В химии молекула или ион называются хиральными ( / ˈ k aɪ r əl / ), если они не могут быть совмещены со своим зеркальным изображением посредством любой комбинации вращений , трансляций и некоторых конформационных изменений. Это геометрическое свойство называется хиральностью ( / k aɪ ˈ r æ l ɪ t i / ). [1] [2] [3] [4] Термины происходят от древнегреческого χείρ ( cheir ) «рука»; что является каноническим примером объекта с этим свойством.
Хиральная молекула или ион существует в двух стереоизомерах , которые являются зеркальными отображениями друг друга, [5] называемых энантиомерами ; их часто различают как «правые» или «левые» по их абсолютной конфигурации или по какому-либо другому критерию. Два энантиомера имеют одинаковые химические свойства, за исключением случаев, когда они реагируют с другими хиральными соединениями. Они также имеют одинаковые физические свойства, за исключением того, что они часто имеют противоположные оптические активности . Гомогенная смесь двух энантиомеров в равных частях называется рацемической , и она обычно отличается химически и физически от чистых энантиомеров.
Хиральные молекулы обычно имеют стереогенный элемент, из которого возникает хиральность. Наиболее распространенным типом стереогенного элемента является стереогенный центр или стереоцентр. В случае органических соединений стереоцентры чаще всего принимают форму атома углерода с четырьмя отдельными (разными) группами, присоединенными к нему в тетраэдрической геометрии. Реже другие атомы, такие как N, P, S и Si, также могут служить стереоцентрами, при условии, что к ним присоединены четыре отдельных заместителя (включая неподеленную пару электронов).
Данный стереоцентр имеет две возможные конфигурации (R и S), которые приводят к стереоизомерам ( диастереомерам и энантиомерам ) в молекулах с одним или несколькими стереоцентрами. Для хиральной молекулы с одним или несколькими стереоцентрами энантиомер соответствует стереоизомеру, в котором каждый стереоцентр имеет противоположную конфигурацию. Органическое соединение только с одним стереогенным углеродом всегда хирально. С другой стороны, органическое соединение с несколькими стереогенными углеродами обычно, но не всегда, хирально. В частности, если стереоцентры сконфигурированы таким образом, что молекула может принимать конформацию, имеющую плоскость симметрии или точку инверсии, то молекула является ахиральной и известна как мезосоединение .
Молекулы с хиральностью, возникающей из одного или нескольких стереоцентров, классифицируются как обладающие центральной хиральностью. Существует два других типа стереогенных элементов, которые могут вызывать хиральность: стереогенная ось ( аксиальная хиральность ) и стереогенная плоскость ( плоская хиральность ). Наконец, собственная кривизна молекулы также может вызывать хиральность ( собственная хиральность ). Эти типы хиральности встречаются гораздо реже, чем центральная хиральность. БИНОЛ является типичным примером аксиально хиральной молекулы, в то время как транс -циклооктен является часто цитируемым примером плоской хиральной молекулы. Наконец, гелицен обладает спиральной хиральностью, которая является одним из типов собственной хиральности.
Хиральность является важной концепцией для стереохимии и биохимии . Большинство веществ, имеющих отношение к биологии, являются хиральными, например, углеводы ( сахара , крахмал и целлюлоза ), все, кроме одной, аминокислоты , которые являются строительными блоками белков , и нуклеиновые кислоты . Природные триглицериды часто являются хиральными, но не всегда. В живых организмах обычно обнаруживается только один из двух энантиомеров хирального соединения. По этой причине организмы, потребляющие хиральное соединение, обычно могут метаболизировать только один из его энантиомеров. По той же причине два энантиомера хирального фармацевтического препарата обычно имеют совершенно разные силы или эффекты.
Хиральность молекулы основана на молекулярной симметрии ее конформаций. Конформация молекулы является хиральной тогда и только тогда, когда она принадлежит к точечным группам C n , D n , T , O , I (хиральным точечным группам). Однако то, считается ли сама молекула хиральной, зависит от того, являются ли ее хиральные конформации устойчивыми изомерами, которые можно было бы выделить в виде отдельных энантиомеров, по крайней мере в принципе, или энантиомерные конформеры быстро взаимопревращаются при заданной температуре и шкале времени посредством низкоэнергетических конформационных изменений (делая молекулу ахиральной). Например, несмотря на наличие хиральных гош -конформеров, которые принадлежат к точечной группе C 2 , бутан считается ахиральным при комнатной температуре, потому что вращение вокруг центральной связи C–C быстро взаимопревращает энантиомеры (барьер 3,4 ккал/моль). Аналогично, цис -1,2-дихлорциклогексан состоит из конформеров стульев , которые являются неидентичными зеркальными отражениями, но эти два могут взаимопревращаться посредством переворота стульев циклогексана (барьер ~10 ккал/моль). В качестве другого примера, амины с тремя различными заместителями (R 1 R 2 R 3 N:) также считаются ахиральными молекулами, поскольку их энантиомерные пирамидальные конформеры быстро подвергаются пирамидальной инверсии .
Однако, если рассматриваемая температура достаточно низкая, процесс, который взаимопревращает энантиомерные хиральные конформации, становится медленным по сравнению с заданной шкалой времени. Тогда молекула будет считаться хиральной при этой температуре. Соответствующая шкала времени, в некоторой степени, определена произвольно: иногда используется 1000 секунд, поскольку это считается нижним пределом для количества времени, необходимого для химического или хроматографического разделения энантиомеров в практическом смысле. Молекулы, которые являются хиральными при комнатной температуре из-за ограниченного вращения вокруг одинарной связи (барьер вращения ≥ прибл. 23 ккал/моль), как говорят, проявляют атропоизомерию .
Хиральное соединение не может содержать несобственную ось вращения ( S n ), которая включает плоскости симметрии и центр инверсии. Хиральные молекулы всегда диссимметричны (отсутствуют S n ), но не всегда асимметричны (отсутствуют все элементы симметрии, кроме тривиальной идентичности). Асимметричные молекулы всегда хиральны. [6]
В следующей таблице приведены некоторые примеры хиральных и ахиральных молекул с обозначением точечной группы молекулы по Шенфлизу . В ахиральных молекулах X и Y (без нижнего индекса) представляют ахиральные группы, тогда как X R и X S или Y R и Y S представляют энантиомеры . Обратите внимание, что ориентация оси S 2 не имеет смысла , поскольку это просто инверсия. Подойдет любая ориентация, если она проходит через центр инверсии. Также обратите внимание, что существуют также более высокие симметрии хиральных и ахиральных молекул и симметрии, которые не включают те, что указаны в таблице, такие как хиральная C 3 или ахиральная S 4 .
Примером молекулы, которая не имеет зеркальной плоскости или инверсии и все же будет считаться ахиральной, является 1,1-дифтор-2,2-дихлорциклогексан (или 1,1-дифтор-3,3-дихлорциклогексан). Он может существовать во многих конформерах ( конформационных изомерах ), но ни один из них не имеет зеркальной плоскости. Чтобы иметь зеркальную плоскость, циклогексановое кольцо должно быть плоским, расширяя углы связи и придавая конформации очень высокую энергию. Это соединение не будет считаться хиральным, поскольку хиральные конформеры легко взаимопревращаются.
Ахиральная молекула, имеющая хиральные конформации, теоретически может образовывать смесь правосторонних и левосторонних кристаллов, как это часто происходит с рацемическими смесями хиральных молекул (см. Хиральное разделение#Спонтанное разделение и связанные с ним специализированные методы ), или когда ахиральный жидкий диоксид кремния охлаждается до точки превращения в хиральный кварц .
Стереогенный центр (или стереоцентр ) — это атом, такой, что обмен позициями двух лигандов (связанных групп) на этом атоме приводит к молекуле, которая стереоизомерна исходной. Например, распространенным случаем является тетраэдрический углерод, связанный с четырьмя различными группами a , b , c и d (C abcd ), где обмен любыми двумя группами (например, C bacd ) приводит к стереоизомеру исходной, поэтому центральный C является стереоцентром. Многие хиральные молекулы имеют точечную хиральность, а именно один хиральный стереогенный центр, который совпадает с атомом. Этот стереогенный центр обычно имеет четыре или более связей с различными группами и может быть углеродом (как во многих биологических молекулах), фосфором (как во многих органофосфатах ), кремнием или металлом (как во многих хиральных координационных соединениях ). Однако стереогенным центром может быть и трехвалентный атом, связи которого не находятся в одной плоскости, например, фосфор в P-хиральных фосфинах (PRR′R″) и сера в S-хиральных сульфоксидах (OSRR′), поскольку вместо четвертой связи присутствует неподеленная пара электронов.
Аналогично, стереогенная ось (или плоскость) определяется как ось (или плоскость) в молекуле, такая, что обмен любыми двумя лигандами, присоединенными к оси (или плоскости), приводит к образованию стереоизомера. Например, C2 - симметричные виды 1,1′-би-2-нафтол (БИНОЛ) и 1,3-дихлораллен имеют стереогенные оси и проявляют аксиальную хиральность , в то время как ( E ) -циклооктен и многие производные ферроцена, несущие два или более заместителей, имеют стереогенные плоскости и проявляют планарную хиральность .
Хиральность также может возникать из-за изотопных различий между атомами, например, в дейтерированном бензиловом спирте PhCHDOH, который является хиральным и оптически активным ([ α ] D = 0,715°), хотя недейтерированное соединение PhCH 2 OH таковым не является. [7]
Если два энантиомера легко взаимопревращаются, чистые энантиомеры может быть практически невозможно разделить, и можно наблюдать только рацемическую смесь. Это касается, например, большинства аминов с тремя различными заместителями (NRR′R″) из-за низкого энергетического барьера для инверсии азота .
Когда оптическое вращение энантиомера слишком мало для практического измерения, говорят, что этот вид проявляет криптохиральность .
Хиральность является неотъемлемой частью идентичности молекулы, поэтому систематическое название включает детали абсолютной конфигурации ( R/S , D/L или другие обозначения ).
Многие биологически активные молекулы являются хиральными, включая природные аминокислоты (строительные блоки белков ) и сахара .
Происхождение этой гомохиральности в биологии является предметом многочисленных споров. [13] Большинство ученых полагают, что «выбор» хиральности земной жизнью был чисто случайным, и что если формы жизни на основе углерода существуют где-то еще во Вселенной, их химия теоретически может иметь противоположную хиральность. Однако есть некоторые предположения, что ранние аминокислоты могли образоваться в кометной пыли. В этом случае циркулярно поляризованное излучение (составляющее 17% звездного излучения) могло вызвать избирательное разрушение одной хиральности аминокислот, что привело к смещению отбора, которое в конечном итоге привело к тому, что вся жизнь на Земле стала гомохиральной. [14] [15]
Ферменты , которые являются хиральными, часто различают два энантиомера хирального субстрата. Можно представить себе фермент как имеющий перчаткообразную полость, которая связывает субстрат. Если эта перчатка правая, то один энантиомер поместится внутрь и будет связан, тогда как другой энантиомер будет плохо сидеть и вряд ли свяжется.
L -формы аминокислот, как правило, безвкусны, тогда как D -формы, как правило, сладкие на вкус. [13] Листья мяты содержат L -энантиомер химического карвона или R -(−)-карвон, а семена тмина содержат D -энантиомер или S -(+)-карвон. [9] Для большинства людей эти два запаха различаются, поскольку наши обонятельные рецепторы хиральны.
Хиральность также важна в контексте упорядоченных фаз, например, добавление небольшого количества оптически активной молекулы к нематической фазе (фазе, которая имеет дальний ориентационный порядок молекул) преобразует эту фазу в хиральную нематическую фазу (или холестерическую фазу). Хиральность в контексте таких фаз в полимерных жидкостях также изучалась в этом контексте. [16]
-cation-3D-balls.png/1280px-Delta-ruthenium-tris(bipyridine)-cation-3D-balls.png)
Хиральность — это свойство симметрии, а не свойство какой-либо части периодической таблицы. Таким образом, многие неорганические материалы, молекулы и ионы являются хиральными. Кварц — пример из царства минералов. Такие нецентрированные материалы представляют интерес для приложений в нелинейной оптике .
В областях координационной химии и металлоорганической химии хиральность широко распространена и имеет практическое значение. Известным примером является комплекс трис(бипиридин)рутения(II), в котором три бипиридиновых лиганда принимают хиральное расположение, подобное пропеллеру. [17] Два энантиомера комплексов, таких как [Ru(2,2′-бипиридин) 3 ] 2+, могут быть обозначены как Λ (заглавная лямбда , греческая версия «L») для левостороннего поворота пропеллера, описываемого лигандами, и Δ (заглавная дельта , греческая «D») для правостороннего поворота (на рисунке). Также ср. dextro- и levo- (laevo-) .
Хиральные лиганды придают хиральность металлическому комплексу, как показано на примере комплексов металл- аминокислота . Если металл проявляет каталитические свойства, его сочетание с хиральным лигандом является основой асимметричного катализа . [18]
Термин оптическая активность происходит от взаимодействия хиральных материалов с поляризованным светом. В растворе (−)-форма, или левовращающая форма, оптического изомера вращает плоскость пучка линейно поляризованного света против часовой стрелки . (+)-форма, или правовращающая форма, оптического изомера делает противоположное. Вращение света измеряется с помощью поляриметра и выражается как оптическое вращение.
Энантиомеры могут быть разделены хиральным разделением . Это часто включает в себя образование кристаллов соли, состоящей из одного из энантиомеров и кислоты или основания из так называемого хирального пула природных хиральных соединений, таких как яблочная кислота или амин бруцин . Некоторые рацемические смеси спонтанно кристаллизуются в правосторонние и левосторонние кристаллы, которые можно разделить вручную. Луи Пастер использовал этот метод для разделения левосторонних и правосторонних кристаллов тартрата натрия аммония в 1849 году. Иногда можно засеять рацемический раствор правосторонним и левосторонним кристаллом, так что каждый вырастет в большой кристалл.
Жидкостная хроматография (ВЭЖХ и ТСХ) может также использоваться в качестве аналитического метода для прямого разделения энантиомеров и контроля энантиомерной чистоты, например, активных фармацевтических ингредиентов (АФИ), которые являются хиральными. [19] [20]
Вращение плоскополяризованного света хиральными веществами впервые наблюдал Жан-Батист Био в 1812 году [25] и приобрело значительное значение в сахарной промышленности , аналитической химии и фармацевтике. Луи Пастер в 1848 году пришел к выводу, что это явление имеет молекулярную основу. [26] [27] Сам термин хиральность был введен лордом Кельвином в 1894 году. [28] Различные энантиомеры или диастереомеры соединения ранее назывались оптическими изомерами из-за их различных оптических свойств. [29] Одно время считалось, что хиральность ограничивается органической химией, но это заблуждение было опровергнуто разделением чисто неорганического соединения, комплекса кобальта, называемого гексолом , Альфредом Вернером в 1911 году . [30]
В начале 1970-х годов различные группы установили, что орган обоняния человека способен различать хиральные соединения. [9] [31] [32]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )