В химии молекула или ион называется хиральной ( / ˈ k aɪ r əl / ), если она не может быть наложена на свое зеркальное изображение посредством какой-либо комбинации вращений , трансляций и некоторых конформационных изменений. Это геометрическое свойство называется киральностью ( / k aɪ ˈ r æ l ɪ t i / ). [1] [2] [3] [4] Эти 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 изображениями друг друга, называемых энантиомерами ; их часто различают как «правосторонние» или «левосторонние» по абсолютной конфигурации или по какому-либо другому критерию. Два энантиомера имеют одинаковые химические свойства, за исключением реакции с другими хиральными соединениями. Они также имеют одинаковые физические свойства, за исключением того, что они часто обладают противоположной оптической активностью . Гомогенная смесь двух энантиомеров в равных частях называется рацемической и обычно химически и физически отличается от чистых энантиомеров.
Хиральные молекулы обычно содержат 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 группами, присоединенными к нему в тетраэдрической геометрии. Данный стереоцентр имеет две возможные конфигурации, которые приводят к образованию стереоизомеров ( диастереомеров и энантиомеров ) 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, содержащее только один стереогенный углерод, всегда хирально. С другой стороны, органическое соединение с несколькими стереогенными атомами углерода обычно, но не всегда, является хиральным. 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 . Реже другие атомы, такие как N, P, S и Si, также могут служить стереоцентрами, при условии, что к ним присоединены четыре различных заместителя (включая неподеленную пару электронов).
Молекулы, киральность которых возникает из одного или нескольких стереоцентров, классифицируются как обладающие центральной киральностью. Есть два других типа стереогенных элементов, которые могут вызывать хиральность: стереогенная ось ( осевая хиральность ) и стереогенная плоскость ( планарная хиральность ). Наконец, собственная кривизна молекулы также может привести к хиральности ( собственной киральности ). Эти типы киральности встречаются гораздо реже, чем центральная киральность. БИНОЛ является типичным примером аксиально-хиральной молекулы, тогда как транс -циклооктен является часто упоминаемым примером планарной хиральной молекулы. Наконец, гелицен обладает спиральной хиральностью, которая является одним из типов присущей хиральности.
Хиральность — важное понятие для стереохимии и биохимии . Большинство веществ, имеющих отношение к биологии, являются хиральными, например углеводы ( сахара , крахмал и целлюлоза ), все аминокислоты , кроме одной , которые являются строительными блоками белков , и нуклеиновые кислоты . Встречающиеся в природе триглицериды часто являются хиральными, но не всегда. В живых организмах обычно встречается 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 обладают совершенно разной эффективностью или действием.
Хиральность молекулы основана на молекулярной симметрии ее конформаций. Конформация молекулы является киральной тогда и только тогда, когда она принадлежит точечным группам Cn , Dn , T , O , I ( хиральным точечным группам). Однако то, считается ли сама молекула хиральной, зависит от того, являются ли ее хиральные конформации стойкими изомерами, которые можно было бы выделить в виде отдельных энантиомеров, по крайней мере в принципе, или энантиомерные конформеры быстро взаимопревращаются при заданной температуре и временном масштабе посредством низкоэнергетических конформационных преобразований. изменения (делающие молекулу ахиральной). Например, несмотря на наличие хиральных гош- конформеров, принадлежащих точечной группе C 2 , бутан считается ахиральным при комнатной температуре, поскольку вращение вокруг центральной связи C–C быстро превращает энантиомеры друг в друга (барьер 3,4 ккал/моль). Точно так же цис -1,2-дихлорциклогексан состоит из конформеров стула , которые являются неидентичными зеркальными отражениями, но они могут взаимопревращаться посредством переворота стула циклогексана (барьер ~ 10 ккал / моль). Другой пример: амины с тремя различными заместителями (R 1 R 2 R 3 N:) также считаются ахиральными молекулами, поскольку их энантиомерные пирамидальные конформеры быстро инвертируются и взаимопревращаются через плоское переходное состояние (барьер ~ 6 ккал/моль).
Однако, если рассматриваемая температура достаточно низкая, процесс взаимного преобразования энантиомерных хиральных конформаций становится медленным по сравнению с заданным временным масштабом. Тогда молекулу можно было бы считать хиральной при этой температуре. Соответствующая шкала времени определяется в некоторой степени произвольно: иногда используется 1000 секунд, поскольку это считается нижним пределом времени, необходимого для химического или хроматографического разделения энантиомеров в практическом смысле. Говорят, что молекулы, которые являются хиральными при комнатной температуре из-за ограниченного вращения вокруг одинарной связи (барьер вращения ≥ примерно 23 ккал/моль), проявляют атропоизомерию .
Хиральное соединение не может содержать несобственную ось вращения ( S n ), включающую плоскости симметрии и центр инверсии. Хиральные молекулы всегда асимметричны (отсутствуют S n ), но не всегда асимметричны (отсутствуют все элементы симметрии, кроме тривиального тождества). Асимметричные молекулы всегда хиральны. [5]
В следующей таблице показаны некоторые примеры хиральных и ахиральных молекул с обозначением точечной группы молекулы по Шенфлису . В ахиральных молекулах X и Y (без нижнего индекса) представляют собой ахиральные группы, тогда как X R и X S или Y R и Y S представляют собой энантиомеры . Обратите внимание, что ориентация оси S 2 не имеет смысла , это всего лишь инверсия. Подойдет любая ориентация, если она проходит через центр инверсии. Также обратите внимание, что также существуют более высокие симметрии хиральных и ахиральных молекул, а также симметрии, которые не включены в таблицу, такие как хиральный C 3 или ахиральный S 4 .
Примером молекулы, которая не имеет зеркальной плоскости или инверсии, но которую можно было бы считать ахиральной, является 1,1-дифтор-2,2-дихлорциклогексан (или 1,1-дифтор-3,3-дихлорциклогексан). Такое 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, что расширяет валентные углы и придает 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 случается с рацемическими смесями хиральных молекул (см. Хиральное разрешение#Спонтанное разрешение и связанные с ним специализированные методы ) или как в случае с ахиральным жидким диоксидом кремния. охлаждается до состояния хирального кварца .
Стереогенный центр (или стереоцентр ) — это атом, в котором замена положений двух лигандов (связанных групп) на этом атоме приводит к образованию молекулы, стереоизомерной по отношению к оригиналу. Например, распространенным случаем является тетраэдрический углерод, связанный с четырьмя различными группами a , b , c и d (C abcd ), где замена любых двух групп (например, C bacd ) приводит к стереоизомеру исходного, поэтому центральный С – стереоцентр. Многие хиральные молекулы обладают точечной хиральностью, а именно единственным хиральным стереогенным центром, совпадающим 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 стереогенный центр может также представлять собой 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 одинокий центр вместо четвертой связи присутствует пара электронов.
Аналогично, стереогенная ось (или плоскость) определяется как ось (или плоскость) в молекуле, такая, что замена любых двух лигандов, прикрепленных к оси (или плоскости), приводит к образованию стереоизомера. Например, C 2 -симметричные виды 1,1'-би-2-нафтол (БИНОЛ) и 1,3-дихлораллен имеют стереогенные оси и проявляют аксиальную хиральность , тогда как ( E ) -циклооктен и многие производные ферроцена , несущие два или больше заместителей имеют стереогенные плоскости и проявляют плоскую 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 им не является. [6]
Если два энантиомера легко взаимопревращаются, то разделить чистые энантиомеры практически невозможно, и можно наблюдать только рацемическую смесь. Так обстоит дело, например, с большинством аминов с тремя различными заместителями (NRR'R″) из-за низкого энергетического барьера инверсии азота .
Хиральному веществу не обязательно иметь стереогенный элемент. Примеры включают некоторые гелицены , каликсарены и фуллерены , которым присуща хиральность . Более того, молекула может иметь центр киральности, который находится в положении, не соответствующем атому. Такая молекула может быть хиральной, не имея каких-либо стереогенных центров. Примеры включают 1,3,5(,7)-замещенные адамантаны , такие как (1S , 3R , 5R , 7S ) -3-метил-5-фениладамантан-1-карбоновая кислота (на фото). [7] [8]
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 встречающиеся в природе аминокислоты (строительные блоки белков ) и сахара .
Происхождение этой гомохиральности в биологии является предметом многочисленных споров. [14] Большинство учёных полагают, что «выбор» киральности земной жизнью был чисто случайным, и что если углеродные формы жизни существуют где-то во Вселенной, их химический состав теоретически может иметь противоположную хиральность. Однако есть некоторые предположения, что ранние аминокислоты могли образоваться в кометной пыли. В этом случае радиация с круговой поляризацией (составляющая 17% звездного излучения) могла 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. [15] [16]
Хиральные ферменты часто различают два энантиомера хирального субстрата. Можно представить себе, что фермент имеет полость, похожую на перчатку, которая связывает субстрат. Если эта перчатка правша, то один энантиомер войдет внутрь и свяжется, тогда как другой энантиомер будет плохо прилегать и вряд ли свяжется.
L -формы аминокислот имеют тенденцию быть безвкусными, тогда как D -формы имеют сладкий вкус. [14] Листья мяты колосовой содержат L -энантиомер химического карвона или R -(-)-карвона, а семена тмина содержат D -энантиомер или S -(+)-карвона. [17] Для большинства людей эти два запаха различаются, потому что 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 холестерическая фаза). В этом контексте также изучалась хиральность таких фаз в полимерных жидкостях. [18]
-cation-3D-balls.png/1280px-Delta-ruthenium-tris(bipyridine)-cation-3D-balls.png)
Хиральность — это свойство симметрии, а не свойство какой-либо части таблицы Менделеева. Таким образом, многие неорганические материалы, молекулы и ионы являются хиральными. Кварц – образец минерального царства. Такие нецентрические 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 имеют хиральное расположение, подобное пропеллеру. [19] Два энантиомера таких комплексов, как [Ru(2,2'-бипиридин) 3 ] 2+ , могут быть обозначены как Λ (заглавная лямбда , греческий вариант буквы «L») для левого поворота пропеллера. описывается лигандами и Δ (заглавная дельта , греческая «D») для правостороннего поворота (на фото). Также ср. право- и лево- (лево-) .
Хиральные лиганды придают хиральность металлическому комплексу, как показано на примере комплексов металл- аминокислота . Если металл проявляет каталитические свойства, то его сочетание с хиральным лигандом лежит в основе асимметрического катализа . [20]
Термин «оптическая активность» происходит от взаимодействия хиральных материалов с поляризованным светом. В растворе (-)-форма или левовращающая форма оптического изомера вращает плоскость луча линейно поляризованного света против часовой стрелки . (+)-форма, или правовращающая форма оптического изомера, действует наоборот. Вращение света измеряется поляриметром и выражается как оптическое вращение.
Энантиомеры можно разделить хиральным разделением . Это часто включает образование кристаллов соли, состоящей из одного из энантиомеров и кислоты или основания из так называемого хирального пула встречающихся в природе хиральных соединений, таких как яблочная кислота или амин бруцин . Некоторые рацемические смеси самопроизвольно кристаллизуются в правосторонние и левосторонние кристаллы, которые можно разделить вручную. Луи Пастер использовал этот метод для разделения левых и правых кристаллов тартрата натрия-аммония в 1849 году. Иногда можно засеять рацемический раствор правыми и левыми кристаллами, так что каждый из них вырастет в большой кристалл. .
Жидкостная хроматография (ВЭЖХ и ТСХ) также может использоваться в качестве аналитического метода для прямого разделения энантиомеров и контроля энантиомерной чистоты, например, хиральных активных фармацевтических ингредиентов (API). [21] [22]
Вращение плоскополяризованного света хиральными веществами было впервые обнаружено Жаном-Батистом Био в 1812 году [27] 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. [28] [29] Сам термин хиральность был придуман лордом Кельвином в 1894 году. [30] Различные энантиомеры или диастереомеры соединений ранее назывались оптическими изомерами из-за их различных оптических свойств. [31] Одно время считалось, что хиральность ограничивается органической химией, но это заблуждение было опровергнуто открытием Альфредом Вернером в 1911 году чисто неорганического соединения, комплекса кобальта , называемого гексолом . [32]
В начале 1970-х годов различные группы установили, что орган обоняния человека способен различать хиральные соединения. [10] [33] [34]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )