný 1, mluvíme o kinetice prvního řádu. Jedná se o v přírodě nejhojněji se vyskytující kinetické chování. Integrací příslušné rovnice dostaneme matematickou funkci, která popisuje změnu koncentrace v čase a je následující: α A 0 β B ct () = c e kt, kde c(t) je koncentrace v čase t a c 0 je počáteční koncentrace. Tuto rovnici budete potřebovat při řešení některých bodů úlohy 5 a v dalších kolech semináře. Z uvedeného vzorce si lehce vypočítáte poločas reakce (t 1/2 ), tedy čas, ve kterém bude aktuální koncentrace rovna přesně polovině počáteční koncentrace (c = c 0 /2). Další užitečnou veličinou hojně používanou ve fotochemii je doba života (τ), která určuje čas, ve kterém aktuální koncentrace dosáhne hodnotu c = c 0 /e, kde e je Eulerovo číslo 29. Zkuste si ji sami vypočítat, jestli se dopracujete ke správnému výsledku 30. 27 Starý Guldberg Waageho zákon (1863) 28 Pamatujte, že exponenty nejsou shodné se stechiometrickými koeficienty reakce. 29 Nebo Napierova konstanta. 30 τ = 1/k