Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Хиральность (значения) .
Два энантиомеров общей аминокислоты , которая является хиральной

Хиральность / к aɪ г æ л ɪ т я / это свойство асимметрии важно в ряде отраслей науки. Слово хиральность происходит от греческого χειρ ( kheir ), «рука», знакомого кирального объекта.

Объект или система являются хиральными, если их можно отличить от зеркального отображения ; то есть на него нельзя накладывать . И наоборот, зеркальное отображение ахирального объекта, такого как сфера, нельзя отличить от объекта. Хиральный объект и его зеркальное отображение называются энантиоморфами (греч. «Противоположные формы») или, когда речь идет о молекулах, энантиомерами . Нехиральный объект называется ахиральным (иногда также амфихиральным ) и может накладываться на его зеркальное отображение.

Этот термин впервые был использован лордом Кельвином в 1893 году во второй лекции Роберта Бойля в Молодежном научном клубе Оксфордского университета, которая была опубликована в 1894 году:

Я называю любую геометрическую фигуру или группу точек «киральными» и говорю, что они обладают хиральностью, если их изображение в плоском зеркале, идеально реализованное, не может совпадать с самим собой. [1]

Человеческие руки , возможно, являются наиболее общепризнанным примером хиральности. Левая рука - неперекрывающееся зеркальное отображение правой руки; независимо от того, как ориентированы две руки, невозможно, чтобы все основные черты обеих рук совпадали по всем осям. [2] Это различие в симметрии становится очевидным, если кто-то попытается пожать правую руку человека левой рукой или если левую перчатку надеть на правую руку. В математике хиральность - это свойство фигуры, не совпадающей с ее зеркальным отображением. Молекула называется хиральной, если вся ее валентность занята другим атомом или группой атомов.

Математика [ править ]

Таблица всех простых узлов с семью или менее пересечениями (не включая зеркальные изображения).
Основная статья: Хиральность (математика)

В математике , фигура хиральна (и говорят, хиральность) , если он не может быть сопоставлен с его зеркальным изображением с помощью поворотов и сдвигов в одиночку. Например, правая обувь отличается от левой, а по часовой стрелке отличается от против часовой стрелки. Полное математическое определение см. В [3] .

Хиральный объект и его зеркальное отображение называются энантиоморфами. Слово энантиоморф происходит от греческого ἐναντίος ( enantios ) «противоположность» + μορφή (morphe) «форма». Некиральная фигура называется ахиральной или амфихиральной.

Спирали (и расширением фильерного строки, винт, пропеллер, и т.д.) и Мёбиусово полосы представляют собой хиральные двумерные объекты в трехмерном окружающем пространстве. J, L, S и Z-образные тетромино популярной видеоигры Tetris также демонстрируют хиральность, но только в двухмерном пространстве.

Многие другие знакомые объекты демонстрируют ту же хиральную симметрию человеческого тела, как перчатки, очки (где две линзы различаются по назначению) и обувь. Подобное понятие киральности рассматривается в теории узлов , как описано ниже.

Некоторым хиральным трехмерным объектам, таким как спираль, можно приписать правую или левую сторону в соответствии с правилом правой руки .

Геометрия [ править ]

В геометрии фигура является ахиральной, если - и только если - ее группа симметрии содержит по крайней мере одну изометрию, обращающую ориентацию . В двух измерениях каждая фигура, имеющая ось симметрии, является ахиральной, и можно показать, что каждая ограниченная ахиральная фигура должна иметь ось симметрии. В трех измерениях каждая фигура, имеющая плоскость симметрии или центр симметрии, ахиральна. Однако есть ахиральные фигуры, у которых отсутствует как плоскость, так и центр симметрии. Что касается точечных групп , у всех киральных фигур отсутствует неправильная ось вращения (S n). Это означает, что они не могут содержать центр инверсии (i) или зеркальную плоскость (σ). Только фигуры с обозначением группы точек C 1 , C n , D n , T, O или I могут быть хиральными.

Теория узлов [ править ]

Узел называется ахирален , если оно может быть непрерывно деформировать в его зеркальном изображение, в противном случае она называется хиральной. Например, узелок и узел в форме восьмерки являются ахиральными, а узел-трилистник - хиральным.

Физика [ править ]

Анимация правостороннего (по часовой стрелке) света с круговой поляризацией , определяемого с точки зрения приемника в соответствии с оптическими соглашениями .
Основная статья: Хиральность (физика)

В физике хиральность может быть обнаружена во вращении частицы, где хиральность объекта определяется направлением, в котором вращается частица. [4] Не путать со спиральностью , которая представляет собой проекцию спина на линейный импульс субатомной частицы, хиральность - это внутреннее квантово-механическое свойство, такое как спин. Хотя и хиральность, и спиральность могут иметь левосторонние или правосторонние свойства, только в безмассовом случае они идентичны. [5] В частности, для безмассовой частицы спиральность такая же, как и киральность, а для античастицы они имеют противоположный знак.

Рукость в оба хиральности и спиральностях связана с вращением частицы в то время как она протекает в линейном движении со ссылкой на человеческие руки. Большой палец руки указывает в направлении линейного движения, в то время как пальцы сгибаются в ладонь, представляя направление вращения частицы (то есть по часовой стрелке и против часовой стрелки). В зависимости от линейного и вращательного движения частица может быть либо левосторонней, либо правосторонней. [5] Преобразование симметрии между ними называется четностью . Инвариантность относительно четности фермионом Дирака называется киральной симметрией .

Электромагнетизм [ править ]

Основная статья: Хиральность (электромагнетизм)

Электромагнитные волны могут иметь ручность, связанную с их поляризацией . Поляризация электромагнитной волны является свойством , которое описывает ориентацию , т.е. изменяющихся во время направления и амплитуду , от электрического поля вектора . Например, векторы электрического поля левосторонних или правосторонних волн с круговой поляризацией образуют спирали противоположной направленности в пространстве.

Циркулярно поляризованные волны противоположной направленности распространяются через киральные среды с разной скоростью ( круговое двулучепреломление ) и с разными потерями ( круговой дихроизм ). Оба явления вместе известны как оптическая активность. Круговое двойное лучепреломление вызывает вращение состояния поляризации электромагнитных волн в хиральных средах и может вызывать отрицательный показатель преломления для одноручных волн, когда эффект достаточно велик. [6] [7]

В то время как оптическая активность проявляется в структурах, хиральных в трех измерениях (например, спиралях), концепция хиральности также может применяться в двух измерениях. 2D-хиральныйпаттерны, такие как плоские спирали, не могут быть наложены на их зеркальное отображение путем перевода или вращения в двухмерном пространстве (плоскости). 2D хиральность связана с направленной асимметричной передачей (отражением и поглощением) циркулярно поляризованных волн. 2D-хиральные материалы, которые также являются анизотропными и имеют потери, демонстрируют разные уровни полного пропускания (отражения и поглощения) для одной и той же волны с круговой поляризацией, падающей на их переднюю и заднюю части. Явление асимметричной передачи возникает из-за различной, например, эффективности преобразования круговой поляризации слева направо для противоположных направлений распространения падающей волны, и поэтому этот эффект упоминается как дихроизм кругового преобразования. Подобно тому, как поворот двумерной киральной структуры кажется обратным для противоположных направлений наблюдения,2d-хиральные материалы имеют взаимозаменяемые свойства для левосторонних и правосторонних волн с круговой поляризацией, которые падают на их переднюю и заднюю стороны. В частности, левосторонние и правосторонние волны с круговой поляризацией испытывают противоположные асимметрии передачи (отражения и поглощения).[8] [9]

В то время как оптическая активность связана с трехмерной хиральностью, а круговое преобразование связано с двумерной хиральностью, оба эффекта также наблюдались в структурах, которые сами по себе не являются хиральными. Для наблюдения этих киральных электромагнитных эффектов хиральность не должна быть внутренним свойством материала, который взаимодействует с электромагнитной волной. Вместо этого оба эффекта могут также возникать, когда направление распространения электромагнитной волны вместе со структурой (ахирального) материала образуют хиральную экспериментальную схему. [10] [11] Этот случай, когда взаимное расположение ахиральных компонентов образует хиральное (экспериментальное) расположение, известен как внешняя хиральность. [12] [13]

Киральные зеркала - это класс метаматериалов, которые отражают циркулярно поляризованный свет определенной спиральности с сохранением направленности, одновременно поглощая круговую поляризацию противоположной направленности. [14] Однако большинство поглощающих киральных зеркал работают только в узкой полосе частот, что ограничивается принципом причинности. Используя другую методологию проектирования, которая позволяет нежелательным волнам проходить сквозь них вместо поглощения нежелательной формы волны, киральные зеркала могут показать хорошие широкополосные характеристики. [15]

Химия [ править ]

( S ) -аланин (слева) и ( R ) -аланин (справа) в цвиттерионной форме при нейтральном pH
Основная статья: Хиральность (химия)

Хиральная молекула представляет собой тип молекулы , которая имеет не superposable зеркального изображения . Особенность, которая чаще всего является причиной хиральности в молекулах, - это наличие асимметричного атома углерода . [16] [17]

Термин «хиральный» обычно используется для описания объекта, который не накладывается на его зеркальное изображение. [18]

В химии хиральность обычно относится к молекулам. Два зеркальных отражения хиральной молекулы называются энантиомерами или оптическими изомерами . Пары энантиомеров часто обозначают как « правые », «левые» или, если они не имеют смещения, «ахиральные». Когда поляризованный свет проходит через хиральную молекулу, плоскость поляризации, если смотреть вдоль оси по направлению к источнику, будет вращаться по часовой стрелке (вправо) или против часовой стрелки (влево). Правое вращение - правовращающее (d); что слева - левовращающий (л). D- и l-изомеры представляют собой одно и то же соединение, но называются энантиомерами . Эквимолярная смесь двух оптических изомеров не будет производить чистого вращения поляризованного света при его прохождении. [19]Левосторонние молекулы имеют приставку l- к своим именам; d- перед правосторонними молекулами.

Молекулярная хиральность представляет интерес из-за ее применения в стереохимии в неорганической химии , органической химии , физической химии , биохимии и супрамолекулярной химии .

Более поздние разработки в хиральной химии включают разработку хиральных неорганических наночастиц, которые могут иметь тетраэдрическую геометрию, аналогичную хиральным центрам, связанным с атомами углерода sp3, традиционно связанными с хиральными соединениями, но в более крупном масштабе. [20] [21] Также были получены спиральные и другие симметрии хиральных наноматериалов. [22]

Биология [ править ]

Смотрите также: Гомохиральность

Все известные формы жизни проявляют особые хиральные свойства в химических структурах, а также макроскопическую анатомию, развитие и поведение. [23] В любом конкретном организме или его эволюционно связанном наборе отдельные соединения, органы или поведение обнаруживаются в одной и той же единственной энантиоморфной форме. Отклонение (имеющее противоположную форму) может быть обнаружено в небольшом количестве химических соединений или в определенном органе или поведении, но это изменение строго зависит от генетической структуры организма. На химическом уровне (молекулярный масштаб) биологические системы демонстрируют крайнюю стереоспецифичность в синтезе, поглощении, восприятии и метаболической обработке. Живая система обычно имеет дело с двумя энантиомерами одного и того же соединения совершенно разными способами.

В биологии гомохиральность - общее свойство аминокислот и углеводов . Аминокислоты, образующие хиральный белок , которые транслируются через рибосому из генетического кодирования, находятся в L- форме. Однако D- аминокислоты также встречаются в природе. Моносахариды (углеводные единицы) обычно находятся в D- конфигурации. Двойная спираль ДНК хиральна (как и любой вид спирали ), а B-форма ДНК имеет правый поворот.

S - (-) - Лимонен содержится в лимоне

Иногда, когда два энантиомера соединения обнаруживаются в организмах, они значительно отличаются по своему вкусу, запаху и другим биологическим действиям. Например, (+) - лимонен, обнаруженный в апельсине (вызывающий его запах), и (-) - лимонен, обнаруженный в лимонах (вызывающий его запах), имеют разные запахи [24] из-за различных биохимических взаимодействий в носу человека. (+) - Карвон отвечает за запах масла тмина , а (-) - карвон отвечает за запах масла мяты курчавой . [25]

( S ) - (+) - Карвон содержится в масле тмина, а ( R ) - (-) - карвон встречается в мяте.
Декстропропоксифен или Дарвон, болеутоляющее
Левопропоксифен или Новрад, средство от кашля

Кроме того, для искусственных соединений, включая лекарства, в случае хиральных лекарств, два энантиомера иногда демонстрируют заметное различие в эффекте их биологического действия. [26] Дарвон ( декстропропоксифно ) является обезболивающим, в то время как его энантиомер, Novrad ( левопропоксифно ) является анти-кашель агента. В случае пеницилламина ( S- изомер используется при лечении первичного хронического артрита, тогда как ( R ) -изомер не имеет терапевтического эффекта, а также является высокотоксичным. [27] В некоторых случаях менее терапевтически активен). энантиомер может вызывать побочные эффекты. Например, ( S -напроксен является анальгетиком, но ( R-изомер вызывает проблемы с почками. [28] Встречающаяся в природе растительная форма альфа-токоферола ( витамин E ) представляет собой RRR-α-токоферол, тогда как синтетическая форма (полностью рацемический витамин E или dl-токоферол) представляет собой равные части стереоизомеров RRR, RRS, RSS, SSS, RSR, SRS, SRR и SSR с постепенно уменьшающейся биологической эквивалентностью, так что 1,36 мг dl-токоферола считается эквивалентом 1,0 мг d-токоферола. [29]

Естественная левосторонняя спираль, образованная усиком некоего вьющегося растения .

Макроскопические примеры хиральности можно найти в царстве растений, царстве животных и во всех других группах организмов. Простым примером является направление скручивания любого вьющегося растения, которое может расти, образуя левую или правую спираль.

Раковины двух разных видов морских улиток: слева - обычно левосторонняя (левосторонняя) раковина Neptunea angulata , справа - обычно правосторонняя (правосторонняя) раковина Neptunea despecta.

В анатомии хиральность обнаруживается в несовершенной симметрии зеркального отражения многих видов тел животных. Организмы, такие как брюхоногие моллюски, проявляют хиральность в своих спиральных панцирях, что приводит к асимметричному виду. Более 90% видов брюхоногих моллюсков [30] имеют правые (правые) раковины в их свертывании, но небольшое меньшинство видов и родов практически всегда левостороннее (левостороннее). Очень немногие виды (например, Amphidromus perversus [31] ) демонстрируют равное сочетание правосторонних и левосторонних особей.

У людей хиральность (также называемая ручностью или латеральностью ) - это свойство людей, определяемое неравным распределением мелкой моторики между левой и правой руками . Человека, который лучше владеет правой рукой, называют правшой , а того, кто лучше владеет левой рукой, называют левшой . Хиральность также проявляется при изучении асимметрии лица .

В случае состояния здоровья situs inversus totalis , при котором все внутренние органы перевернуты по горизонтали (т. Е. Сердце расположено немного вправо, а не влево), хиральность создает некоторые проблемы, если пациенту требуется пересадка печени или сердца, так как эти органы являются хиральными, а это означает, что кровеносные сосуды, снабжающие эти органы, должны быть перестроены, если потребуется нормальный орган non situs inversus ( situs solitus ).

У камбалы летняя камбала или двуустка имеет левый глаз, а палтус - правый.

См. Также [ править ]

  • Асимметрия
  • Ручка
  • Метахиральность
  • Ориентация (математика)
  • Правило правой руки
  • Sinistral и правый
  • Стереохимия
  • Усик извращения

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сэр Уильям Томсон лорд Кельвин (1894). «Молекулярная тактика кристалла» . Кларендон Пресс . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  2. ^ Жорж Генри Ванььер, О хиральности и универсальной асимметрии: размышления об изображении и зеркальном отображении (2007).
  3. ^ Петижан, М. (2020). «Хиральность в метрических пространствах. Памяти Мишеля Дезы» . Письма об оптимизации . 14 (2): 329–338. DOI : 10.1007 / s11590-017-1189-7 .
  4. ^ «Ищу правую руку» . Откройте для себя журнал . Ноября 1995 . Проверено 23 марта 2018 года .
  5. ^ a b «Спиральность, хиральность, масса и Хиггс» . Квантовые дневники . 19 июня 2016 . Проверено 23 марта 2018 года .
  6. ^ Слива, E .; Чжоу, Дж .; Dong, J .; Федотов В.А.; Кошный, Т .; Soukoulis, CM; Желудев, Н.И. (2009). «Метаматериал с отрицательным индексом из-за хиральности» (PDF) . Physical Review B . 79 (3): 035407. Bibcode : 2009PhRvB..79c5407P . DOI : 10.1103 / PhysRevB.79.035407 .
  7. ^ Zhang, S .; Парк, Ю.-С .; Li, J .; Лу, X .; Zhang, W .; Чжан, X. (2009). «Отрицательный показатель преломления в хиральных метаматериалах». Письма с физическим обзором . 102 (2): 023901. Bibcode : 2009PhRvL.102b3901Z . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.023901 . PMID 19257274 . 
  8. ^ Федотов, В.А.; Младёнов, ПЛ; Просвирнин, С.Л .; Рогачева, А.В.; Chen, Y .; Желудев, Н.И. (2006). «Асимметричное распространение электромагнитных волн через плоскую киральную структуру». Письма с физическим обзором . 97 (16): 167401. arXiv : Physics / 0604234 . Bibcode : 2006PhRvL..97p7401F . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.97.167401 . PMID 17155432 . 
  9. ^ Слива, E .; Федотов В.А.; Желудев, Н.И. (2009). «Плоский метаматериал с пропусканием и отражением, которые зависят от направления падения». Письма по прикладной физике . 94 (13): 131901. arXiv : 0812.0696 . Bibcode : 2009ApPhL..94m1901P . DOI : 10.1063 / 1.3109780 . S2CID 118558819 . 
  10. ^ Bunn, CW (1945). Химическая кристаллография . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п. 88.
  11. ^ Уильямс, Р. (1969). «Оптико-вращательная сила и линейный электрооптический эффект в нематических жидких кристаллах параазоксианизола». Журнал химической физики . 50 (3): 1324. Bibcode : 1969JChPh..50.1324W . DOI : 10.1063 / 1.1671194 .
  12. ^ Слива, E .; Федотов В.А.; Желудев, Н.И. (2008). «Оптическая активность в внешне хиральных метаматериалах» (PDF) . Письма по прикладной физике . 93 (19): 191911. arXiv : 0807.0523 . Bibcode : 2008ApPhL..93s1911P . DOI : 10.1063 / 1.3021082 . S2CID 117891131 .  
  13. ^ Слива, E .; Федотов В.А.; Желудев, Н.И. (2009). «Внешняя электромагнитная хиральность в метаматериалах». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 11 (7): 074009. Bibcode : 2009JOptA..11g4009P . DOI : 10.1088 / 1464-4258 / 11/7/074009 .
  14. ^ Слива, Эрик; Желудев, Николай Иванович (1 июня 2015 г.). «Хиральные зеркала» (PDF) . Письма по прикладной физике . 106 (22): 221901. Bibcode : 2015ApPhL.106v1901P . DOI : 10.1063 / 1.4921969 . ISSN 0003-6951 . S2CID 19932572 .   
  15. ^ Май, Вендинг; Чжу, Дэнни; Гонг, Чжэн; Линь, Сяоюй; Чен, Ифань; Ху, Цзюнь; Вернер, Дуглас Х. (1 апреля 2019 г.). «Широкополосные прозрачные киральные зеркала: методология проектирования и анализ полосы пропускания» . Продвижение AIP . 9 (4): 045305. Bibcode : 2019AIPA .... 9d5305M . DOI : 10.1063 / 1.5025560 .
  16. ^ Органическая химия (4-е издание) Паула Ю. Брюс.
  17. ^ Органическая химия (3-е издание) Мэри Энн Фокс, Джеймс К. Уайтселл.
  18. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « хиральность ». DOI : 10,1351 / goldbook.C01058
  19. ^ Чанг, Раймонд. Химия (второе изд.). Случайный дом . п. 660. ISBN 978-0-394-32983-3.
  20. ^ Молони, Mícheál P .; Гунько, Юрий К .; Келли, Джон М. (26 сентября 2007 г.). «Хиральные высоколюминесцентные квантовые точки CdS». Химические коммуникации . 0 (38): 3900–2. DOI : 10.1039 / b704636g . ISSN 1364-548X . PMID 17896026 .  
  21. ^ Шааф, Т. Грегори; Рыцарь, Грейди; Шафигуллин, Марат Н .; Borkman, Raymond F .; Веттен, Роберт Л. (1998-12-01). «Выделение и избранные свойства золота 10,4 кДа: кластерное соединение глутатиона». Журнал физической химии B . 102 (52): 10643–10646. DOI : 10.1021 / jp9830528 . ISSN 1520-6106 . 
  22. ^ Ма, Вэй; Сюй, Лигуан; де Моура, Андре Ф .; У, Сяолин; Куанг, Хуа; Сюй, Чуанлай; Котов, Николай А. (28.06.2017). «Хиральные неорганические наноструктуры». Химические обзоры . 117 (12): 8041–8093. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.6b00755 . ISSN 0009-2665 . PMID 28426196 .  
  23. ^ Сяо, Венде; Эрнст, Карл-Хайнц; Палотас, Кристиан; Чжан, Юян; Брюйер, Эмили; Пэн, Линцин; Гребер, Томас; Hofer, Werner A .; Скотт, Лоуренс Т. (8 февраля 2016 г.). «Микроскопическое происхождение индукции хиральной формы в ахиральных кристаллах» . Химия природы . 8 (4): 326–330. Bibcode : 2016NatCh ... 8..326X . DOI : 10.1038 / nchem.2449 . ISSN 1755-4330 . PMID 27001727 .  
  24. ^ Органическая химия Соломона и Фрайлза, Эд 10, Уайли (студенческое издание), Глава 5 (Стереохимия), Раздел 5.5 Подробнее о биологическом значении хиральности
  25. ^ Соломон и Фрайлс органическая химия, Эд 10, Wiley (Студенческое издание), Глава 5 (Стереохимия), обзор задачи 5.14
  26. ^ Санганьядо, Эдмонд; Лу, Чжицзян; Фу, Цюгуо; Шленк, Даниэль; Ган, Джей (2017). «Хиральные фармацевтические препараты: обзор процессов их возникновения и судьбы в окружающей среде» . Исследования воды . 124 : 527–542. DOI : 10.1016 / j.watres.2017.08.003 . ISSN 0043-1354 . PMID 28806704 .  
  27. ^ Органическая химия Соломона и Фрайлза, Эд 10, Уайли (студенческое издание), Глава 5 (Стереохимия), раздел 5.11 (хиральные препараты)
  28. ^ Сузуки, Тошинари; Косуги, Юки; Хосака, Мицугу; Нисимура, Тецудзи; Накаэ, Дай (2014-10-08). «Возникновение и поведение хирального противовоспалительного препарата напроксена в водной среде». Экологическая токсикология и химия . 33 (12): 2671–2678. DOI : 10.1002 / etc.2741 . ISSN 0730-7268 . PMID 25234664 .  
  29. ^ Манолеска В, Atanasiu В, Cercasov С, Стоян я, Опрей Е, Buşu С (2008). «Так много вариантов, но один выбор: человеческий организм предпочитает альфа-токоферол. Вопрос стереохимии» . J Med Life . 1 (4): 376–382. PMC 5654212 . PMID 20108516 .  
  30. ^ Schilthuizen, M .; Дэвисон, А. (2005). «Запутанная эволюция хиральности улитки». Naturwissenschaften . 92 (11): 504–515. Bibcode : 2005NW ..... 92..504S . DOI : 10.1007 / s00114-05-0045-2 . PMID 16217668 . S2CID 18464322 .  
  31. ^ "Amphidromus perversus (Linnaeus, 1758)" . www.jaxshells.org . Проверено 23 марта 2018 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Hegstrom, Roger A .; Кондепуди, Дилип К. "Рукоятость Вселенной" (PDF) .