ХІРАЛЬНІСТЬ: З ЧОГО СКЛАДАЄТЬСЯ І ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Хіральність є геометричним властивістю , що об'єкт може мати два зображення: одне право і один ліві, які не є взаємозамінними; тобто вони просторово різні, хоча решта їх властивостей однакові. Об'єкт, що проявляє хіральність, просто називають «хіральним».

Права і ліва руки хіральні: одна - це відображення (дзеркальне зображення) іншої, але вони не однакові, оскільки при розміщенні однієї зверху на інші їх великі пальці не збігаються.

Джерело: Габріель Болівар

Більше, ніж дзеркало, щоб знати, чи об’єкт є хіральним, слід задати таке питання: чи є у нього "версії" як для лівої, так і для правої сторін?

Наприклад, стіл з лівою рукою та праворукий - це хіральні предмети; два транспортні засоби тієї ж моделі, але з кермом зліва або справа; пара взуття, а також стопи; гвинтові сходи в лівому напрямку, а в правильному тощо.

І в хімії молекули не є винятком: вони також можуть бути хіральними. На зображенні зображена пара молекул з чотиригранною геометрією. Навіть якщо та, що знаходиться ліворуч, перевернута і сині та фіолетові сфери зроблені для дотику, коричнева та зелена сфери будуть «виглядати» поза площиною.

Що таке хіральність?

З молекулами не так просто визначити, яка є ліва чи права "версія", просто подивившись на них. Для цього хіміки-органіки вдаються до конфігурацій Кан-Інгольда-Прелога (R) або (S) або до оптичної властивості цих хіральних речовин обертати поляризоване світло (що також є хіральним елементом).

Однак не важко визначити, чи молекула чи сполука є хіральними, лише переглянувши її структуру. Яка яскрава особливість пари молекул на зображенні вище?

Він має чотири різних заступника, кожен зі своїм характерним кольором, а також геометрія навколо центрального атома є тетраедричною.

Якщо в структурі є атом з чотирма різними заступниками, можна констатувати (в більшості випадків), що молекула є хіральною.

Тоді кажуть, що в структурі є центр хіральності або стереогенний центр. Там, де він є, знайдеться пара стереоізомерів, відомих як енантіомери.

Дві молекули на зображенні є енантіомерами. Чим більша кількість хіральних центрів, які має з'єднання, тим більша його просторова різноманітність.

Центральний атом, як правило, є атомом вуглецю у всіх біомолекулах і сполуках з фармакологічною активністю; однак це також може бути фосфор, азот або метал.

Приклади хіральності

Центр хіральності є, мабуть, одним із найважливіших елементів у визначенні того, чи є сполука хіральною чи ні.

Однак є й інші фактори, які можуть залишитися непоміченими, але в 3D-моделях вони виявляють дзеркальне зображення, яке не може бути накладене.

Про ці структури тоді говорять, що замість центру вони мають інші елементи хіральності. Зважаючи на це, наявність асиметричного центру з чотирма заступниками вже недостатньо, але решту структури також потрібно ретельно проаналізувати; і, таким чином, мати можливість диференціювати один стереоізомер від іншого.

Осьовий

Джерело: Jü, з Wikimedia Commons

З'єднання, показані на зображенні вище, можуть здаватися неозброєним оком плоским, але насправді це не так. Зліва - загальна структура алена, де R позначає чотири різних заступника; і праворуч загальна структура біфенільного з'єднання.

Кінець, де зустрічаються R ₃ і R _4, можна візуалізувати як "плавник", перпендикулярний площині, де лежать R ₁ і R ₂ .

Якщо спостерігач аналізує такі молекули, розташувавши око перед першим вуглецем, приєднаним до R ₁ і R ₂ (для алена), він побачить R ₁ і R ₂ в лівій і правій частині, а R ₄ і R ₃ вгорі і внизу.

Якщо R ₃ і R ₄ залишаються нерухомими, але R ₁ зміщується вправо, а R ₂ вліво, тоді у нас буде ще одна «просторова версія».

Тут спостерігач може зробити висновок, що він знайшов вісь хиральності для алена; те саме стосується біфенілу, але з ароматичними кільцями, що беруть участь у зорі.

Кільцеві гвинти або спіраль

Джерело: Sponk, від Wikimedia Commons

Зауважимо, що в попередньому прикладі вісь хіральності лежала в скелеті С = С = С, для алена та в зв'язці Ar-Ar, для біфенілу.

Для вищезгаданих сполук, які називаються гептагельценами (оскільки вони мають сім кілець), яка їх вісь хіральності? Відповідь наводиться на тому самому зображенні вище: вісь Z, вісь гвинта.

Тому, щоб відрізнити один енантіомер від іншого, ви повинні подивитися на ці молекули зверху (бажано).

Таким чином можна детально пояснити, що гептахелікен обертається за годинниковою стрілкою (ліва частина зображення) або проти годинникової стрілки (права частина зображення).

Планарний

Припустимо, у вас більше не гелікен, а молекула з неопланарними кільцями; тобто один розташований вище або нижче іншого (або вони не на одній площині).

Тут хіральний характер не спирається стільки на кільце, скільки на його заступники; саме вони визначають кожен з двох енантіомерів.

Джерело: Anypodetos, автор оригінального файлу PNG: EdChem, з Вікісховища

Наприклад, у фероцені на верхньому зображенні кільця, що "сендвіч" атома Fe, не змінюються; але просторова орієнтація кільця з атомом азоту та групою -N (CH ₃ ) ₂ .

На зображенні група -N (CH ₃ ) ₂ вказує зліва, але в енантіомері вона вказуватиме праворуч.

Інші

Для макромолекул або осіб із сингулярними структурами зображення починає спрощуватися. Чому? Тому що з їх 3D-моделей видно з пташиного польоту, чи вони хиральні чи ні, як це відбувається з об'єктами в початкових прикладах.

Наприклад, вуглецева нанотрубка може показувати візерунки поворотів вліво, і тому вона є хіральною, якщо є однакова, але з поворотами праворуч.

Те саме відбувається з іншими структурами, де, незважаючи на відсутність центрів хіральності, просторове розташування всіх їх атомів може приймати хіральні форми.

Тоді ми говоримо про властиву хіральності, яка залежить не від атома, а від цілого.

Хімічно силовий спосіб диференціювання "лівого зображення" від правого - через стереоселективну реакцію; тобто такий, де він може виникати лише з одним енантіомером, а не з іншим.

Список літератури

1. Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2018). Хіральність (хімія). Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Advameg, Inc. (2018). Хіральність. Відновлено з: chemistryexplained.com
4. Стівен А. Хардінгер та Harcourt Brace & Company. (2000). Стереохімія: визначення молекулярної хіральності. Відновлено: chem.ucla.edu
5. Гарвардський університет. (2018). Молекулярна хіральність. Відновлено з: rowland.harvard.edu
6. Орегонський державний університет. (14 липня 2009 р.). Хіральність: Хіральні та ахіральні об'єкти. Відновлено з: science.oregonstate.edu