náhľad|Dva enantioméry všeobecnej aminokyseliny, ktoré sú chirálne V chémii sa molekula nazýva chirálnou, pokiaľ nie je možné ju zjednotiť s jej zrkadlovým obrazom žiadnou kombináciou rotácií, translácií alebo nejakými konformačnými zmenami. Táto geometrická vlastnosť sa označuje ako chiralita.Organic Chemistry (4th Edition) Paula Y. Bruice. Pearson Educational Books. Organic Chemistry (3rd Edition) Marye Anne Fox, James K. Whitesell Jones & Bartlett Publishers (2004) Tento pojem pochádza zo starogréckeho είρ (cheir), „ruka“, čo je bežný príklad objektu s touto vlastnosťou.
Chirálna molekula existuje v podobe dvoch stereoizomérov, ktoré sú vzájomne zrkadlovými obrazmi. Tieto stereoizoméry sa nazývajú enantioméry – často sa rozlišujú ako „pravotočivý“ alebo „ľavotočivý“ podľa ich absolútnej konfigurácie alebo iného kritéria. Dva enantioméry majú rovnaké chemické vlastnosti, okrem ich reaktivity s inými chirálnymi zlúčeninami. Majú zároveň i zhodné fyzikálne vlastnosti, okrem toho, že majú často opačnú optickú aktivitu. Optická aktivita enantiomérov však môže byť veľmi nízka, čo sa potom označuje ako kryptochiralita. Homogénna zmes dvoch enantiomérov v rovnakom pomere sa nazýva racemát a zvyčajne sa líši (chemicky i fyzikálne) od čistých enantiomérov. náhľad|(S)-Alanín (vľavo) a (R)-alanín (vpravo) v podobe zwitteriónov pri neutrálnom pH Chirálne molekuly majú zvyčajne stereogénny prvok, na základe ktorého chiralita vzniká. Najbežnejší typ stereogénneho prvku je stereogénne centrum (stereocentrum). V prípade organických zlúčenín sú to typicky uhlíkové atómy, na ktorých sú v tetraédrickej geometrii naviazané štyri rôzne skupiny. Pre dané stereocentrum sú dva spôsoby, ktorými je možné tieto skupiny naviazať, čím vznikajú stereoizoméry (diastereoméry a enantioméry) u molekúl s viac než jedným stereocentrom. U chirálnych molekúl s jedným alebo viacerými stereocentrami odpovedá enantioméru ten stereoizomér, v ktorom majú všetky stereocentrá opačnú konfiguráciu. Inak povedané, pre konkrétnu molekulu má pár enantiomérov opačné konfigurácie na všetkých stereocentrách. Organická zlúčenina, ktorá má len jeden stereogénny uhlík, je vždy chirálna. Oproti tomu sú zlúčeniny, ktoré majú viac stereogénnych uhlíkov, zvyčajne ale nie vždy chirálne. Totiž, ak sú stereocentrá usporiadané tak, že molekula má vnútornú rovinu symetrie, tak je molekula achirálna a označuje sa ako mezozlúčenina. Ostatné atómy, napríklad N, P, S alebo Si, môžu byť takisto stereocentrami, ak sú na nich naviazané štyri rôzne substituenty (vrátane voľného elektrónového páru).
Molekuly, ktorých chiralita pochádza z prítomnosti jedného alebo viacerých stereocentier, majú centrálnu chiralitu. Existujú ešte dva druhy stereogénnych prvkov, ktoré môžu viesť k chiralite: stereogénna os (axiálna chiralita) a stereogénna rovina (planárna chiralita). Posledným spôsobom, ktorým môže byť molekula chirálna, je kvôli jej prirodzenému zakriveniu v priestore (inherentná chiralita). Tieto druhy chirality sú však omnoho menej časté, než centrálna chiralita. BINOL je typický príklad axiálne chirálnej molekuly a trans-cyklooktén je bežný príklad planárne chirálnej molekuly. Helicén má helikálnu chiralitu, čo je jeden z druhov inherentnej chirality.
Chiralita je dôležitý koncept v stereochémii a biochémii. Väčšina zlúčenín, ktoré sú dôležité v biológii, je chirálna, napríklad sacharidy (cukry, škrob a celulóza), aminokyseliny, z ktorých sa skladajú bielkoviny, a nukleové kyseliny. V živých organizmoch sa typicky nachádza len jeden z dvoch enantiomérov chirálnej zlúčeniny. Z tohto dôvodu vedia organizmy, ktoré prijímajú chirálne zlúčeniny, spracovať zvyčajne len jeden z jeho enantiomérov. Z toho istého dôvodu majú dva enantioméry chirálneho liečiva veľmi rozdielne účinky alebo silu.
Chiralita je vnútorná vlastnosť identity molekuly, takže systematický názov musí zahŕňať detaily jej absolútnej konfigurácie (R/S, D/L alebo iné deskriptory).
Definícia Chiralita molekuly je daná molekulárnou symetriou a jej konformáciami. Konformácia molekuly je chirálna len vtedy, keď patrí do bodových grúp Cn, Dn, T, O alebo I (chirálne bodové grupy). To, či je daná molekula považovaná za chirálnu však záleží na tom, či je možné jej chirálne konformácie izolovať ako separovateľné enantioméry, aspoň teoreticky, alebo či sa tieto enantiomérne konforméry rýchlo menia z jedného na druhý pri danej teplote a v krátkych časových intervaloch vďaka nízkoenergetickým konformačným zmenám (čím sa molekula stáva achirálnou). Napríklad bután sa pri izbovej teplote považuje za achirálny, aj keď jeho gauche izomér (dihedrálny uhol definovaný štyrmi uhlíkovými atómami má hodnotu približne 60°) nie je identický s jeho zrkadlovým obrazom, pretože rotácia okolo stredovej C–C väzby je príliš rýchla, čím dochádza k premene jedného enantioméru na druhý (energetická bariéra 3,4 kcal/mol) a teda enantioméry nie je možné separovať. Podobným spôsobom sa cis-1,2-dichlórhexán nachádza v stoličkových konformáciách, ktoré sú nezjednotiteľné zrkadlové obrazy, ale jeden sa môže meniť na druhý (energetická bariéra ~10 kcal/mol). Ako ďalší príklad, amíny s tromi rôznymi substituentmi (R1R2R3N:) sú takisto považované za achirálne molekuly, pretože enantiomérna pyramídová konformácia sa rýchlo mení z jednej strany na druhú preklápaním cez planárny tranzitný stav, čím dochádza k premene jedného enantioméru na druhý (energetická bariéra ~6 kcal/mol). Ak je však teplota dostatočne nízka, je premena jedného enantioméru na druhý, kvôli ktorej sú tieto molekuly achirálne pri izbovej teplote, príliš pomalá v danom časovom intervale (zvyčajne sa 1000 sekúnd považuje za vhodný časový interval kvôli chemickej alebo chromatografickej separácii enantiomérov), vďaka čomu sa tieto molekuly stávajú chirálnymi pri nízkych teplotách. Molekuly, ktoré sú chirálne pri izbovej teplote kvôli nepovolenej rotácii okolo jednoduchej väzby (bariéra rotácie ≥ asi 23 kcal/mol) sú takzvane atropoizomérne.
Chirálne zlúčeniny nemôžu obsahovať nevlastnú os (Sn), ktorá sa skladá z osi symetrie a roviny symetrie kolmej na os. Chirálne molekuly sú vždy nesymetrické (bez Sn), ale nie vždy asymetrické (bez akýchkoľvek prvkov symetrie okrem triválnej identity). Asymetrické molekuly sú vždy chirálne.Cotton, F. A., "Chemical Applications of Group Theory," John Wiley & Sons: New York, 1990.
Nasledujúca tabuľka ukazuje príklady chirálnych a achirálnych molekúl so Schoenfliesovou notáciou bodovej grupy molekuly. U achirálnych molekúl reprezentujú X a Y (bez označenia) achirálne skupiny, zatiaľ čo XR/XS a YR/YS reprezentujú enantioméry. Na orientácii S2 osi nezáleží, pretože ide len o inverziu. Akákoľvek orientácia tejto osi je vhodná, ak prechádza stredom inverzie. Existujú aj vyššie symetrie chirálnach a achirálnych molekúl a takisto existujú symetrie iné než tie uvedené v tabuľke, napríklad chirálne C3 a achirálne S4.
+Molekulárna symetria a chiralitaRotačná os (Cn)Nevlastná rotačná os (Sn) Chirálnebez SnAchirálnezrkadlová rovina S1 = σAchirálneinverzný stred S2 = iC162x62bodC179x79bodCs117x117bodCiC2154x154bodC2(Poznámka: Táto molekula má len jednu C2 os, ktorá je kolmá na priamku tvorenú tromi uhlíkovými atómami, ale táto os nie je v rovine obrázku.)93x93bodC2v117x117bodC2h(Poznámka: Táto molekula má i zrkadlovú rovinu.)
Stereogénne centrá
Mnohé chirálne molekuly majú bodovú chiralitu, teda majú jedno chirálne stereocentrum, ktoré je zhodné s niektorým z atómov. Toto stereogénne centrum má zvyčajne štyri alebo viac väzieb na rôzne skupiny a môže to byť uhlík (ako je to vo väčšine biologických molekúl), fosfor (ako je to u organofosfátov), kremík alebo atóm kovu (ako v mnohých chirálnych koordinačných zlúčeninách). Stereogénne centrum môže byť aj trojväzbový atóm, ak jeho väzby nie sú v tej istej rovine, napríklad fosfor v P-chirálnych fosfínoch (PRR′R″) a síra v S-chirálnych sulfoxidoch (OSRR′), pretože namiesto štvrtej väzby obahujú voľný elektrónový pár.
Chiralita môže vznikať i na základe rôznych izotopov, ako napríklad u deuterovaného benzylalkoholu PhCHDOH, ktorý je chirálny a opticky aktívny ([α]D = 0.715°), aj keď nedeuterovaný PhCH2OH nie je.
Ak sa dva enantioméry ľahko menia jeden na druhý, môže byť prakticky nemožné tieto enantioméry separovať, takže je pozorovateľný len racemát. Tak je to napríklad u väčšiny amínov s troma rôznymi substituentami (NRR′R″), kvôli nízkej energetickej bariére inverzie dusíka.
Dôsledky chirality Chiralita sa prejavuje rôznymi spôsobmi:
Chuť: Umelé sladidlo aspartám má dva enantioméry. L-Aspartám je sladký, zatiaľ čo D-aspartám je bez chuti. Vôňa: (R)-Karvón vonia ako mäta, zatiaľ čo (S)-karvón vonia ako rasca. Účinnosť liekov: Antidepresívum Citalopram sa predáva ako racemát. Štúdie však preukázali, že (S) enantiomér je zodpovedný za účinok tohto lieku. Tento enantiomér sa označuje ako Escitalopram a je možné ho kúpiť i samostatne. Bezpečnosť liekov: D-Penicilamín sa používa v rámci chelačnej terapie a na liečbu reumatoidnej artritídy, zatiaľ čo L-penicilamín je toxický a inhibuje pôsobenie pyridoxínu, esenciálneho B vitamínu.
V biochémii Mnoho biologicky aktívnych zlúčenín je chirálnych, vrátane prírodných aminokyselín (stavebných blokov bielkovín) a sacharidov.
Pôvod prítomnosti enantiomérne čistých látok v biológii je téma mnohých debát. Väčšina vedcov verí, že „výber“ chirality v živote na Zemi bol náhodný a keby život založený na uhlíku existoval kdekoľvek inde vo vesmíre, teoreticky by mohol mať opačnú chiralitu. Rané aminokyseliny sa však mohli vytvoriť v prachu komét. V tomto prípade mohla cirkulárne polarizovaná radiácia (ktorá tvorí 17 % hviezdnej radiácie) selektívne zničiť aminokyseliny jednej chirality, čo by viedlo k výberu konkrétnej chirality a malo za následok entatiomérnu čistotu všetkého života na zemi.
Enzýmy, ktoré sú chirálne, často rozlišujú medzi dvoma enantiomérmi chirálneho substrátu. Dá sa povedať, že enzým má dutinu podobnú rukavici, ktorá viaže substrát. Ak je to rukavica na pravú ruku, tak jeden enantiomér sa zmestí dovnútra a bude sa viazať, ale druhý enantiomér sa do nej nezmestí a pravdepodobne sa viazať nebude.
Aminokyseliny v L konfigurácii sú zvyčajne bez chuti, zatiaľ čo D-aminokyseliny zvyknú chutiť sladko. Listy mäty obsahujú (R)-karvón a semienka rasce obsahujú (S)-karvón. Každá táto látka vonia väčšine ľudí inak, pretože receptory vône sú chirálne.
Chiralita je dôležitá i v kontexte usporiadaných fáz. Pridaním malého množstva opticky aktívnej molekuly do nematickej fázy (fázy, ktorá má molekuly zoradené podľa nejakej polárnej orientácie) sa táto váza premení na chirálnu nematickú fázu (cholesterickú fázu). Chiralita v tomto kontexte u polymérnych tekutín bola takisto študovaná.
V organickej chémii náhľad|Δ-[Ru(2,2′-bipyridine)3]2+
Chiralita je vlastnosť symetrie, nie vlastnosť ktorejkoľvek časti periodickej tabuľky. Mnoho organických materiálov, molekúl a iónov je teda chirálnych. Kremeň je jedným z príkladov zo sveta minerálov. Takéto necentrické materiály sú zaujímavé hlavne pre aplikácie v nelineárnej optike.
V prípade koordinačnej a organokovovej chémie je chiralita často pozorovaná a má svoj význam. Známou zlúčeninou je tris(bipyridín)ruténatý komplex, v ktorom majú tri bipyridínové ligandy tvar chirálnej vrtule.von Zelewsky, A. (1995). Stereochemistry of Coordination Compounds. Chichester: John Wiley.. . Dva enantioméry komplexov ako je [Ru(2,2′-bipyridín)3]2+ sa označujú ako Λ (veľká lambda, grécke písmeno ekvivalentné „L“) pre ľavotočivý variant a Δ (veľká delta, grécke písmeno ekvivalentné „D“) pre pravotočivý variant (na obrázku vpravo).
Chirálne ligandy spôsobujú chiralitu komplexov kovov, ako je to u komplexov kovov s aminokyselinami. Ak má kov katalytické vlastnosti, jeho kombinácia s chirálnymi ligandmi je základom asymetrickej katalýzy.Hartwig, J. F. Organotransition Metal Chemistry, from Bonding to Catalysis; University Science Books: New York, 2010.
Metódy a využitie