ХИРАЛЬНОСТЬ: ИЗ ЧЕГО ОНА СОСТОИТ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2025

Хиральность является геометрическим свойством , что объект может иметь два изображения: одно право и один левые, которые не являются взаимозаменяемыми; то есть они пространственно различны, хотя остальные их свойства идентичны. Объект, который демонстрирует хиральность, просто называют «хиральным».

Правая и левая руки хиральны: одна является отражением (зеркальным отображением) другой, но они не совпадают, так как при помещении одной на другую большие пальцы не совпадают.

Источник: Габриэль Боливар

Чтобы узнать, является ли объект хиральным, нужно больше, чем просто зеркало, нужно задать следующий вопрос: есть ли у него «версии» для левой и правой сторон?

Например, левый стол и правый стол - хиральные объекты; два автомобиля одной модели, но с рулевым колесом слева или справа; пара обуви, а также ступни; винтовая лестница в левом направлении, в правом и т. д.

И в химии молекулы не исключение: они тоже могут быть хиральными. На изображении изображена пара молекул с тетраэдрической геометрией. Даже если тот, что слева, перевернуть, и синие и фиолетовые сферы будут касаться друг друга, коричневые и зеленые сферы будут «смотреть» из плоскости.

Что такое хиральность?

С молекулами не так просто определить, какая «версия» является левой или правой, просто взглянув на них. Для этого химики-органики прибегают к конфигурациям Кана-Ингольда-Прелога (R) или (S) или к оптическому свойству этих хиральных веществ вращать поляризованный свет (который также является хиральным элементом).

Однако нетрудно определить, является ли молекула или соединение хиральными, просто взглянув на их структуру. В чем особенность пары молекул на изображении выше?

Он имеет четыре разных заместителя, каждый из которых имеет свой характерный цвет, а также геометрия вокруг центрального атома является тетраэдрической.

Если в структуре есть атом с четырьмя разными заместителями, можно сказать (в большинстве случаев), что молекула хиральная.

Тогда говорят, что в структуре есть центр хиральности или стереогенный центр. Там, где он есть, будет пара стереоизомеров, известных как энантиомеры.

Две молекулы на изображении - энантиомеры. Чем больше количество хиральных центров в соединении, тем больше его пространственное разнообразие.

Центральный атом обычно представляет собой атом углерода во всех биомолекулах и соединениях с фармакологической активностью; однако это также может быть фосфор, азот или металл.

Примеры хиральности

Центр хиральности, возможно, является одним из наиболее важных элементов при определении того, является ли соединение хиральным или нет.

Однако есть и другие факторы, которые могут остаться незамеченными, но в 3D-моделях они показывают зеркальное отображение, которое нельзя наложить.

Для этих структур тогда говорят, что вместо центра они имеют другие элементы хиральности. Имея это в виду, наличие асимметричного центра с четырьмя заместителями уже недостаточно, но остальная часть структуры также должна быть тщательно проанализирована; и, таким образом, уметь отличать один стереоизомер от другого.

аксиальный

Источник: Ю, из Wikimedia Commons.

Соединения, показанные на изображении выше, могут казаться плоскими невооруженным глазом, но на самом деле это не так. Слева представлена ​​общая структура аллена, где R обозначает четыре различных заместителя; а справа - общая структура бифенильного соединения.

Конец, где _{встречаются} R ₃ и R _4, можно представить как «плавник», перпендикулярный плоскости, в которой лежат R ₁ и R ₂ .

Если наблюдатель проанализирует такие молекулы, поместив глаз перед первым углеродом, присоединенным к R ₁ и R ₂ (для аллена), он увидит R ₁ и R ₂ слева и справа, а R ₄ и R ₃ сверху и снизу.

Если R ₃ и R ₄ остаются фиксированными, но R ₁ смещается вправо, а R ₂ - влево, то у нас будет другая «пространственная версия».

Здесь наблюдатель может затем сделать вывод, что он обнаружил ось хиральности для аллена; то же самое верно и для бифенила, но с ароматическими кольцами, участвующими в зрении.

Кольцевые винты или спиральность

Источник: Sponk, из Wikimedia Commons.

Обратите внимание, что в предыдущем примере ось хиральности лежит в скелете C = C = C для аллена и в связи Ar-Ar для бифенила.

Для соединений, названных выше гептахелценами (поскольку они имеют семь колец), какова их ось хиральности? Ответ дан на том же изображении выше: ось Z, ось пропеллера.

Следовательно, чтобы отличить один энантиомер от другого, вы должны смотреть на эти молекулы сверху (желательно).

Таким образом можно детализировать, что гептагелицен вращается по часовой стрелке (левая часть изображения) или против часовой стрелки (правая часть изображения).

Планарный

Предположим, что у вас больше не спираль, а молекула с некопланарными кольцами; то есть одно расположено выше или ниже другого (или они не находятся в одной плоскости).

Здесь хиральность зависит не столько от кольца, сколько от его заместителей; именно они определяют каждый из двух энантиомеров.

Источник: Anypodetos, автор оригинального файла PNG: EdChem, из Wikimedia Commons

Например, в ферроцене на верхнем изображении кольца, которые «сэндвич» с атомом Fe не изменяются; но пространственная ориентация кольца с атомом азота и группой -N (CH ₃ ) _{2 имеет} .

На изображении группа -N (CH ₃ ) ₂ указывает влево, но в своем энантиомере она указывает вправо.

другие

Для макромолекул или макромолекул с особой структурой картина начинает упрощаться. Зачем? Потому что по их трехмерным моделям с высоты птичьего полета видно, являются они хиральными или нет, как это происходит с объектами в начальных примерах.

Например, углеродная нанотрубка может показывать паттерны витков влево, и поэтому она является хиральной, если есть такая же, но с поворотами вправо.

То же самое происходит с другими структурами, где, несмотря на отсутствие центров хиральности, пространственное расположение всех их атомов может принимать хиральные формы.

Таким образом, мы говорим о внутренней хиральности, которая зависит не от атома, а от целого.

Химически сильный способ отличить «левое изображение» от правого - это стереоселективная реакция; то есть один, в котором он может встречаться только с одним энантиомером, а не с другим.

Ссылки

1. Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2018). Хиральность (химия). Получено с: en.wikipedia.org
3. Advameg, Inc. (2018). Хиральность. Получено с: chemistryexplained.com
4. Стивен А. Хардинджер и Harcourt Brace & Company. (2000). Стереохимия: определение молекулярной хиральности. Получено с: chem.ucla.edu
5. Гарвардский университет. (2018). Молекулярная хиральность. Получено с: rowland.harvard.edu
6. Государственный университет Орегона. (14 июля 2009 г.). Хиральность: хиральные и ахиральные объекты. Получено с: science.oregonstate.edu