Chiralita je geometrický vlastnost, že objekt může mít dva obrázky: jeden vpravo a jeden vlevo, které nejsou zaměnitelné; to znamená, že jsou prostorově odlišné, i když zbývající vlastnosti jsou stejné. Objekt, který vykazuje chiralitu, se jednoduše říká, že je „chirální“.
Pravá a levá ruka jsou chirální: jedna je odrazem (zrcadlový obraz) druhé, ale nejsou stejná, protože při položení jedné na druhou se jejich palce neshodují.
Zdroj: Gabriel Bolívar
Víc než zrcadlo, abyste věděli, zda je objekt chirální, je třeba položit následující otázku: má „verze“ pro levou i pravou stranu?
Například levotočivý stůl a pravotočivý jsou chirální předměty; dvě vozidla stejného modelu, avšak s volantem vlevo nebo vpravo; boty a nohy; točité schody vlevo a vpravo, atd.
A v chemii nejsou molekuly výjimkou: mohou být také chirální. Obrázek ukazuje dvojici molekul s tetrahedrální geometrií. I když se otočí vlevo a modrá a fialová koule se dotknou, hnědé a zelené koule „vypadají“ z roviny.
Co je chiralita?
U molekul není tak snadné určit, která je levá nebo pravá „verze“ pouhým pohledem na ně. U těchto organických chemiků se uchýlili ke konfiguraci Cahn-Ingold-Prelog (R) nebo (S) nebo k optické vlastnosti těchto chirálních látek k rotaci polarizovaného světla (které je také chirálním prvkem).
Není však obtížné určit, zda je molekula nebo sloučenina chirální pouze při pohledu na její strukturu. Jaký je výrazný rys dvojice molekul na obrázku výše?
Má čtyři různé substituenty, každý s vlastní charakteristickou barvou, a také geometrie kolem centrálního atomu je čtyřstěnná.
Pokud ve struktuře je atom se čtyřmi různými substituenty, lze konstatovat (ve většině případů), že molekula je chirální.
Pak se říká, že ve struktuře je centrum chirality nebo stereogenní centrum. Tam, kde je jeden, bude existovat pár stereoizomerů známých jako enantiomery.
Dvě molekuly na obrázku jsou enantiomery. Čím větší počet chirálních center má sloučenina, tím větší je její prostorová rozmanitost.
Centrální atom je obecně atom uhlíku ve všech biomolekulách a sloučeninách s farmakologickou aktivitou; může to však být také fosfor, dusík nebo kov.
Příklady chirality
Centrum chirality je možná jedním z nejdůležitějších prvků při určování, zda je sloučenina chirální nebo ne.
Existují však i další faktory, které mohou zůstat bez povšimnutí, ale ve 3D modelech odhalují zrcadlový obraz, který nelze překrýt.
Pro tyto struktury se pak říká, že místo středu mají jiné prvky chirality. S ohledem na to již přítomnost asymetrického centra se čtyřmi substituenty nestačí, ale zbytek struktury musí být také pečlivě analyzován; a tak být schopen odlišit jeden stereoizomer od jiného.
Axiální
Zdroj: Jü, z Wikimedia Commons
Sloučeniny zobrazené na obrázku výše se mohou pouhým okem zdát ploché, ale ve skutečnosti tomu tak není. Vlevo je obecná struktura allenu, kde R označuje čtyři různé substituenty; a vpravo, obecná struktura bifenylové sloučeniny.
Konci, kde R 3 a R 4, plní se detekuje jako „fin“ kolmo k rovině, ve kterém R 1 a R 2 lži.
Jestliže pozorovatel analýzy takové molekuly umístěním oko před prvním uhlíku připojenou k R 1 a R 2 (pro allen), uvidí R 1 a R 2 na levé a pravé straně, a R 4 a R 3 na horní a dolní části.
Pokud R 3 a R 4 zůstávají pevné, ale R 1 je posunuta doprava, a R 2 doleva, pak budeme mít další „prostorové verzi“.
Zde může pozorovatel dojít k závěru, že pro allen našel osu chirality; to samé platí o bifenylu, ale s aromatickými kruhy zapojenými do vidění.
Prstencové šrouby nebo Helicity
Zdroj: Sponk, z Wikimedia Commons
Všimněte si, že v předchozím příkladu ležela osa chirality v kostře C = C = C, pro allen, a v Ar-Ar vazbě, pro bifenyl.
Jaká je jejich osa chirality pro výše uvedené sloučeniny zvané heptahelcenes (protože mají sedm prstenů)? Odpověď je uvedena na stejném obrázku výše: osa Z, vrtule.
Proto, abyste rozlišili jeden enantiomer od jiného, musíte se podívat na tyto molekuly shora (nejlépe).
Tímto způsobem může být podrobně popsáno, že se heptahelicene otáčí ve směru hodinových ručiček (levá strana obrázku) nebo proti směru hodinových ručiček (pravá strana obrázku).
Planar
Předpokládejme, že již nemáte helicen, ale molekulu s ne-koplanárními kruhy; to znamená, že jeden je umístěn nad nebo pod druhým (nebo nejsou ve stejné rovině).
Zde chirální postava nezpočívá tolik na kruhu, ale na jeho substituentech; právě tyto definují každý ze dvou enantiomerů.
Zdroj: Anypodetos, autor původního souboru PNG: EdChem, z Wikimedia Commons
Například ve ferrocenu na horním obrázku se kruhy, které „sendvičují“ atom Fe, nemění; ale prostorová orientace kruhu s atomem dusíku a skupinou -N (CH 3) 2 dělá.
Na obrázku je skupina -N (CH 3) 2 ukazuje na levé straně, ale v jeho enantiomer se bude ukazovat na pravé straně.
Ostatní
Pro makromolekuly nebo ty s jedinečnou strukturou se obraz začíná zjednodušovat. Proč? Protože z jejich 3D modelů je vidět z ptačí perspektivy, jsou-li chirální nebo ne, jak se to stane s objekty v počátečních příkladech.
Například uhlíková nanotrubice může ukazovat vzory zatáček doleva, a proto je chirální, pokud existuje identická, ale se zatáčkami doprava.
Totéž se děje s jinými strukturami, kde, i když nemají centra chirality, prostorové uspořádání všech jejich atomů může nabývat chirálních forem.
Mluvíme tedy o přirozené chiralitě, která nezávisí na atomu, ale na celku.
Chemicky násilný způsob, jak rozlišit „levý obraz“ od pravého, je stereoselektivní reakcí; to je ten, kde se může vyskytovat pouze s jedním enantiomerem, zatímco ne s druhým.
Reference
- Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2018). Chiralita (chemie). Obnoveno z: en.wikipedia.org
- Advameg, Inc. (2018). Chirality. Obnoveno z: chemistryexplained.com
- Steven A. Hardinger a Harcourt Brace & Company. (2000). Stereochemie: Stanovení molekulární chirality. Obnoveno z: chem.ucla.edu
- Harvardská Univerzita. (2018). Molekulární chiralita. Obnoveno z: rowland.harvard.edu
- Oregonská státní univerzita. (14. července 2009). Chiralita: Chiral & Achiral Objects. Obnoveno z: science.oregonstate.edu