Chiralitatea este o proprietate geometrică care un obiect poate avea două imagini: una dreaptă și una stângă, care nu sunt interschimbabile; adică sunt diferite spațial, chiar dacă restul proprietăților lor sunt identice. Un obiect care prezintă chiralitate se spune pur și simplu a fi „chiral”.
Mâinile drepte și stângi sunt chirale: una este reflectarea (imaginea în oglindă) a celeilalte, dar nu sunt aceleași, întrucât atunci când așezați una deasupra celeilalte, degetele lor nu coincid.
Sursa: Gabriel Bolívar
Mai mult decât o oglindă, pentru a ști dacă un obiect este chiral, trebuie pusă următoarea întrebare: are „versiuni” atât pentru partea stângă cât și pentru cea dreaptă?
De exemplu, un birou din stânga și unul din dreapta sunt obiecte chiral; două vehicule cu același model, dar cu volanul la stânga sau la dreapta; o pereche de pantofi, precum și picioare; scări în spirală în direcția stângă și în direcția corectă etc.
Și în chimie, moleculele nu fac excepție: ele pot fi și chirale. Imaginea arată o pereche de molecule cu geometrie tetraedrică. Chiar dacă cea din stânga este întoarsă și sferele albastre și violet sunt făcute la atingere, sferele maro și verde vor „privi” din plan.
Ce este chiralitatea?
Cu moleculele nu este atât de ușor să definim care este „versiunea” stângă sau dreaptă doar uitându-le la ele. Pentru aceasta, chimiștii organici apelează la configurațiile Cahn-Ingold-Prelog (R) sau (S) sau în proprietatea optică a acestor substanțe chirale de a roti lumina polarizată (care este și un element chiral).
Cu toate acestea, nu este dificil să se stabilească dacă o moleculă sau un compus este chiral doar analizând structura sa. Care este caracteristica izbitoare a perechii de molecule din imaginea de mai sus?
Are patru substituenți diferiți, fiecare având propria culoare caracteristică, de asemenea geometria din jurul atomului central este tetraedrică.
Dacă într-o structură există un atom cu patru substituenți diferiți, se poate afirma (în majoritatea cazurilor) că molecula este chirală.
Atunci se spune că în structură există un centru de chiralitate sau centru stereogen. Acolo unde există, va exista o pereche de stereoizomeri cunoscuți sub denumirea de enantiomeri.
Cele două molecule din imagine sunt enantiomeri. Cu cât este mai mare numărul centrilor chirali pe care îl are un compus, cu atât diversitatea spațială este mai mare.
Atomul central este în general un atom de carbon în toate biomoleculele și compușii cu activitate farmacologică; cu toate acestea, poate fi și unul dintre fosfor, azot sau un metal.
Exemple de chiralitate
Centrul de chiralitate este poate unul dintre cele mai importante elemente pentru a determina dacă un compus este chiral sau nu.
Cu toate acestea, există și alți factori care pot trece neobservat, dar în modelele 3D, acestea dezvăluie o imagine în oglindă care nu poate fi suprapusă.
Pentru aceste structuri se spune atunci că în loc de centru au alte elemente de chiralitate. În acest sens, prezența unui centru asimetric cu patru substituenți nu mai este suficientă, dar restul structurii trebuie, de asemenea, analizat cu atenție; și astfel să fie capabil să diferențieze un stereoizomer de altul.
Axial
Sursa: Jü, de la Wikimedia Commons
Compușii arătați în imaginea de mai sus pot părea plane cu ochiul liber, dar chiar nu sunt. În stânga este structura generală a unei alene, unde R denumește cei patru substituenți diferiți; și la dreapta, structura generală a unui compus bifenil.
Capătul unde R 3 și R 4 se întâlnesc pot fi vizualizate ca un „fin“ , perpendiculară pe planul în care R 1 și R 2 minciună .
În cazul în care un observator analizează astfel de molecule prin poziționarea ochiului , în fața primului carbon atașat la R 1 și R 2 (pentru alena), ei vor vedea R 1 și R 2 pe laturile din stânga și dreapta, și R 4 și R 3 pe partea de sus și de jos.
În cazul în care R 3 și R 4 rămân fixe, dar R 1 este deplasat spre dreapta, și R 2 la stânga, atunci vom avea o altă „versiune spațială“.
Aici observatorul poate concluziona că a găsit o axă de chiralitate pentru alenă; același lucru este valabil și pentru bifenil, dar și pentru inelele aromatice implicate în vedere.
Șuruburi inelare sau Helicity
Sursa: Sponk, de la Wikimedia Commons
Rețineți că, în exemplul anterior, axa chiralității se află în scheletul C = C = C, pentru alenă și în legătura Ar-Ar, pentru bifenil.
Pentru compușii de mai sus numiți heptahelcene (pentru că au șapte inele), care este axa lor de chiralitate? Răspunsul este dat în aceeași imagine de mai sus: axa Z, cea a elicei.
Prin urmare, pentru a distinge un enantiomer de la altul, trebuie să privești aceste molecule de sus (de preferință).
În acest fel, poate fi detaliat faptul că un heptahelicen se rotește în sensul acelor de ceasornic (partea stângă a imaginii), sau în sensul acelor de ceasornic (partea dreaptă a imaginii).
planar
Să presupunem că nu mai aveți o helenă, ci o moleculă cu inele necoplanare; adică unul este situat deasupra sau sub celălalt (sau nu sunt pe același plan).
Aici caracterul chiral nu se sprijină atât pe inel, ci pe substituenții săi; aceștia definesc fiecare dintre cele două enantiomere.
Sursa: Anypodetos, autorul fișierului PNG original: EdChem, de la Wikimedia Commons
De exemplu, în ferocenul din imaginea superioară, inelele care „sandwich” atomul de Fe nu se schimbă; dar orientarea spațială a inelului cu atomul de azot și grupul -N (CH 3 ) 2 o face .
În imagine grupul -N (CH 3 ) indică 2 spre stânga, dar în enantiomerul său va indica spre dreapta.
Alții
Pentru macromolecule sau cele cu structuri singulare, imaginea începe să se simplifice. De ce? Deoarece din modelele lor 3D se poate vedea din ochiul păsării dacă sunt chiral sau nu, așa cum se întâmplă cu obiectele din exemplele inițiale.
De exemplu, un nanotub de carbon poate afișa modele de viraje la stânga și, prin urmare, este chiral dacă există unul identic, dar cu viraje la dreapta.
La fel se întâmplă și cu alte structuri în care, în ciuda faptului că nu au centre de chiralitate, dispunerea spațială a tuturor atomilor lor poate lua forme chirale.
Vorbim atunci de o chiralitate inerentă, care nu depinde de un atom, ci de ansamblu.
O modalitate chimică de a diferenția „imaginea din stânga” de cea dreaptă este printr-o reacție stereoselectivă; adică unul în care poate apărea doar cu un enantiomer, în timp ce nu cu celălalt.
Referințe
- Carey F. (2008). Chimie organica. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2018). Chiralitate (chimie). Recuperat de la: en.wikipedia.org
- Advameg, Inc. (2018). Chirality. Recuperat de la: chemistryexplained.com
- Steven A. Hardinger și Harcourt Brace & Company. (2000). Stereochimia: determinarea chiralității moleculare. Recuperat din: chem.ucla.edu
- Universitatea Harvard. (2018). Chiralitate moleculară. Recuperat din: rowland.harvard.edu
- Universitatea de Stat din Oregon. (14 iulie 2009). Chiralitate: Obiecte Chiral și Achiral. Recuperat din: science.oregonstate.edu