Хиральность и оптическая активность

Хиральность - это фундаментальное понятие в стереохимии, поддисциплине органической химии, которая занимается пространственным расположением атомов в молекулах. Понимание хиральности и её связи с оптической активностью важно для понимания того, как молекулы различаются по структуре и функции, несмотря на одинаковый атомный состав.

Что такое хиральность?

Хиральность происходит от греческого слова "χείρ" (cheir), означающего "рука". Подобно тому как наши левая и правая руки являются зеркальными отображениями друг друга, но не могут быть наложены друг на друга, хиральные объекты обладают аналогичной асимметрией.

В химии считается, что молекула хиральна, если она не может быть наложена на своё зеркальное отражение. Это обычно связано с наличием асимметричного или хирального центра, обычно углеродного атома, связанного с четырьмя различными заместителями.

Хиральный центр

Наиболее распространённым источником хиральности в органических молекулах является тетраэдрический углеродный атом, связанный с четырьмя различными заместителями. Рассмотрим молекулу с хиральным центром:

Хиральный углерод (C*)
   ,
  R1 - C* - R2
   ,
  R3
   ,
  R4
    

В этой структуре C* обозначает хиральный углерод, который связан с четырьмя различными группами, представленными R1, R2, R3 и R4

Энантиомеры

Если молекула является хиральной, у неё есть неспособное наложиться зеркальное отображение, называемое энантиомером. Энантиомеры - это виды стереоизомеров, которые имеют такую же молекулярную формулу и порядок связей атомов, но различаются в трёхмерной ориентации.

Возьмём, к примеру, простую аминокислоту:

Энантиомер 1 (D-аланин)
   H
   ,
  COOH - C* - NH2
   ,
   CH3

Энантиомер 2 (L-аланин)
   H
   ,
  COOH - C* - NH2
   ,
   CH3
    

Эти две структуры являются зеркальными изображениями друг друга и не могут быть идеально совмещены. Они являются энантиомерами, и их пространственное расположение отличается.

Оптическая активность

Оптическая активность - это способность хирального вещества вращать плоскость поляризации поляризованного света. Это свойство возникает потому, что хиральные молекулы по-разному взаимодействуют с светом из-за своего пространственного расположения.

Поляризованный свет

Обычный свет вибрирует во всех направлениях, перпендикулярных направлению движения. В противоположность этому, поляризованный свет вибрирует только в одном направлении. Когда поляризованный свет проходит через оптически активное соединение, угол света вращается.

Плоскополяризованный свет -> [хиральное соединение] -> вращённый свет
    

Измерение оптического вращения

Степень вращения света может быть измерена с помощью поляриметра. Специфическое вращение [α] рассчитывается по формуле:

[α] = α / (L * C)
    

Где:

• α = наблюдаемый угол вращения
• l = длина ячейки образца (дм)
• c = концентрация раствора (г/мл)

Рацемическая смесь

Рацемические смеси содержат оба энантиомера хиральной молекулы в равных количествах. Оптическая активность одного энантиомера компенсируется другим, делая смесь оптически неактивной.

Значение хиральности в химии

Хиральность не только тема академического интереса, но также имеет важные практические последствия. Многие биологические молекулы хиральны, и часто только один энантиомер является биологически активным или желаем в лекарственном или биохимическом процессе.

Например, энантиомеры лимонена имеют разные запахи: один пахнет апельсинами, а другой пахнет лимонами. Кроме того, лекарство талидомид, чей использование одного энантиомера вызвало врождённые дефекты, подчеркивает важность хиральности в разработке лекарств.

Хиральность в разработке лекарств

Фармацевтические препараты часто требуют специфических энантиомеров. Один хиральный центр может изменить то, как лекарство взаимодействует с биологическими целевыми молекулами, влияя на эффективность и безопасность препарата. Поэтому химики пытаются синтезировать чистые энантиомеры для использования в медицине.

Визуализация хиральности: Другой пример

Кроме химических структур, хиральность можно объяснить с помощью геометрических форм:

Тетраэдр с 4 разными цветами
    Хей
   ,
  ,
 R1 R2 R3 R4
    

В приведенной выше 3D модели центральная точка пирамиды является хиральным центром, и каждая вершина представляет разные заместители.

Графический пример хиральности

Заключение

Понятия хиральности и оптической активности в стереохимии являются необходимыми для понимания вариации и специфичности в молекулярном поведении, особенно в биологических системах и фармацевтике. Распознавание и манипуляция хиральностью позволяет химикам разрабатывать молекулы с необходимыми функциональностями и свойствами, что распространяется на многие области, включая разработку лекарств, синтетические методы и материаловедение.

Комментарии