Хиральность - Википедия - Chirality

Для использования в других целях см. Хиральность (значения).
Два энантиомера дженерика аминокислота то есть хиральный

Хиральность /kаɪˈрæлɪтя/ является собственностью асимметрия важен в нескольких областях науки. Слово хиральность происходит из Греческий χειρ (кхейр), «рука», знакомый хиральный объект.

Объект или система хиральный если он отличен от его зеркальное изображение; то есть не может быть наложенный на него. И наоборот, зеркальное отображение ахиральный объект, например сферу, нельзя отличить от объекта. Хиральный объект и его зеркальное отображение называются энантиоморфы (Греч. "Противоположные формы") или, когда речь идет о молекулах, энантиомеры. Некиральный объект называется ахиральный (иногда также амфихиральный) и может быть наложен на его зеркальное отображение.

Термин впервые был использован Лорд Кельвин в 1893 г. во втором Лекция Роберта Бойля на Молодежный научный клуб Оксфордского университета которое было опубликовано 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]

Человек Руки являются, пожалуй, наиболее общепризнанным примером хиральности. Левая рука - это не накладываемое 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 потрясти правую руку человека левой рукой или если левую перчатку надеть на правую руку. В математике хиральность свойство фигуры, не совпадающее с ее зеркальным отображением. Молекула называется хиральной, если вся ее валентность занята другим атомом или группой атомов.

Математика

Ахиральный трехмерный объект без центральной симметрии или плоскости симметрии
Таблица всех простые узлы с семью переходы или меньше (не включая зеркальные изображения).
Основная статья: Хиральность (математика)

В математика, фигура является хиральной (и считается, что она хиральна), если ее нельзя сопоставить с ее зеркальным отображением с помощью вращения и переводы один. Например, правая обувь отличается от левой, а по часовой стрелке отличается от против часовой стрелки. Видеть [3] для полного математического определения.

Хиральный объект и его зеркальное отображение называются энантиоморфами. Слово энантиоморф происходит от греческого ἐναντίος (enantios) 'противоположный' + μορφή (морфе) 'форма'. Некиральная фигура называется ахиральной или амфихиральной.

В спираль (и, соответственно, спиральная струна, винт, пропеллер и т. д.) и Лента Мебиуса хиральные двухмерные объекты в трехмерном окружающем пространстве. J, L, S и Z-образные тетромино популярной видеоигры Тетрис также проявляют хиральность, но только в двумерном пространстве.

Многие другие знакомые объекты демонстрируют ту же хиральную симметрию человеческого тела, как перчатки, очки (где две линзы различаются по назначению) и обувь. Аналогичное понятие хиральности рассмотрено в теория узлов, как описано ниже.

Некоторым хиральным трехмерным объектам, таким как спираль, можно присвоить правую или левую правоту в соответствии с правило правой руки.

Геометрия

В геометрия, фигура ахиральна тогда и только тогда, когда группа симметрии содержит как минимум один изменение ориентации изометрия. В двух измерениях каждая фигура, имеющая ось симметрии ахиральна, и можно показать, что каждый ограниченный ахиральная фигура должна иметь ось симметрии. В трех измерениях каждая фигура, имеющая плоскость симметрии или центр симметрии ахиральный. Однако есть ахиральные фигуры, у которых отсутствует как плоскость, так и центр симметрии. точечные группы, у всех киральных фигур отсутствует неправильная ось вращения (Sп). Это означает, что они не могут содержать центр инверсии (i) или зеркальную плоскость (σ). Только фигуры с обозначением группы точек C1, Сп, Dп, T, O или I могут быть хиральными.

Теория узлов

А морской узел называется ахиральный если его можно непрерывно деформировать до зеркального отображения, в противном случае он называется киральным. Например, развязанный и узел восьмерка ахиральны, тогда как трилистник хиральный.

Физика

Анимация правши (по часовой стрелке) циркулярно поляризованный свет, как определено с точки зрения получателя в соответствии с оптика условности.
Основная статья: Хиральность (физика)

В физике хиральность можно найти в вращение частицы, где управляемость объекта определяется направлением вращения частицы.[4] Не путать с спиральность, которая представляет собой проекцию спина на линейный импульс субатомной частицы, хиральность является внутренним квантово-механическим свойством, как и 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.

В руки как хиральность, так и спиральность относятся к вращению частицы, когда она движется линейно по отношению к человеческим рукам. Большой палец руки указывает в направлении линейного движения, в то время как пальцы сгибаются в ладонь, представляя направление вращения частицы (т.е. по и против часовой стрелки). В зависимости от линейного и вращательного движения частица может быть либо левосторонней, либо правосторонней.[5] Преобразование симметрии между ними называется паритет. Инвариантность относительно четности Фермион Дирака называется киральная симметрия.

Электромагнетизм

Основная статья: Хиральность (электромагнетизм)

Электромагнитный волны могут иметь ручность, связанную с их поляризация. Поляризация электромагнитная волна свойство, описывающее ориентация, т.е. изменяющийся во времени направление и амплитуда, из электрическое поле вектор. Например, векторы электрического поля левосторонних или правосторонних волны с круговой поляризацией образуют в пространстве спирали противоположной направленности.

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 двулучепреломление вызывает вращение состояния поляризации электромагнитных волн в киральных средах и может вызвать отрицательный показатель преломления для волн одной руки, когда эффект достаточно велик.[6][7]

Хотя оптическая активность проявляется в структурах, которые являются хиральными в трех измерениях (например, спирали), концепция хиральности также может применяться в двух измерениях. 2D-хиральный паттерны, 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 разных, например, эффективность преобразования круговой поляризации слева направо для противоположных направлений распространения падающей волны, и поэтому этот эффект называется дихроизмом кругового преобразования. Подобно тому, как поворот 2d-киральной картины кажется обратным для противоположных направлений наблюдения, 2d-киральная 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

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

А хиральная молекула это тип молекула который имеет ненадежный зеркальное изображение. Особенностью, которая чаще всего является причиной хиральности в молекулах, является наличие асимметричный атом 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 изображения хиральной молекулы называются энантиомеры или оптический изомеры. Пары энантиомеров часто обозначают как "верно- "," левосторонняя "или, если у них нет смещения," ахиральная ". 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); левовращающее - левовращающее (l). D- и l-изомеры представляют собой одно и то же соединение, но называются энантиомеры. 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 к стереохимия в неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, биохимия, и супрамолекулярная химия.

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 большем масштабе.[20][21] Получены также спиральные и другие симметрии хиральных наноматериалов.[22]

Биология

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 родственном 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 аминокислоты и углеводы. Хиральный белковые аминокислоты, которые транслируются через рибосому из генетического кодирования, встречаются в L форма. Тем не мение, D-аминокислоты также встречаются в природе. Моносахариды (углеводные единицы) обычно встречаются в D-конфигурация. Двойная спираль ДНК хиральна (как и любой вид спираль хиральна), и B-форма ДНК показывает правый поворот.

р- (+) - Лимонен содержится в апельсине
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, содержащийся 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. (+) -Carvone отвечает за запах тмин масло семян, тогда как (-) - карвон отвечает за запах мята масло.[25]

(S) - (+) - Карвон содержится в масле тмина, и (р) - (-) - карвон встречается в мяте курчавой
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 (декстропропоксифен ) является болеутоляющим, а его энантиомер Новрад (левопропоксифен ) является средством от кашля. В случае пеницилламин, (S-изомер используется при лечении первичного хронического артрита, тогда как (р) -изомер не оказывает терапевтического действия, но является высокотоксичным.[27] В некоторых случаях менее терапевтически активный энантиомер может вызывать побочные эффекты. Например, (S-напроксен является анальгетиком, но (р-изомер вызывает проблемы с почками.[28] Встречающаяся в природе растительная форма альфа-токоферола (витамин Е ) 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, сделанная одним вьющимся растением. усик.

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 Нептуна угловая, справа - обычно правая (правосторонняя) оболочка Нептуна Despecta

В анатомии хиральность обнаруживается в несовершенной симметрии зеркального отражения многих видов тел животных. Такие организмы, как брюхоногие моллюски проявляют хиральность в их спиральных оболочках, что приводит к асимметричному виду. Более 90% видов брюхоногих моллюсков[30] имеют правый (правосторонние) раковины в их намотке, но незначительное меньшинство видов и родов практически всегда левый (левша). Очень мало видов (например, Amphidromus perversus[31]) показывают равную смесь правых и левых индивидов.

У людей хиральность (также называемая руки или же боковая сторона) - это атрибут людей, определяемый неравномерным распределением мелкая моторика между левым и правым Руки. Человек, который больше ловкий правой рукой называется правша, а тот, кто лучше владеет левыми, называется левша. Хиральность также наблюдается при изучении асимметрия лица.

В случае состояния здоровья situs inversus totalis, при котором все внутренние органы перевернуты по горизонтали (т. е. сердце расположен немного правее вместо левого), хиральность создает некоторые проблемы, если пациенту требуется трансплантация печени или сердца, поскольку эти органы хиральны, а это означает, что кровеносные сосуды, снабжающие эти органы, должны быть перестроены в случае нормального, нестандартного situs inversus (situs solitus ) Орган потребоваться.

У камбалы Летняя камбала или двуустка левоглазая, а палтус правые.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Сэр Уильям Томсон Лорд Кельвин (1894). «Молекулярная тактика кристалла». Clarendon Press. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ Жорж Анри Ваньер, 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. Дои:10.1007 / s11590-017-1189-7.
  4. ^ «Ищу правую руку». Откройте для себя журнал. Ноябрь 1995 г.. Получено 23 марта 2018.
  5. ^ а б «Спиральность, хиральность, масса и Хиггс». Квантовые дневники. 19 июня 2016 г.. Получено 23 марта 2018.
  6. ^ Plum, E .; Чжоу, Дж .; Dong, J .; Федотов, В.А .; Кошный, Т .; Soukoulis, C.M .; Желудев, Н. (2009). «Метаматериал с отрицательным индексом из-за хиральности» (PDF). Физический обзор B. 79 (3): 035407. Bibcode:2009PhRvB..79c5407P. Дои: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 физическими проверками. 102 (2): 023901. Bibcode:2009PhRvL.102b3901Z. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.023901. PMID  19257274.
  8. ^ Федотов, В.А .; Младёнов П.Л .; Просвирнин, С.Л .; Рогачева, А.В .; Chen, Y .; Желудев, Н. (2006). «Асимметричное распространение электромагнитных волн через плоскую киральную структуру». Письма с физическими проверками. 97 (16): 167401. arXiv:физика / 0604234. Bibcode:2006ПхРвЛ..97п7401Ф. Дои:10.1103 / PhysRevLett.97.167401. PMID  17155432.
  9. ^ Plum, E .; Федотов, В.А .; Желудев, Н. (2009). «Плоский метаматериал с пропусканием и отражением, которые зависят от направления падения». Письма по прикладной физике. 94 (13): 131901. arXiv:0812.0696. Bibcode:2009АпФЛ..94м1901П. Дои:10.1063/1.3109780. S2CID  118558819.
  10. ^ Банн, C.W. (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. Дои:10.1063/1.1671194.
  12. ^ Plum, E .; Федотов, В.А .; Желудев, Н. (2008). «Оптическая активность в внешне хиральном метаматериале» (PDF). Письма по прикладной физике. 93 (19): 191911. arXiv:0807.0523. Bibcode:2008АпФЛ..93с1911П. Дои:10.1063/1.3021082. S2CID  117891131.
  13. ^ Plum, E .; Федотов, В.А .; Желудев, Н. (2009). «Внешняя электромагнитная хиральность в метаматериалах». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика. 11 (7): 074009. Bibcode:2009JOptA..11g4009P. Дои: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:2015АпФЛ.106в1901П. Дои: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. Дои: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. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "хиральность ". Дои:10.1351 / goldbook.C01058
  19. ^ Чанг, Раймонд. Химия (второе изд.). Случайный дом. п. 660. ISBN  978-0-394-32983-3.
  20. ^ Moloney, Mícheál P .; Гунько, Юрий К .; Келли, Джон М. (26 сентября 2007 г.). «Хиральные высоколюминесцентные квантовые точки CdS». Химические коммуникации. 0 (38): 3900–2. Дои: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. Дои: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. Дои: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:2016НатЧ ... 8..326X. Дои: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. ^ Органическая химия Соломона и Фрайлза, Эд 10, Уайли (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». Водные исследования. 124: 527–542. Дои: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. ^ Судзуки, 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. Дои:10.1002 / и т.д.2741. ISSN  0730-7268. PMID  25234664.
  29. ^ Манолеску Б., Атанасиу В., Черкасов С., Стоян И., Опря Е., Бушу С. (2008). «Так много вариантов, но один выбор: человеческий организм предпочитает альфа-токоферол. Вопрос стереохимии». J Med Life. 1 (4): 376–382. ЧВК  5654212. PMID  20108516.
  30. ^ Schilthuizen, M .; Дэвисон, А. (2005). «Запутанная эволюция хиральности улитки». Naturwissenschaften. 92 (11): 504–515. Bibcode:2005NW ..... 92..504S. Дои:10.1007 / s00114-05-0045-2. PMID  16217668. S2CID  18464322.
  31. ^ "Amphidromus perversus (Linnaeus, 1758)". www.jaxshells.org. Получено 23 марта 2018.

внешняя ссылка