Хиральность и оптическая активность

Молекулы, в которых имеется хотя бы один атом углерода, соединенный с четырьмя различными заместителями, называются асимметрическими или хиральными. Другими словами, это  молекулы, не имеющие ни центра, ни плоскости симметрии.

Хиральность (др.-греч. χειρ — рука) — свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета — руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве.

Теперь нам необходимо познакомиться с представлением о поляри­зованном свете, поскольку это явление используется для изучения и опи­сания хиральных молекул. Свет становится плоскополяризованным в ре­зультате прохождения обычного света через поляризатор.

Если пропускать плоскополяризованный свет через раствор хирального вещества, плоскость, в которой происходят колебания, начинает вращаться. Вещества, которые вызывают такое вращение, называются оптически активными. Угол вращения измеряют прибором, который на­зывается поляриметр (или анализатор).

Способность какого-либо вещества вращать плоскость поляризации света характеризуют удельным вращением. Удельное вращение определя­ют как угол вращения плоскости поляризации раствором, содержащим в 1 мл 1 г оптически активного вещества при длине трубки 0,1 м. Наблю­даемый угол вращения зависит от длины трубки (чем больше длина, тем больше вращение) и от концентрации (обычно чем ниже концентрация, тем меньше вращение).

Если плоскость поляризации вращается вправо (по часовой стрелке) от наблюдателя, соединение называют правовращающим, а удельное вра­щение записывают со знаком (+). При вращении влево (против часовой стрелки) соединение называют левовращающим, а удельное вращение за­писывают со знаком (-).

Посмотрим, как связана оптическая активность с молекулярным строением вещества. Ниже приведено пространственное изображение хиральной молекулы и ее зеркального отражения:

Оптические изомеры (энантиомеры)

На первый взгляд может показаться, что это одна и та же молекула, изображенная по-разному. Однако, если Вы соберете модели обеих форм и попытаетесь совместить их так, чтобы все атомы совпали друге другом, Вы быстро убедитесь, что это невозможно, т. е. оказывается, что молеку­ла несовместима со своим зеркальным отражением.

Таким образом, две хиральные молекулы, относящиеся друг к дру­гу как предмет и его зеркальное изображение, не тождественны. Эти мо­лекулы (вещества) являются изомерами, получившими название энантиомеров или оптических изомеров. Большинство химических и физических свойств пары энантиомеров идентичны. Это относится к температурам кипения и плавления, плотности, поверхностному натяжению, растворимости, устойчивости и реакционной способности по отношению к большинству реагентов.

Энантиомеры, однако, отличаются друг от друга в двух отношениях.

1) Они по-разному действуют на плоскополяризованный свет. Один энантиомер вращает плоскость поляризации света в одном направлении на определенную величину. Другой энантиомер будет вращать плоскость поляризации на точно такую же ве­личину, но в противоположном направлении.

2) Энантиомеры по-разному реагируют с другими хиральными моле­кулами, в частности с веществами природного происхождения, образую­щимися в биологических объектах. Например, если один из энантиомеров токсичен, то другой может и не обладать этим свойством. Если один из энантиомеров представляет собой витамин, то второй такими свойствами не обладает. Эти различия в биохимических свойствах энантиомеров связа­ны с тем, что биохимические процессы в живом организме катализируются ферментами (энзимами). Ферменты представляют собой хиральные соеди­нения белковой природы. Для того чтобы соединение было биологически активным, его геометрия должна соответствовать строению определенно­го участка фермента.
Итак, подведем итоги:
Молекулы, не имеющие элементов симметрии, называются хиральными. Эти молекулы обладают необычным свойством — спо­собностью вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света.
Изомеры, молекулы которых хиральны и являют­ся зеркальными изображениями друг друга, называются энантиомерами.
Энантиомеры имеют идентичные физические и хими­ческие свойства и различаются только направлением вращения плоскости поляризации света и характером взаимодействия с другими хиральными веществами, например ферментами.