Хіральність (хімія)

Хіральність (молекулярна хіральність) - в хімії властивість молекули бути несумісною зі своїм дзеркальним відображенням будь-якою комбінацією обертань і переміщень у тривимірному просторі.

Два енантіомери амінокислот

Поряд з конфігурацією та конформацією хіральність - основне поняття сучасної стереохімії. Хіральність володіють молекули, в яких відсутні дзеркально-поворотні осі симетрії S n

Руки людини - можливо, найбільш розпізнаваний приклад хіральності: ліва рука не накладається поверх правої руки; неважливо, як розташовані руки, неможливо, щоб усі головні особливості обох рук збіглися. Різниця в симетрії стає очевидною, якщо хтось спробує потиснути праву руку друга лівою рукою або надіне ліву рукавичку на праву руку. Термін "хіральність" походить від давньогрецького χειρ - "рука". При використанні в хімічному контексті термін "хіральність" звичайно відноситься до молекулам. Два дзеркальних відображення молекули, які не накладаються один на одного, відносять як до енантіомерів, так і оптичним ізомерів. Через те, що різниця між правою і лівою рукою широко відома і легко розпізнається, багато пар енантіомерів іменуються право-і ліворукими. Суміш рівних кількостей двох енантіомерів називається рацематом. Молекулярна хіральність являє собою інтерес через можливостей застосування в стереохімії, неорганічної хімії, органічної, фізикохімії, біохімії та надмолекулярної хімії. Симетрія молекули (або будь-якого іншого об'єкта) визначає, хіральних вона. Молекула ахіральна (нехіральна) тоді і тільки тоді, якщо у неї є вісь ротоінверсіі. Це означає, що якщо після повороту молекули на 360 і відображення симетрично площині, перпендикулярній осі цього обертання, молекула належиться сама на себе. Хіральна молекула необов'язково має бути симетричною, оскільки, позбавлена ​​симетричних елементів, у неї може бути радіальна симетрія.


1. Історія

Термін "Оптична активність" походить від взаємодії хіральних матеріалів з ​​поляризованим світлом. Розчин (-)-форми оптичного ізомеру повертає площину поляризації світла проти годинникової стрілки. Їх досліджував в 1815 році Жан-Батіст біоти, і ці дослідження принесли відчутну користь цукрової індустрії, аналітичної хімії та фармацевтиці. Луї Пастер в 1848 році продовжив молекулярні дослідження. Він же і придумав термін "рацемічнойпредбіологічною", що походить від латинської назви винограду.


2. Види хіральності

Бромхлорфторметан як приклад хіральних молекул.

Симетрія будь молекули визначається як наявністю тих чи інших взаємозв'язків між її структурними субодиницями, так і характером (тобто ідентичністю або неідентичність) і геометричним розташуванням. При цьому в молекулах різних класів можливі самі різні типи взаємного розташування складових їх субодиниць ( лігандів) та їх структурні поєднання. Однак, яким би не було при цьому структурний різноманітність можливих молекулярних систем, в молекулах самих різних класів завжди можна виділити те чи інше число уявних структурних елементів упорядкованості, основними з яких є точка, вісь, площину або спіраль. Пов'язані з цими елементами типи хіральності прийнято поділяти відповідно на:

  1. центральну,
  2. аксіальну,
  3. планарную,
  4. спіральну.

Поряд з цим широко відомі приклади молекул, які можуть містити відразу кілька елементів хіральності (наприклад, хіральних центрів), які одночасно є і природними елементами їх структурної впорядкованості. В цілому, у хіральних молекул є точкова хіральність, центрується навколо одного атома, у якого чотири різних заміщають групи. Про два енантіомера такої речовини кажуть, що у них різні абсолютні конфігурації навколо цього центру. Цей центр стереогенічен (тобто угруповання всередині організації молекули може вважатися фокусом стереоізомерів), і таким прикладом є α-вуглець амінокислот. У молекули може бути декілька хіральних центрів, але сама вона може бути ахіральной зважаючи елемента симетрії (дзеркальна площина або центр інверсії), який відноситься до двох або більше хіральних центрів. Така молекула називається мезоізомером. Також можливо, що молекула хіральних та без точкової хіральності. Прикладом послужить 1,1 '-бі-2-нафтол (БІНОЛ) і 1,2-діхлораллен, у яких осьова хіральність, і (E)-ціклооктен, у якого площинна хіральність. Важливо пам'ятати, що молекули, розсіяні в розчині або знаходяться в газоподібному стані, володіють значною гнучкістю, і тому можуть прийняти безліч різних структур. Ці різні структури самі по собі майже завжди хіральні. Тим не менш, при визначенні хіральності, треба обов'язково використовувати структурний зображення молекули, яке відповідає тільки одній хімічній структурі - найбільш симетричною можливої ​​структурі. Коли оптичне обертання енантіомеру занадто мало для практичного вимірювання, прийнято говорити, що спостерігається кріптохіральность. Навіть ізотопні різниці повинні враховуватися при вимірюванні хіральності. Заміна одного з двох атомів 1H на позиції CH2 бензилового спирту дейтерієм 2H атом вуглецю стає стереоцентром. Отриманий бензиловий-α-d спирт має два відмінних ізомеру, що може призначене для найменувань в стереохімії. У S-енантіомеру [α] D = +0.715 .


3. Хіральність в біології

Багато біологічні активні молекули хіральні, включаючи амінокислоти природного походження (будівельні блоки білків) і цукру. Цікаво зауважити, що в біосистемах більшість цих речовин мають одну і ту ж хіральність. Більшість амінокислот L, а цукрів - D. Типові білки природного походження, що складаються з L-амінокислот, відомі як білки лівої форми, а D-амінокислоти складають білки правої форми.

Походження гомохіральності в біології - предмет безлічі суперечок [1] [2]. Більшість учених вважає, що вибір хіральності в життя на Землі був чисто випадковим, що, можливо, заснована на вуглеці інопланетна форма життя існує десь у Всесвіті, і в ній буде інша форма хіральності. Але деякі вчені шукають фундаментальні причини вибору хіральності на Землі, такі як слабка взаємодія.

Ензими (а вони хіральні) часто різняться між двома енантіомерами хіральних субстрату. Уявіть, що у ензиму западина у формі рукавички, яка пов'язує субстрат. Якщо рукавичка як для правої руки, тоді один енантіомер увійде всередину і зв'яжеться, в той час як інший енантіомер погано увійде, і мало шансів, що зв'яжеться. D-форма амінокислот зазвичай солодка на смак, а L-форма зазвичай смаку не має. Листя перцевої м'яти і насіння кмину містять L-карвон і D-карвон відповідно - Енантіомери карвона. Вони пахнуть по-різному, оскільки нюхові рецептори більшості людей також містять хіральні молекули, які ведуть себе по-різному в присутності різних енантіомерів.


4. Хіральність у фармакології

Безліч хіральних ліків зроблені з високою енантіометріческой чистотою в зв'язку з побічними ефектами іншого енантіомеру (який може бути навіть терапевтично неактивним).

  • Талідомід : талідомід рацемічен. Один енантіомер ефективний проти нудоти, а інший тератогенічен. У цьому випадку призначення одного з енантіомерів вагітному пацієнтові не допоможе, оскільки обидва енантіомера легко перетворюються один в одного в організмі. А якщо дати людині іншої енантіомер, то і D-, та L-ізомери будуть присутні в плазмі пацієнта.
  • Етамбутол : один енантіомер використовується при лікуванні туберкульозу, інший викликає сліпоту.
  • Напроксен : один енантіомер лікує артрит, але іншого викликає отруєння печінки без аналгетичного ефекту.
  • Розташування рецепторів стероїдів також показує специфічність стереоізомерів.
  • Активність пеніциліну стереозавісіма. Антибіотик повинен наслідувати D-аланіновой ланцюгах, які присутні в клітинних стінках бактерій, щоб реагувати з ензимом транспептидази і поступово поглинати її.
  • Тільки L-анаприлін є потужним адренорецепторів, а D-анаприлін - немає. Тим не менше, в обох ізомерів анаприлина є місцевий анестезіальний ефект.
  • L-меторфан (левометорфан) - потужний опіоїд-анальгетик, а D-ізомер, декстрометорфан - діссоціатівние засіб для полегшення кашлю.
  • S- карведилол, засіб, що реагує з адренорецепторами, в 100 разів сильніше блокує β-рецептори, ніж R (+) ізомер. Але обидва ізомеру приблизно однаково блокують α-рецептори.
  • D-ізомери первітину і амфетаміну - сильні стимулятори ЦНС, а L-ізомери обох засобів позбавлені великих стимулюючих ЦНС властивостей, але замість цього стимулюють ПНС (периферичну нервову систему). Тому L-ізомер первітину доступний як засіб для застосування в ніс, а декстроізомер заборонений для використання в медичних цілях майже у всіх (за рідкісним винятком) країнах світу і строго контролюється там, де він дозволений.
  • S-амлодипін, чистий оптично активний ізомер амлодипіну, що відповідає за блокаду кальцієвих каналів і вазодилатацію.
  • левоцітірізін, RR-цітірізін, антигістамінний препарат, активний блокатор гістамінових рецепторів у складі цітірізіна.
  • S-пантапрозол, чистий оптично активний ізомер пантапрозола, вибірково блокуючий протонну помпу парієтальних клітин слизової шлунка.
  • R-рабепрозол, чистий оптично активний ізомер рабепрозола, вибірково блокуючий протонну помпу парієтальних клітин слизової шлунка.
  • дексібупрофен, чистий оптично активний ізомер ібупрофену, вибірково блокуючий циклооксигеназу.
  • декскетопрофену, чистий оптично активний ізомер кетопрофену, вибірково блокуючий циклооксигеназу.
  • есетодолак, чистий оптично активний ізомер іетодолака, вибірково і селективно блокує циклооксигеназу.
  • езомепразол, чистий оптично активний ізомер Омепрозол, вибірково блокуючий протонну помпу парієтальних клітин слизової шлунка.
  • S-метопролол, селективний блокатор бета-адренорецепторів серця і судин, виділений з рацемічного метопрололу
  • левоміцетин.
  • хінін.
  • хінідин.
  • L-лізин.
  • L-тироксин.
  • L-допа.
  • левотірацетам.
  • R-сибутрамін. Не застосовується широко (ймовірно, тільки в Індії), із за заборони FDA на використання рацемічного сибутраміну для лікування ожиріння через побічні ефекти. За даними індійських дослідників R-сибутрамін максимально позбавлений цих побічних ефектів, однак не доведена ефективність R-сибутраміну безпечно знижувати вагу.
  • L-карнітин. Використовується в харчових добавках.

5. Хіральність в неорганічної хімії

Багато комплексні сполуки хіральні, наприклад, добре відомий комплекс [Ru (2,2 '-біпірідін) 3] 2 +, в якому три ліганда біпірідіна приймають хіральних розташування у вигляді пропелера. У цьому випадку атом рутенію може вважатися стереогенічним центром в комплексі з точковою хіральність. Два енантіомери комплексів, таких як [Ru (2,2 '-біпірідін) 3] 2 +, можуть позначатися як Λ (лівоповоротні закрутка пропелера, описаного лігандами) і Δ (правоповоротних закрутка). Гексол - це хіральних кобальтосодержащій комплекс, відкритий вперше Альфредом Вернером. Твердий гексол важливий як перший речовина без вуглецю, що відображає оптичну активність.


6. Хіральність амінів

Третинні аміни хіральні за принципом, схожим з вуглецевих речовин: атом азоту несе чотири різних заміщають групи, включаю самотню пару. Тим не менш, енергетичний бар'єр інверсії стереоцентра в загальному дорівнює близько 30 кДж / моль, що означає, що два стереоізомерів швидко перетворюються одна в одну при кімнатній температурі. В результаті аміни, такі, як NHRR ', не можуть бути розпізнані за виглядом, а NRR'R'' можуть бути розпізнані, коли R, R' і R'' укладені в циклічні структури.

7. Хіральність в літературі

Хоча за часів Льюїса Керролла мало було відомо про хіральності, його робота " Аліса в Задзеркаллі "містить вгадувати відсилання до різних видів біологічної діяльності енантіометріческіх ліків:" Може, задзеркальне молоко непридатне для пиття "- сказала Аліса своїй кішці. В романі Джеймса Бліша "Спок повинен померти!" із серії "Зоряний шлях" Тахіон, дзеркальний містеру Спок, як з'ясується, вкраде хімічні реактиви з медичного відсіку і буде використовувати їх для перетворення певних амінокислот і протилежно хіральні ізомери.


8. Ахіральность і прохіральность

Відсутність хіральності позначається терміном "ахіральность". Ахіральние молекули можуть виявляти індуковану оптичну активність. Молекулу називають прохіральной, якщо вона може бути перетворена в хіральнікатастрофу заміною єдиного атома, наприклад, атома водню в СН 2 BrCl на фтор. При суміщенні в одній молекулі хіральних та прохірального фрагментів виникає явище діастереотопіі ядер, яке спостерігається в спектрах ядерного магнітного резонансу. На цьому заснований один з методів виявлення хіральності молекул.


Примітки

  1. Принцип Левинталя - Програма А. Гордона - promo.ntv.ru / programs / archive / gordon / index.jsp? part = Article & pn = 22 & arid = 4561
  2. Чи можливо спонтанне виникнення асиметрії в хімічній реакції? - chemexpress.fatal.ru / Articles / Asymmetry.htm