Хиральность

Хиральность — это свойство объекта (геометрической фигуры, молекулы, кристалла, макроскопической структуры) быть несовместимым со своим зеркальным отражением при помощи любой комбинации вращений и переносов в пространстве. Простыми словами, хиральный объект и его зеркальное отражение не могут быть совмещены друг с другом, как правая и левая руки человека (от греческого cheir — рука). Объект, который можно совместить со своим зеркальным отражением, называется ахиральным.

История открытия

Первое систематическое описание явления хиральности в химии принадлежит Луи Пастеру. В 1848 году, изучая кристаллы виноградной кислоты, он вручную разделил их на две группы, являющиеся зеркальными отражениями друг друга. Пастер обнаружил, что растворы этих кристаллов вращают плоскость поляризованного света в противоположные стороны. Это открытие заложило основы стереохимии.

В 1874 году Якоб Хендрик Вант-Гофф и Жозеф Ле Бель независимо друг от друга предложили тетраэдрическую модель атома углерода, объяснившую существование хиральных молекул. Они показали, что если атом углерода связан с четырьмя различными заместителями, то такая молекула существует в виде двух зеркальных изомеров — энантиомеров.

Термин «хиральность» был введён в научный обиход лордом Кельвином (Уильямом Томсоном) в 1894 году в его лекциях по молекулярной динамике. Кельвин определил хиральность как свойство объекта, который не может быть совмещён со своим зеркальным отражением.

Классификация хиральных объектов

По типу элемента хиральности

В химии и физике различают несколько типов хиральности в зависимости от геометрического элемента, ответственного за её возникновение:

• Центральная хиральность — наиболее распространённый тип, связанный с наличием асимметрического атома (чаще всего углерода, но также кремния, фосфора, серы). Такой атом связан с четырьмя различными заместителями. Пример: аминокислота аланин.
• Осевая хиральность — возникает, когда четыре заместителя расположены не вокруг точки, а вдоль оси. Характерна для алленов (соединений с двумя двойными связями у одного атома углерода), некоторых бифенилов (где вращение вокруг связи между двумя бензольными кольцами затруднено) и спиросоединений.
• Плоскостная хиральность — наблюдается, когда молекула имеет плоскость, которая не является плоскостью симметрии, но при этом заместители расположены «над» и «под» этой плоскостью таким образом, что зеркальное отражение не совпадает с оригиналом. Пример: производные ферроцена с заместителями в одном кольце.
• Спиральная хиральность — свойство, присущее объектам, имеющим форму спирали (винта). Вращение спирали по часовой или против часовой стрелки определяет её хиральность. Примеры: спиральные молекулы гелиценов, вторичная структура ДНК (двойная спираль), белки с альфа-спиралью.

По оптической активности

Хиральные вещества, как правило, обладают оптической активностью — способностью вращать плоскость поляризации проходящего через них света. По этому признаку различают:

• Правовращающие (+) — вращают плоскость поляризации по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу).
• Левовращающие (-) — вращают плоскость поляризации против часовой стрелки.

Важно отметить, что знак вращения не связан напрямую с абсолютной конфигурацией молекулы (R/S-номенклатурой).

По абсолютной конфигурации

Для описания пространственного расположения заместителей у хирального центра используется система R/S-номенклатуры (правила Кана-Ингольда-Прелога). Атом или группа с наименьшим атомным номером (обычно водород) располагается за плоскостью рисунка. Затем три оставшиеся группы ранжируются по старшинству (по атомному номеру или массе). Если при обходе от старшей к средней и затем к младшей группе движение происходит по часовой стрелке, конфигурация обозначается как R (от лат. rectus — правый), если против — S (от лат. sinister — левый).

Хиральность в химии

Энантиомеры и диастереомеры

• Энантиомеры — это пара молекул, являющихся зеркальными отражениями друг друга и несовместимых в пространстве. Они обладают одинаковыми физическими свойствами (температура плавления, кипения, растворимость в нехиральных растворителях), но различаются по оптической активности и взаимодействию с другими хиральными объектами.
• Диастереомеры — это стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отражениями друг друга. Они возникают, когда в молекуле есть два или более хиральных центра. Диастереомеры имеют разные физические и химические свойства, что позволяет разделять их обычными методами (например, перегонкой или кристаллизацией).

Разделение рацематов

Смесь равных количеств двух энантиомеров называется рацематом (или рацемической смесью). Рацемат оптически неактивен. Разделение рацемата на индивидуальные энантиомеры (разрешение) — сложная задача, так как энантиомеры имеют одинаковые физические свойства. Основные методы:

• Хиральное разделение — использование хиральных колонок в хроматографии.
• Ферментативное разделение — использование ферментов, которые обладают высокой стереоселективностью и реагируют только с одним из энантиомеров.
• Образование диастереомерных солей — взаимодействие рацемата с хиральным реагентом (например, хиральной кислотой или основанием), в результате чего образуются две соли-диастереомеры, которые уже можно разделить кристаллизацией.

Хиральность в биологии

Хиральность играет фундаментальную роль в биохимии. Живые организмы построены из хиральных молекул, причём практически исключительно из одного энантиомера. Это явление называется гомохиральностью (или хиральной чистотой) жизни.

• Аминокислоты: все природные аминокислоты, входящие в состав белков, имеют L-конфигурацию (за исключением глицина, который ахирален).
• Сахара: все природные моносахариды (глюкоза, рибоза, дезоксирибоза) имеют D-конфигурацию.
• ДНК: двойная спираль ДНК закручена в правую сторону (B-форма).
• Ферменты и рецепторы: ферменты и рецепторы организма хиральны. Они распознают и связываются только с одним из энантиомеров субстрата или лекарства. Другой энантиомер может быть неактивен, менее активен или даже токсичен.

Хиральность в фармакологии

Различие в биологической активности энантиомеров имеет критическое значение для разработки лекарств. Это привело к появлению понятия хиральный переключатель — переход от продажи рацемического лекарства к продаже одного, более активного и безопасного энантиомера.

Известные примеры:

• Талидомид: в 1950-60-х годах это лекарство назначали беременным как успокоительное и средство от тошноты. Один энантиомер (R-талидомид) обладал терапевтическим эффектом, а другой (S-талидомид) вызывал тяжёлые врождённые уродства. Трагедия с талидомидом стала мощным стимулом для развития стереохимии и фармакологии.
• Ибупрофен: существует в виде двух энантиомеров, но только S-ибупрофен обладает противовоспалительным действием. R-ибупрофен в организме человека может медленно превращаться в S-форму.
• Эсциталопрам: активный S-энантиомер антидепрессанта циталопрама, который обладает более высокой эффективностью и меньшим количеством побочных эффектов, чем рацемическая смесь.

Хиральность в физике

В физике хиральность рассматривается как фундаментальное свойство частиц и полей. Она тесно связана с понятием спина.

• Нейтрино: в Стандартной модели физики элементарных частиц все нейтрино являются левыми (их спин направлен против направления движения), а все антинейтрино — правыми. Это свойство является следствием слабого взаимодействия, которое нарушает чётность (P-симметрию).
• Киральность (физика высоких энергий): в квантовой теории поля хиральность — это лоренц-инвариантная характеристика поля, связанная с тем, как поле преобразуется при отражении пространства. Она различает левые и правые компоненты дираковского спинора.
• Оптическая активность: в классической физике хиральность среды приводит к эффекту вращения плоскости поляризации света (оптическая активность) и круговому дихроизму (различное поглощение лево- и правополяризованного света).

Хиральность в технике и материаловедении

Хиральность находит применение в материаловедении и технике:

• Метаматериалы: создание хиральных метаматериалов позволяет добиться отрицательного показателя преломления, что открывает путь к созданию «плащей-невидимок» и суперлинз.
• Жидкие кристаллы: хиральные жидкие кристаллы (например, холестерические) образуют спиральные структуры, которые используются в дисплеях и термометрах.
• Катализ: хиральные катализаторы (как гомогенные, так и гетерогенные) используются для стереоселективного синтеза — получения одного энантиомера в чистом виде. Это основа современной фармацевтической промышленности.

Интересные факты

• В 1990-х годах было обнаружено, что некоторые кристаллы кварца бывают левыми и правыми. При этом левые и правые кристаллы кварца могут вращать плоскость поляризации света в противоположные стороны.
• В 1969 году была обнаружена хиральность в космосе — поляризация излучения от некоторых космических объектов (например, Крабовидной туманности) указывает на наличие хиральных молекул в межзвёздной среде.
• Существует гипотеза, что хиральная асимметрия жизни (гомохиральность) могла возникнуть под действием поляризованного света от нейтронных звёзд или в результате асимметрии слабого взаимодействия.

Источники

1. Пастер Л. «Исследования о молекулярной асимметрии». 1848.
2. Вант-Гофф Я. Х. «Химия в пространстве». 1874.
3. Кельвин У. «Лекции по молекулярной динамике». 1894.
4. Элиэль Э., Уиллен С. «Основы стереохимии». 1994.
5. Ногарди М., Бабич Б. «Стереохимия: основные понятия и приложения». 2015.
6. Бойд Д. Б. «Хиральность в фармакологии и токсикологии». 2001.