RECETOX, Masaryk University, Brno, CR
holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz
Ivan Holoubek
CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ III
Vybrané typy environmentálních polutantů
(04/06)
Persistentní organické polutanty (POPs)
Persistentní, bioakumulativní a toxické látky (PBTs)
Persistentní toxické látky PTS
Chirální environmentální polutanty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
2
Chiralita » důležitá oblast ve stereoizomerii
Stereoizomery » jsou sloučeniny složené ze stejných atomů,
vazeb, sekvencí vazeb, ale s různou prostorovou orientací,
která z nich dělá neztotožnitelné látky.
Identické sloučeniny s opačnou prostorovou orientací
(diastereomery + enantiomery)
Vícerozměrná struktura se nazývá konfigurace.
Enantiomery » stereoizomery, které si jsou zrcadlovým obrazem
Racemická směs » směs enantiomerů v poměru 1:1
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
3
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
4
Stereoizomerie
Izomerie je jev spočívající v existenci izomerů, tj. molekul ze
stejným sumárním vzorcem, ve kterých se atomy liší prostorovým
uspořádáním. Strom izomerie
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
5
Chirálni molekula má ve svém skeletu chirální (asymetrický)
uhlík
Chirální sloučenina nemá rovinu symetrie
Chiralita je schopnost látky stáčet rovinu polarizovaného světla
doprava nebo doleva.
Podle optické otáčivosti se látky označují velkými písmeny (D,
L) a znaménky (+, -).
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
6
Chirální molekula nemůže být
převrácena ve svůj zrcadlový obraz
Typy chirálních sloučenin:
1. Nejjednodušší chirální molekula má jeden asymetrický
tetrahedrální atom C (čtyři různé substituenty)
C C
Chiralita
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
7
Chirality (from the Greek word for “hand”) describes the
property of having a non-superimposable mirror image.
Chiralita
Každá molekula, která se nedá ztotožnit se svým zrcadlovým
obrazem, bude opticky aktivní.
Takovéto sloučeniny se označují jako chirální.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
8
Jean-Baptiste Biot (1774-1862)
 Objevil, že roztoky cukrů stáčí polarizované světlo
 Takové roztoky byly nazvány “opticky aktivní”
d nebo (+) stáčí rovinu doprava: d-amino kyseliny, dextroza
l nebo (−) stáčí rovinu doleva: l-amino kyseliny, levuloza
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
9
Louis Pasteur 1822-1895
 Separoval krystaly vinanu sodno amonného
na dvě skupiny – pinzetou !
 Jedna stáčela polarizované světlo (+)
a druhá (−)
 Jedna byla živinou pro mikroorganismy,
druhá ne
Lord Kelvin: poprvé použil pojem “chirální” v roce 1883
Racemický = stejné množství každého enantiomeru
(racemis = trs hroznů. Poprve bylo použito pro popis
racemické kyseliny vinné, vedlejší produkt přípravy vína)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
10
Asymetrické cyklické environmentální polutanty
 Někdy je obtížné s jistotou rozpoznat asymetrii cyklických
polutantů.
 Hlavní kritérium pro rozlišení je i zde existence (resp.
neexistence) roviny symetrie.
 U cyklických sloučenin nemusí být bod asymetrie přímo na
uhlíkatém atomu, ale může se jako pomyslný bod nacházet
uprostřed kruhu (např. kys. -truxillová, součást alkaloidu
kokainu).
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
11
Chirální environmentální polutanty
Princip chirality
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
12
Chirální environmentální polutanty se stereogenním centrem:
 Atom uhlíku, který má na sobě všemi čtyřmi vazbami
navázán jiný substituent, se nazývá asymetrické nebo
stereogenní centrum.
Řada environmentální polutantů má ve své struktuře více
asymetrických center.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
13
COOH
COOH
OH H
H OH
COOH
COOH
OH H
OHH
Chirální environmentální polutanty s dvěmi a více centry
symetrie:
Maximální počet existujících stereoizomerů molekuly je dán počtem
asymetrických center výrazem 2n, kde n vyjadřuje právě počet
asymetrických center.
Tzn. že u sloučeniny s dvěmi asymetrickými uhlíky existují čtyři stereoizomery.
Stereoizomery mohou představovat enantiomery, diastereomery, popř. meso-
formy.
Pro vyjádření otáčivosti se používá S, R nomenklatura.
Vše je názorně předvedeno na kyselině tartarové:
COOH
COOH
H OH
H OH
COOH
COOH
OH H
OH H
(2S,3R)-(-)-TK (2R,3R)-(+)-TK
meso-TK
Enantiomery
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
14
Vztahy mezi stereoizomery jsou vyjádřeny následovně:
Molekula s dvěmi stereogenními centry má čtyři enantiomery A,
B, C, D. Jelikož má molekula pouze jeden zrcadlový obraz ,
každý se čtyř izomerů může být pouze obrazem.
Na schématu je ukázáno, že molekuly A/D, A/C, B/C, B/D si
nemohou být navzájem zrcadlovým obrazem a jsou
označovány jako diastereomery.
Je nutné podotknout, že diastereomery mají odlišné fyzikální
vlastnosti.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
15
Oproti tomu enantiomery mají stejné chemické i fyzikální
vlastnosti, liší se pouze směrem rotace roviny polarizovaného
světla.
Izomer rotující rovinou polarizovaného světla doleva se nazývá
levo-izomer a značí se symbolem L nebo (-).
Izomer rotující rovinou polarizovaného světla doprava se nazývá
dextro-izomer a značí se symbolem D nebo (+).
Další vlastností enantiomerů je, jejich odlišná reakce (resp.
reakce v různém enantiomerním poměru) s jinými chirálními
sloučeninami.
To je také důvodem toho, proč jsou některé sloučeniny
biologicky aktivní a jejich enantiomery nikoli.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
16
Environmentální aplikace
1. Degradace
 Moderní chirální látky
 Organochlorové látky
2. Bioakumulace
 Ne-racemická residua v biotě
 Značkování bioakumulačních procesů
3. Chirálné složení “chutí a zápachů” látek
4. Výměnné procesy půda-vzduch a voda-vzduch
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
17
Chirální environmentální polutant » molekula s asymetrickými
centry, popř. molekula bez roviny symetrie; v prostředí se
chovají odlišně
OCP » z 550 chirálních pesticidů bylo
pouze 90 užito v enantioúčinné formě,
ostatní byly užívány jako racemická
směs:
α-HCH, HEPT, HEPX, o,p‟-DDT, o,p„DDD,
cis a trans-chlordan, oxychlordan,
toxafen, bromocyklen.
PCBs » 19 stabilních
atropoizomerů
ClCl
Cl
ClCl
Cl
PCB 136
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
18
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
19
Environmentální polutanty s axiální chiralitou:
Některé polutanty bez asymetrických center mohou být chirální
svojí strukturou např. PCBs a jejich metabolity.
Jedná se o tzv. chirální molekuly, molekuly bez roviny symetrie.
Chiralita se zde projevuje ve schopnosti rotace fenylových kruhů
kolem jednoduché vazby.
Jednotlivé roviny symetrie se mohou stáčet o úhel 0-90C.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
20
Typy chirálních molekul
3. axiální asymetrie (omezená rotace)
PCB-149: 2,2‟,3,4‟,5‟,6-hexachlorbifenyl
Chirální PCBs: 3 nebo 4 orto-substituované chlory,
Zabraňují rotaci obou kruhů
Atropisomery
místo enantiomerů
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
23
6 2‟
4‟
5‟
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
23
6 2‟
4‟
5‟
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
21
43 2,2',3,6 144 2,2',3,4,5'6
84 2,2',3,3',6 149 2,2',3,4',5'6
88 2,2',3,4,6 171 2,2',3,3',4,4',6
91 2,2',3,4',6 174 2,2',3,3',4,5,6'
95 2,2',3'5',6 175 2,2',3,3',4,5,6
131 2'2',3'3',4'6 176 2,2',3,3',4,6,6
132 2,2',3,3',4,6' 183 2,2',3,4,4',5',6
135 2,2',3,3',5,6' 196 2,2',3,3',4,4',5,6
136 2,2',3,3',6,6' 197 2,2',3,3',4,4',6,6'
139 2,2',3,4,4'6
Chirální PCBs
19 má dostatečnou energetické bariery tak vysoké, že zabraňují
rotaci
Predicted by Klaus Kaiser (Canada Centre for Inland Waters), 1974!
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
22
Otáčivost kruhů může být blokována jednak objemnými substituenty
v poloze ortho dále pak větším počtem objemných substituentů
v ostatních polohách.
78 polychlorovaných bifenylů z celkového počtu 209 je chirálních, ale pouze
19 je jich odolných proti racemizaci při pokojové teplotě.
Energetická bariéra rotace PCBs dosahuje hodnot od 105 do 250 kJ/mol.
Stereoizomery PCBs, které mohou být odděleny vzhledem k možné rotaci
fenylových kruhů se nazývají atropoizomery.
ClCl
Cl
ClCl
Cl
Znázornění rotace fenylových kruhů chirální PCB
136 bez roviny symetrie
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
23
Obecně mají enantiomery stejné vlastnosti v symetrických
podmínkách, které se mohou lišit v případě nesymetrického
okolí.
Na jejich rozlišení se používá jako nesymetrické prostředí chirální
stacionární fáze v analytické separační koloně.
Diastereomerní komplex vzniklý mezi enantiomery a chirální
stacionární fází je příčinou různých retenčních časů a
základem enantiselektivní separace.
Oproti tomu, diastereomery lišící se fyzikálními vlastnostmi
mohou být separovány na achirální stacionární fázi.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
24
Směs chirálních látek v poměru 1: 1 tvoří opticky neaktivní směs
tzv. racemát.
Pár látky (+) či (-) se nazývá enantiomerní pár.
Enantiomery jsou látky, které mají stejné fyzikální a chemické
vlastnosti.
To se projevuje např. v transportních procesech ( při těkání,
vyluhování, atmosferické depozici), při abiotických reakcích
(hydrolýza, fotolýza).
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
25
V prostředí se však můžou chovat odlišně.
Ve vodě, půdě a organismech probíhají enantioselektivní
transformace díky přítomným mikroorganismům nebo
specifickým enzymům.
Po metabolismu nebo selektivní degradaci se v prostředí
vyskytují neracemická rezidua pesticidů.
Zastoupení (+) a (-) enantiomeru je vyjádřeno enatiomerním
poměrem ER.
ER = (+) / (-)
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
26
Jedná se o poměr koncentrace (+) enatiomeru k (-).
Případně při analytické separaci vyjadřuje poměr první eluovaný
pík enantiomerního páru ke druhému.
Při fyzikálních a chemických reakcích zůstává ER stejný, zatímco
u metabolismu či biologické degradaci se mění:
ER větší než 1 znamená přednostní degradaci (-) enantiomeru a
obohaceni systému o (+) enantiomer a naopak.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
27
Přehled chirálních pesticidů:
 (+)/(-) bromocyklen
 (+)/(-) cis-chlordan
 (+)/(-) trans- chlordan
 (+)/(-) oxychlordan
 (+)/(-) -HCH
 (+)/(-) heptachlor
 (+)/(-) cis-heptachlorepoxid
 (+)/(-) trans- heptachlorepoxid
 (+)/(-) o,p- DDT
 (+)/(-) toxafen
 (+)/(-) atropizomery PCB
 některé metabolity výše uvedených sloučenin
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
28
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
29
Zdroje chirálních pesticidů:
Enantiomerní pesticidy poskytují informace o starých i nových
zdrojích a transportu těchto látek, o jejich pohybu přes fázová
rozhraní půda-vzduch, voda- vzduch.
Přestože je používání pesticidů již značně omezeno, dodnes jsou
některé technické směsi užívány.
V rozvojových zemích jako např. v Africe či jihovýchodní Asii
jsou tyto látky užívány s původním záměrem chránit zdraví
člověka a jeho úrodu.
Ve vyspělých zemích jakými je USA , slouží některé směsi pro
termicidní kontrolu, ochranu dřeva atd.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
30
Staré zdroje chirálních pesticidů se liší od nových enantiomerním
složením.
Při použití technické směsi je poměr enantiomerů racemický.
Při pozorování starých zdrojů zjistíme, že v půdě i vodě došlo
k enantioselektivní degradaci.
Po vytěkání látky z takového zdroje je okolní atmosféra
obohacena o enantiomer, který se ve větším množství
vyskytuje také ve vodě či půdě (proudění vzduchu je
zanedbatelné).
ER v atmosféře je tak shodné s ER půdy.
Převažuje-li proudění atmosféry nad těkáním, ER půdy je
zanedbatelné, ER atmosféry je blízké 1 tzn. téměř racemické
složení.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
31
Vytěkání z půdy je dáno:
 Vlastnostmi půdy(pH, množství organického uhlíku a živin)
 Fyzikálně-chemickými vlastnostmi pesticidu (Henryho
konstanta, rozdělovací koeficient oktanol-voda Kow)
 Meteorologickými podmínkami (sezónních teplotách,
vzdušné vlhkosti, tlaku vzduchu aj.)
 Koncentracemi reziduí
U těkání z vody navíc:
 Zvrstvením vodního sloupce
 Mikrobiálním složením
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
32
Do atmosféry můžou těkat i metabolity látek přeměněné v půdě
či vodě.
Při transportu atmosférou podléhají pesticidy
neenantioselektivním reakcím (fotolýze, reakce
s hydroxylovým radikálem).
K největšímu vytěkání dochází v tropických a subtropických
oblastech po transportu atmosférou dochází ke kondenzaci
v arktické oblasti, která je proto největší zásobárnou
těkavých polutantů včetně pesticidů.
Proces GLOBÁLNÍ DESTILACE
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
33
ER chirálních sloučenin ze dvou zdrojů:
Pro odhad příspěvků pesticidů s různým enantiomerním
složením ze dvou zdrojů slouží vztah:
Fa = (ERm - ERb) / (ERa - ERb)
Kde:
Fa - celkové množství uvolněného pesticidu ze zdroje
ERm – enantiomerní poměr směsi a, b
Fb = (1 - Fa)
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
34
Pokud Nt vyjadřuje celkové látkové množství chirálního
pesticidu složeného z látkového množství pesticidu ze
zdroje a, b (Nta, Ntb) a Nta je sumou (+) a (-), pak platí:
Nt = Nta + Ntb
Nta = N(+)a + N(-)a Ntb = N(+)b + N(-)b
ERa = N(+)a / N(-)a ERb = N(+)b / N(-)b
Nta= Fa * Nt Ntb = Fb * Nt = (1- Fa) * Nt
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
35
Kombinací těchto vztahů dostáváme:
N(+)a = Nta * ERa / (ERa + 1) N(+)b = Ntb * ERb / (ERb + 1)
N(-)a = Nta / (ERa + 1) N(-)b = Ntb¨/ (ERb + 1)
Enantiomerní složení směsi je pak dáno:
ERm = (N(+)a + N(+)b) / (N(-)a + N(-)b)
Tyto rovnice vyplynuly z výsledků analytických stanovení
heptachlorepoxidu (HEPX) ze dvou zdrojů, na chirální
koloně.
Chiralita látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
36
C
H
CCl3
Cl
Cl
C
H
CCl3
Cl
Cl
o,p‟-DDT – assign R and S
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
37
S-o,p'-DDT
R-o,p'-DDT
There is no relationship between R & S, and optical sign!
Sometimes R is (+), sometimes (−)
Sometimes S is (+), sometimes (−)
C
H
CCl3
Cl
Cl
(1)
(2)
C
H
CCl3
Cl
Cl
CCW
CW
(1)
(2)
(–)
(+)
(ortho-Cl is closer)
o,p‟-DDT – assign R and S
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
38
alpha-HCH chiral
Cl
Cl
ClCl
ClCl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl Cl
Types of chiral molecules
2. ring structures with no symmetry plane
Cl
Cl
ClCl
Cl
Cl
gamma-HCH (lindane) achiral
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
39
Types of chiral molecules
2. ring structures with no symmetry plane
trans-chlordane
(chiral)
nonachlor III
(MC6) chiral
trans-nonachlor
(achiral)
Cl
Cl
Cl
ClCl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
ClCl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
ClCl
Cl
Cl
Cl
Cl
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
40
*asymmetric
carbon (C*)
*hindered
axial rotation (a)
Types of chiral compounds
4. multiple chiral elements: metolachlor
*** * *
* * * *
C*S,aRC*S,aS
C*R,aR C*R,aS
Buser et al., ES&T 2000
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
41
-HCH: differences among organisms, tissues
water
blue
mussel
common eider
duck (liver)
(+)
30 40 50 30 40 50
(−) (+)
(−
)
(+)
(−)
30 40 50
Kallenborn & Hühnerfuss, 2001
Harbour seal
blubber
Brain:
transport
of (+)
across the
blood-brain
barrier
(−)
(−)
Möller et al., Angew. Chem. Int. Eng. Ed., 1994;
Kallenborn & Hühnerfuss, 2001
(+)
(+)