Den chiralitet er en geometrisk egenskab, at et objekt kan have to billeder: et højre og et venstre, som ikke er indbyrdes udskiftelige; det vil sige, de er rumligt forskellige, selvom resten af deres egenskaber er identiske. Et objekt, der udviser chiralitet, siges ganske enkelt at være 'chiralt'.
Højre og venstre hænder er chirale: den ene er afspejling (spejlbillede) af den anden, men de er ikke de samme, da når man placerer den ene oven på den anden, falder deres tommelfinger ikke sammen.
Kilde: Gabriel Bolívar
Mere end et spejl, for at vide, om et objekt er chiralt, skal følgende spørgsmål stilles: har det "versioner" til både venstre og højre side?
For eksempel er et venstrehåndsskrivebord og et højrehåndet chirale genstande; to køretøjer af samme model, men med rattet til venstre eller højre; et par sko samt fødder; spiraltrapper i venstre retning og i højre retning osv.
Og inden for kemi er molekyler ingen undtagelse: de kan også være chirale. Billedet viser et par molekyler med tetrahedral geometri. Selv hvis den til venstre vendes, og de blå og lilla kugler bliver gjort til at røre ved, vil de brune og grønne kugler "se" ud af flyet.
Hvad er chiralitet?
Med molekyler er det ikke så let at definere, hvilken er den venstre eller højre "version" bare ved at se på dem. Til dette tager organiske kemikere sig til Cahn-Ingold-Prelog (R) eller (S) -konfigurationer eller i den optiske egenskab ved disse chirale stoffer for at rotere polariseret lys (som også er et chiralt element).
Det er imidlertid ikke vanskeligt at bestemme, om et molekyle eller en forbindelse er chiral bare ved at se på dens struktur. Hvad er det slående træk ved parret molekyler på billedet ovenfor?
Det har fire forskellige substituenter, hver med sin egen karakteristiske farve, og også geometrien omkring det centrale atom er tetraedrisk.
Hvis der i en struktur findes et atom med fire forskellige substituenter, kan det siges (i de fleste tilfælde), at molekylet er chiralt.
Derefter siges det, at der i strukturen er et center for chiralitet eller stereogent centrum. Hvor der er en, vil der være et par stereoisomerer kendt som enantiomerer.
De to molekyler på billedet er enantiomerer. Jo større antallet af chirale centre, som en forbindelse har, jo større er dens rumlige mangfoldighed.
Det centrale atom er generelt et carbonatom i alle biomolekyler og forbindelser med farmakologisk aktivitet; det kan dog også være et fosfor, nitrogen eller et metal.
Eksempler på chiralitet
Centrum for chiralitet er måske et af de vigtigste elementer i afgørelsen af, om en forbindelse er chiral eller ikke.
Der er dog andre faktorer, der kan gå upåaktet hen, men i 3D-modeller afslører de et spejlbillede, der ikke kan overlejres.
For disse strukturer siges det så, at i stedet for centret har de andre elementer af chiralitet. Med dette i tankerne er tilstedeværelsen af et asymmetrisk centrum med fire substituenter ikke længere nok, men resten af strukturen skal også analyseres omhyggeligt; og således være i stand til at differentiere en stereoisomer fra en anden.
Axial
Kilde: Jü, fra Wikimedia Commons
Forbindelser, der er vist på billedet ovenfor, kan se flade ud for det blotte øje, men det er de virkelig ikke. Til venstre er den generelle struktur for en allen, hvor R betegner de fire forskellige substituenter; og til højre den generelle struktur af en biphenylforbindelse.
Den ende, hvor R 3 og R 4 mødes kunne visualiseres som en "finne" vinkelret på planet, hvor R 1 og R 2 ligger.
Hvis observatøren analyser sådanne molekyler ved at placere øjet foran det første carbon bundet til R 1 og R 2 (for allen), vil han se R 1 og R 2 på venstre og højre side, og R 4 og R 3 på top og bund.
Hvis R 3 og R 4 forbliver fast, men R 1 er flyttet til højre, og R 2 til venstre, så vil vi have en anden ”rumlig udgave”.
Det er her observatøren derefter kan konkludere, at han fandt en chiralitetsakse for allene; det samme gælder biphenyl, men med de aromatiske ringe, der er involveret i synet.
Ringskruer eller helicitet
Kilde: Sponk, fra Wikimedia Commons
Bemærk, at i det foregående eksempel lå chiralitetsaksen i C = C = C-skelet, for allene og i Ar-Ar-bindingen, for biphenyl.
For forbindelserne ovenfor kaldet heptahelcenes (fordi de har syv ringe), hvad er deres chiralitetsakse? Svaret er givet på det samme billede ovenfor: Z-aksen, propellens.
For at skelne en enantiomer fra en anden skal du derfor se på disse molekyler ovenfra (helst).
På denne måde kan det detaljeres, at en heptahelicen roterer med uret (venstre side af billedet) eller mod uret (højre side af billedet).
planar
Antag, at du ikke længere har en helikopter, men et molekyle med ikke-coplanære ringe; det ene er placeret over eller under den anden (eller de er ikke i samme plan).
Her hviler den chirale karakter ikke så meget på ringen, men på dens substituenter; det er disse, der definerer hver af de to enantiomerer.
Kilde: Anypodetos, forfatter af den originale PNG-fil: EdChem, fra Wikimedia Commons
For eksempel i ferrocen i det øverste billede ændrer ringe, der "sandwich" Fe-atomet ikke; men den rumlige orientering af ringen med nitrogenatomet og gruppen -N (CH 3) 2 gør.
På billedet peger gruppen -N (CH 3) 2 mod venstre, men i sin enantiomer peger den mod højre.
Andre
For makromolekyler eller dem med entallstrukturer begynder billedet at forenkles. Hvorfor? Fordi det fra deres 3D-modeller kan ses fra fugleperspektivet, om de er chirale eller ikke, som det sker med objekterne i de første eksempler.
For eksempel kan en carbon nanorør vise mønstre af sving til venstre, og derfor er det chiralt, hvis der er en identisk en, men med sving til højre.
Det samme sker med andre strukturer, hvor det rumlige arrangement af alle deres atomer, selv om de ikke har centre for chiralitet, kan have en kiral form.
Vi taler derefter om en iboende chiralitet, der ikke afhænger af et atom, men i det store og hele.
En kemisk kraftfuld måde at differentiere det "venstre billede" fra det højre er gennem en stereoselektiv reaktion; det vil sige en, hvor den kun kan forekomme med en enantiomer, mens ikke med den anden.
Referencer
- Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjette udgave). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2018). Kiralitet (kemi). Gendannet fra: en.wikipedia.org
- Advameg, Inc. (2018). Chiralitet. Gendannes fra: chemistryexplained.com
- Steven A. Hardinger og Harcourt Brace & Company. (2000). Stereokemi: Bestemmelse af molekylær chiralitet. Gendannes fra: chem.ucla.edu
- Harvard Universitet. (2018). Molekylær chiralitet. Gendannes fra: rowland.harvard.edu
- Oregon State University. (14. juli 2009). Chirality: Chiral & Achiral Objects. Gendannes fra: science.oregonstate.edu