的手性是一个几何特性,一个对象可以有两个图像:一个右和左一个,它们是不可互换的; 也就是说,即使其他属性相同,它们在空间上也不同。具有手性的物体被简单地称为“手性”。
左右手是手性的:一个是另一只手的反射(镜象),但是它们并不相同,因为当将一只手放在另一只手的顶部时,它们的拇指不会重合。
资料来源:加布里埃尔·玻利瓦尔
要了解对象是否为手性,不只是镜子,还必须提出以下问题:它的左右两侧是否都有“版本”?
例如,左手书桌和右手书桌是手性对象;两辆相同型号但方向盘在左侧或右侧的车辆;一双鞋和脚;左,右方向的螺旋楼梯等
在化学领域,分子也不例外:它们也可以是手性的。该图像显示了一对具有四面体几何形状的分子。即使将左侧的球翻转过来,并使蓝色和紫色的球体相互接触,棕色和绿色的球体也会“看起来”在平面外。
什么是手性?
对于分子来说,仅通过查看它们来定义左或右“版本”并不是那么容易。为此,有机化学家诉诸于Cahn-Ingold-Prelog(R)或(S)构型,或利用这些手性物质的光学特性来旋转偏振光(也是手性元素)。
但是,仅通过观察分子或化合物的结构就可以确定它是否是手性的。上图中的一对分子的显着特征是什么?
它有四个不同的取代基,每个取代基都有其自己的特征色,并且中心原子周围的几何形状为四面体。
如果在结构中有一个带有四个不同取代基的原子,则可以说(在大多数情况下)该分子是手性的。
据说在结构中有一个手性中心或立体中心。如果有一个,将有一对被称为对映异构体的立体异构体。
图像中的两个分子是对映体。化合物具有的手性中心越多,其空间多样性就越大。
在所有具有药理活性的生物分子和化合物中,中心原子通常是碳原子;然而,它也可以是磷,氮或金属中的一种。
手性的例子
手性中心可能是确定化合物是否为手性的最重要元素之一。
但是,还有其他因素可能没有引起注意,但是在3D模型中,它们会显示无法叠加的镜像。
对于这些结构,可以说它们不是中心,而是具有其他手性元素。考虑到这一点,一个带有四个取代基的不对称中心的存在不再足够了,但是还必须仔细分析其余结构。因此能够将一种立体异构体与另一种立体异构体区分开。
轴向的
来源:Jü,来自Wikimedia Commons
上图中显示的化合物可能肉眼看起来平整,但实际上并非如此。左侧是丙二烯的一般结构,其中R表示四个不同的取代基;右边是联苯化合物的一般结构。
R 3和R 4相遇的末端可以可视为垂直于R 1和R 2所在平面的“鳍” 。
如果观察者通过将眼睛放在与R 1和R 2连接的第一个碳(对于烯丙基)的前面来分析此类分子,他们将在左侧和右侧看到R 1和R 2,在上方和下方看到R 4和R 3。
如果R 3和R 4保持固定,但R 1向右移动,R 2向左移动,那么我们将有另一个“空间版本”。
在这里观察者可以得出结论,他发现了异戊二烯的手性轴。联苯也是如此,但芳香环参与了视觉。
环形螺丝或螺旋
来源:Sponk,来自Wikimedia Commons
请注意,在前面的示例中,手性轴位于C = C = C骨架(对于烯丙基)和Ar-Ar键(对于联苯)。
对于上述所谓的七萜类化合物(因为它们有七个环),它们的手性轴是什么?答案如上图所示:Z轴,螺旋桨。
因此,要辨别一种对映异构体,必须从上方(最好)观察这些分子。
以此方式,可以详细地说明庚二烯顺时针(图像的左侧)或逆时针(图像的右侧)旋转。
平面的
假设您不再具有螺旋结构,而是具有非共面环的分子;也就是说,一个位于另一个上方或下方(或者它们不在同一平面上)。
在这里,手性不是很靠环,而是靠取代基。正是这些定义了两种对映体。
来源:Anypodetos,原始PNG文件的作者:EdChem,来自Wikimedia Commons
例如,在上图中的二茂铁中,“夹住” Fe原子的环不发生变化;但是带有氮原子和基团-N(CH 3)2的环的空间取向确实。
在图像中,基团-N(CH 3)2指向左侧,但在其对映异构体中,它将指向右侧。
其他
对于大分子或具有奇异结构的大分子,图片开始简化。为什么?因为从它们的3D模型中可以看到它们是否是手性的,就像最初示例中的对象一样。
例如,碳纳米管可以显示向左转弯的模式,因此,如果存在相同的碳纳米管,但是向右转弯,则它是手性的。
其他结构也是如此,尽管它们没有手性中心,但所有原子的空间排列都可以采取手性形式。
然后,我们谈论一种固有的手性,它不依赖于原子而是依赖于整体。
一种化学上有力的将“左图”与右图区别开来的方法是通过立体选择反应。也就是说,一种只能与一种对映异构体发生,而另一种对映异构体则不能发生。
参考文献
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