Hiralnost molekula

Primjer hiralnog molekula i dva enantiomera

(S)-Alanin (lijevo) i (R)-alanin (desno)

Hiralnost molekula je osobina koja se može često naći kod organskih jedinjenja kao što su alkoholi, aldehidi, kiseline, ugljeni hidrati, proteini itd. Svaka organska supstanca koja je hiralna pokazuje optičku aktivnost. U hemiji se molekul ili jon naziv hiralnim ako ga nikakva kombinacija rotacije, translacije ili neke druge konformacione promene, ne može poklopiti sa svojom slikom u ogledalu. Takvo geometrijsko svojstvo naziva se hiralnost. Za molekul kažemo da je hiralan ako nema unutrašnju simetriju i ako se ne može poklopiti sa svojim likom u ogledalu.

Optička aktivnost

Neki sekundarni i tercijarni alkoholi, kao i mnoga druga organska jedinjenja, pokazuju specifičnu osobinu – optičku aktivnost. Kada se kroz rastvor takvih supstanci propusti polarizovana svetlost (monohromatska svetlost kod koje talas osciluje samo u jednoj ravni, normalnoj na ravan prostiranja talasa) dolazi do obrtanja ravni polarizovane svetlosti za neki ugao. Utvrđeno je, da jedno jedinjenje može da postoji u dva oblika, koji imaju iste fizičke i hemijske osobine, ravan polarizovane svetlosti obrću za isti ugao, ali u suprotnim smerovima (jedan u smeru kazaljke na satu, a drugi u suprotnom smeru).

Sva jedinjenja koja pokazuju optičku aktivnost imaju bar jedan hiralni (heir-ruka) ugljenikov atom. Bilo koja dva predmeta koja se odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu se zovu hiralni. Hiralni (asimetrični) С atom je onaj koji je vezan za čertiri različita atoma ili atomske grupe. Dva jedinjenja koja se razlikuju samo po rasporedu grupa oko hiralnog С atoma zovu se optički izomeri ili enantiomeri, pripadaju grupi stereoizomera (prostornih izomera). Jedan enantiomer obrće ravan polarizovane svetlosti u smeru kazaljke na satu što se obeležava sa (+), a drugi za isti ugao u suprotnom smeru što se obeležava sa (-).

Objašnjenje pojma hiralnosti

Kod atoma ugljenika koji gradi četiri jednostruke veze dolazi do sp³ hibridizacije, pri čemu su četiri sp³ hibridne orbitale raspoređene tetraedarski u prostoru. U slučaju molekula u kome ugljenik gradi četiri jednostruke veze, atomi ili atomske grupe koje se vezuju za atom ugljenika su raspoređene u prostoru tetraedarski, tj. atom ugljenika se nalazi u centru tetraedra, a atomske grupe na vrhovima tog tetraedra.

Ako su za atom ugljenika vezane bar dvije iste atomske grupe, onda koje god kombinacije se naprave spajajući atomske grupe sa atomom ugljenika dobiće se molekuli koji se mogu poklopiti tj. prostorno su identični.

Ako je atom ugljenika vezan za četiri različite atomske grupe, onda su moguća dva različita prostorna rasporeda u molekulu, i pri tome se ta dva rasporeda odnose kao lik i slika u ogledalu. Oba molekula imaju identičnu strukturu ali različit prostorni raspored, i oni predstavljaju prostorne izomere ili stereoizomere. Ova dva izomera se nazivaju enantiomeri, tj. enantiomerni oblici neke organske supstance. Ugljenikov atom za koji u vezane četiri različita atoma ili atomske grupe se naziva hiralni ili asimetrični C atom.

Bitno je istaći i da na hiralnost utiču i izotopi, tako npr. atom vodonika (¹H) i atom deuterijuma (²H) predstavljaju dva različita supstituenta na hiralnom atomu, i na taj način se od nehiralnog molekula može dobiti hiralni.

Postoje i molekuli koji ne posjeduju hiralni centar tj. atom, ali posjeduju hiralnost zbog specifičnog rasporeda atomskih grupa u molekulu. Postoje i molekuli koji posjeduju hiralni centar ali ne posjeduju hiralnost zbog toga što molekul kao cjelina posjeduje neku ravan simetrije.

Dva enantiomerna oblika neke supstance imaju iste fizičke osobine kao što je tačka ključanja, rastvorljivost, gustina itd., jedina razlika se sastoji u optičkoj aktivnosti. Zbog toga se ovaj tip izomerije naziva i optička izomerija. Dva enantiomera imaju istu apsolutnu vrijednost rotacije ravni svjetlosti, samo je smjer različit.

Što se tiče hemijske reaktivnosti, dva enantiomera pokazuju istu hemijsku reaktivnost prema ahiralnim reagensima, međutim pri reakcijama sa hiralnim supstancama se ponašaju različito. Mnoge organske i biohemijske reakcije su stereoselektivne i mnogi enzimi su hiralni i ponašaju se različito prema dva enantimoera.

Nomenklatura

Postoji više načina za označavanje enantiomera jedne supstance, tj. za označavanje različitih stereoizomera neke supstance. Kao standard za D-L označavanje je uzet gliceraldehid (HOCH₂CHOHCHO), pri čemu je usvojeno da se (+) gliceraldehid označava kao D-oblik a (-) gliceraldehid kao L-oblik. Označavanje ostalih supstanci koje imaju enantiomere tj. čiji molekuli posjeduju hiralnost se označavaju na osnovu upoređivanja sa gliceraldehidom.

(+) ili (-) način označavanja enantiomera ne govori o konfiguraciji na hiralnom atomu, nego se označavaju na osnovu optičke aktivnosti tj. zavisno u kojem se pravcu obrće ravan polarizovane svjetlosti.

Postoji i R-S sistem označavanja koji se zasniva na određivanju apsolutnih konfiguracija hiralnih molekula. Kod ovog sistema ne postoje referentni molekuli, i predstavlja najprecizniji sistem označavanja a zasniva se na CIP pravilima.

Racemat

Glavni članak: Racemska modifikacija

Pri hemijskim reakcijama pri kojima postaje hiralni atom, gotovo uvijek nastaju racemati. Jedan enantiomer može da pređe u drugi samo ako dođe do raskidanja i ponovnog stvaranja hemijskih veza. Ekvimolekulska smješa dva enantiomera se naziva racemat i obilježava se sa (±) ili -(dl)-. Racemska smješa nije optički aktivna jer se rotacije entantiomera međusobno potiru. Hiralni molekuli se u prirodi rijetko nalaze u obliku racemata, najčešće se nalaze kao samo jedan enantiomer.

Mnogi organski molekuli imaju i više hiralnih atoma i mogu postojati u više prostornih oblika, ali u prirodi se najčešće nalazi samo jedan oblik.

Sve prirodne aminokiseline imaju L konfiguraciju. Svi ugljeni hidrati imaju D konfiguraciju.

Vidi još

• Geometrija molekula

Literatura

• Aleksandra Stojiljković. Hemija za treći razred opšte gimnazije i gimnaziju prirodno-matematičkog smera, medicinsku, poljoprivrednu i frizersku školu. Deseto izdanje. Beograd: Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, 2008.
• Ernest L. Eliel; Samuel H. Wilen (1994). Stereochemistry of Organic Compounds (1 izd.). Wiley, John & Sons, Incorporated. ISBN 978-0-471-01670-0. 
• Ernest L. Eliel; Samuel H. Wilen; Michael P. Doyle (2001). Basic Organic Stereochemistry (1. izd.). Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-37499-2. 
• Kurt Martin Mislow Kurt Mislow (15. 1. 2003). Introduction to Stereochemistry. Dover Publications. ISBN 978-0-486-42530-6. CS1 održavanje: Datum i godina (veza)
• D. Nasipuri (1994). Stereochemistry of Organic Compounds: Principles and Applications (2. izd.). South Asia Books. ISBN 978-81-224-0570-5. 

Spoljašnje veze

• Chirality ((jezik: engleski))