CHIRALNOŚĆ: Z CZEGO SIĘ SKŁADA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Chiralności jest obiektem geometrycznym, że obiekt może mieć dwa obrazy: jeden w prawo i jeden w lewo, które nie są wymienne; to znaczy są przestrzennie różne, mimo że pozostałe ich właściwości są identyczne. O obiekcie, który wykazuje chiralność, po prostu mówi się, że jest „chiralny”.

Prawa i lewa ręka są chiralne: jedna jest odbiciem (lustrzanym odbiciem) drugiej, ale nie są takie same, ponieważ podczas umieszczania jednego na drugim ich kciuki nie pokrywają się.

Źródło: Gabriel Bolívar

Więcej niż lustro, aby wiedzieć, czy obiekt jest chiralny, należy zadać następujące pytanie: czy ma „wersje” dla lewej i prawej strony?

Na przykład biurko leworęczne i praworęczne to obiekty chiralne; dwa pojazdy tego samego modelu, ale z kierownicą po lewej lub prawej stronie; para butów, a także stopy; schody kręcone w lewo, w prawo itd.

A w chemii cząsteczki nie są wyjątkiem: mogą być również chiralne. Zdjęcie przedstawia parę cząsteczek o geometrii czworościennej. Nawet jeśli ta po lewej jest odwrócona, a niebieskie i fioletowe kule zostaną dotknięte, brązowe i zielone kule będą „wyglądać” poza płaszczyzną.

Co to jest chiralność?

W przypadku cząsteczek nie jest łatwo określić, która „wersja” jest lewa lub prawa, po prostu patrząc na nie. W tym celu chemicy organiczni uciekają się do konfiguracji Cahna-Ingolda-Preloga (R) lub (S) lub właściwości optycznych tych chiralnych substancji do obracania spolaryzowanego światła (które jest również elementem chiralnym).

Jednak nie jest trudno określić, czy cząsteczka lub związek jest chiralny, po prostu patrząc na jego strukturę. Jaka jest uderzająca cecha pary cząsteczek na powyższym obrazku?

Ma cztery różne podstawniki, każdy z własnym charakterystycznym kolorem, a także geometria wokół centralnego atomu jest tetraedryczna.

Jeśli w strukturze występuje atom z czterema różnymi podstawnikami, można stwierdzić (w większości przypadków), że cząsteczka jest chiralna.

Następnie mówi się, że w strukturze znajduje się centrum chiralności lub centrum stereogeniczne. Tam, gdzie jest jeden, będzie para stereoizomerów znanych jako enancjomery.

Dwie cząsteczki na obrazie to enancjomery. Im większa liczba centrów chiralnych, które ma związek, tym większe jest jego zróżnicowanie przestrzenne.

Atom centralny jest generalnie atomem węgla we wszystkich biomolekułach i związkach o aktywności farmakologicznej; jednakże może to być również fosfor, azot lub metal.

Przykłady chiralności

Centrum chiralności jest prawdopodobnie jednym z najważniejszych elementów określających, czy związek jest chiralny, czy nie.

Istnieją jednak inne czynniki, które mogą pozostać niezauważone, ale w modelach 3D ujawniają lustrzane odbicie, którego nie można nałożyć.

O tych strukturach mówi się wtedy, że zamiast centrum mają inne elementy chiralności. Mając to na uwadze, obecność centrum asymetrii z czterema podstawnikami już nie wystarcza, ale reszta struktury również musi być dokładnie przeanalizowana; a zatem być zdolnym do rozróżnienia jednego stereoizomeru od drugiego.

Osiowy

Źródło: Jü, z Wikimedia Commons

Związki pokazane na powyższym obrazku mogą wydawać się płaskie gołym okiem, ale tak naprawdę nie są. Po lewej stronie znajduje się ogólna struktura allenu, gdzie R oznacza cztery różne podstawniki; a po prawej, ogólna struktura związku bifenylowego.

Koniec, w którym _{spotykają się} R ₃ i R _4, można wizualizować jako „płetwę” prostopadłą do płaszczyzny, na której leżą R ₁ i R ₂ .

Jeśli obserwator przeanalizuje takie cząsteczki, ustawiając oko przed pierwszym atomem węgla przyłączonym do R ₁ i R ₂ (dla allenu), zobaczy R ₁ i R ₂ po lewej i prawej stronie, a R ₄ i R _{3 na} górze i na dole.

Jeśli R ₃ i R ₄ pozostaną stałe, ale R ₁ zostanie przesunięte w prawo, a R ₂ w lewo, to będziemy mieli inną „wersję przestrzenną”.

W tym miejscu obserwator może następnie wywnioskować, że znalazł oś chiralności dla allenu; to samo dotyczy bifenylu, ale z pierścieniami aromatycznymi zaangażowanymi w widzenie.

Śruby pierścieniowe lub Helicity

Źródło: Sponk, z Wikimedia Commons

Zauważ, że w poprzednim przykładzie oś chiralności leżała w szkielecie C = C = C, dla allenu i wiązania Ar-Ar, dla bifenylu.

Jaka jest ich oś chiralności w przypadku powyższych związków zwanych heptahelcenami (ponieważ mają siedem pierścieni)? Odpowiedź znajduje się na tym samym obrazku powyżej: oś Z, oś śmigła.

Dlatego, aby odróżnić jeden enancjomer od drugiego, należy spojrzeć na te cząsteczki z góry (najlepiej).

W ten sposób można szczegółowo określić, że heptahelicen obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara (lewa strona obrazu) lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (prawa strona obrazu).

Planar

Załóżmy, że nie masz już helisy, ale cząsteczkę z pierścieniami innymi niż współpłaszczyznowe; to znaczy, jeden znajduje się powyżej lub poniżej drugiego (lub nie są na tej samej płaszczyźnie).

Tutaj charakter chiralny nie opiera się tak bardzo na pierścieniu, ale na jego podstawnikach; to one definiują każdy z dwóch enancjomerów.

Źródło: Anypodetos, autor oryginalnego pliku PNG: EdChem, źródło Wikimedia Commons

Na przykład w ferrocenie na górnym obrazie pierścienie, które „łączą” atom Fe, nie zmieniają się; ale orientacja przestrzenna pierścień z atomem azotu, a grupa -N (CH ₃ ) _{2 nie} .

Na obrazie grupa -N (CH ₃ ) ₂ wskazuje na lewo, ale w swoim enancjomerze będzie wskazywać na prawo.

Inni

W przypadku makrocząsteczek lub tych o strukturze osobliwej obraz zaczyna się upraszczać. Czemu? Ponieważ z ich modeli 3D można zobaczyć z lotu ptaka, czy są chiralne, czy nie, jak to ma miejsce w przypadku obiektów w początkowych przykładach.

Na przykład nanorurka węglowa może wykazywać wzory skrętów w lewo, a zatem jest chiralna, jeśli istnieje identyczna, ale z zakrętami w prawo.

To samo dzieje się z innymi strukturami, w których, pomimo braku centrów chiralności, przestrzenny układ wszystkich ich atomów może przybierać formy chiralne.

Mówimy wtedy o wrodzonej chiralności, która nie zależy od atomu, ale od całości.

Skutecznym chemicznie sposobem odróżnienia „obrazu lewego” od prawego jest reakcja stereoselektywna; to znaczy taki, w którym może wystąpić tylko z jednym enancjomerem, a nie z drugim.

Bibliografia

1. Carey F. (2008). Chemia organiczna. (Wydanie szóste). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2018). Chiralność (chemia). Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Advameg, Inc. (2018). Chiralność. Odzyskane z: chemistryexplained.com
4. Steven A. Hardinger i Harcourt Brace & Company. (2000). Stereochemistry: Determining Molecular Chirality. Odzyskany z: chem.ucla.edu
5. Uniwersytet Harwardzki. (2018). Chiralność molekularna. Odzyskany z: rowland.harvard.edu
6. Oregon State University. (14 lipca 2009). Chiralność: obiekty chiralne i achiralne. Odzyskany z: science.oregonstate.edu