כיראליות (כימיה)

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

ערך זה עוסק במושג כימי בשם כיראליות; לערך העוסק במושג כיראליות בפיזיקה, ראו כיראליות (פיזיקה).

בכימיה, מולקולה נקראת כּיראלית אם לא ניתן ליצור חפיפה בינה לבין תמונת המראה שלה, על-ידי פעולת סיבוב במרחב. שתי מולקולות כיראליות בעלות אותה נוסחה מולקולרית, המהוות תמונת מראה אחת של השנייה קרויות אננטיומרים, והתערובת שלהן נקראת תערובת רצמית. רוב התכונות הפיזיקליות של שני האננטיומרים זהות, וההבדל המרכזי ביניהם מתבטא בפעילות אופטית (קיטוב אור) שונה. תכונת הכיראליות קיבלה את שמה מהמילה היוונית כייר (χειρ), שמשמעותה יד, משום שגם בין שתי כפות הידיים לא ניתן ליצור חפיפה על-ידי סיבוב במרחב.

תוכן עניינים

[עריכה] היסטוריה

ז'אן בטיסט ביו היה הראשון שגילה את הפעילות האופטית של חומרים אורגניים. במסגרת מחקריו על קיטוב, הוא הקרין בשנת 1815 חומרים אורגניים שונים בעזרת אור מקוטב, וגילה שסוכרים מסוימים מסוגלים לשנות את מישור הקיטוב. כעבור 25 שנה הוא זכה להכרה רשמית על כך, עת הוענקה לו מדליה מטעם החברה המלכותית של לונדון. לואי פסטר היה הראשון שהצליח להפריד בין שני אננטיומרים מתוך תערובת רצמית בשנת 1848. הוא בחן מלח חסר פעילות אופטית של חומצה טרטרית, וברר ידנית, בעזרת מלקטת (פינצטה), בין הגבישים הזעירים תוך התבססות על הבדלי המופע של שני האננטיומרים. פסטר מצא את קיומה של פעילות אופטית אצל כל אחד משני האננטיומרים, והבין את הקשר האפשרי בין כיראליות למבנה הגבישי של החומר.

התקדמות נוספת בהבנת המבנה הגאומטרי של המולקולה שמאפשר פעילות אופטית, חלה בשנת 1874. יאקובוס ואן 'ט הוף ההולנדי, ובאופן עצמאי ובלתי-תלוי ג'וזף לה בל הצרפתי, הגיעו למסקנה כי ייתכנו שתי מולקולות בעלות אותה נוסחה מולקולרית, ומבנה גאומטרי טטרהדרלי, שבמרכזו נמצא פחמן ובקצוותיו מתמירים שונים, שיהיו תמונות מראה לא חופפות אחת של השניה. כיום אנו אומרים שלמבנה כזה יש מרכז כיראלי או פחמן אסימטרי, אולם באותה תקופה לא היה מינוח לממצאים החדשים, והיה זה לורד קלווין שרק בשנת 1893 טבע את המושג כיראליות, וסיפק את ההגדרה המרחבית של תכונה זו: "אני קורא לכל צורה גאומטרית, או קבוצת נקודות, בכינוי כיראלית, ואומר שיש לה כיראליות, אם לא ניתן לחפוף אותה עם הדמות המדויקת שלה, שמשתקפת ממראה שטוחה" [1].

התקדמות משמעותית ביישום הכיראליות בתעשיית התרופות ובתעשיית המזון חלה במהלך המאה ה-20. בהקשר זה ראוי להזכיר את ויליאם סטאנדיש נולס, ריוג'י נויורו וקארל בארי שארפלס, זוכי פרס נובל לכימיה בשנת 2001. בעבודתם, אשר התמקדה בתחום הסינטזה של חומרים כיראליים, הם הצליחו לכוון ולזרז את תהליך היווצרותן של מולקולות כיראליות.

[עריכה] מבנה מרחבי

שני האננטיומרים של CIBrClF
הגדל
שני האננטיומרים של CIBrClF

שתי מולקולות בעלות אותו הרכב של אטומים נקראות איזומרים. שני איזומרים שבהם כל אטום קשור לאותם אטומים, אבל לא ניתן ליצור ביניהם חפיפה על-ידי סיבוב במרחב, נקראים סטריאואיזומרים. אם שני הסטריאואיזומרים הם גם תמונות מראה אחד של השני, אז מכנים אותם אננטיומרים, ולעומת זאת אם שני הסטריאואיזומרים אינם מהווים תמונת מראה זה של זה, אז הם יקראו דיאסטריאומרים. ניתן להעיר, שאם מולקולות א' וב' הן אננטיומרים, ומולקולה ג' היא דיאסטריאומר של מולקולה א', אז בהכרח מולקולה ג' היא גם דיאסטריאומר של מולקולה ב'.

תכונת הכיראליות מאפיינת את האננטיומרים. באופן כללי, תכונת הכיראליות נובעת ממבנה אסימטרי של המולקולה. מבנה סימטרי, שמאופיין בקיומו של מישור סימטרי במולקולה, כך ששני חצאי המולקולה המוגדרים על-ידי מישור זה מהווים תמונת מראה אחד של השני, יגרום למולקולה להיות אכיראלית (לא כיראלית). אם במולקולה מסוימת לא קיים מישור סימטריה, אז מולקולה זו תהיה כיראלית, ויחד עם תמונת המראה שלה הן יהיו אננטיומרים.

רוב המולקולות הכיראליות מכילות מרכז כיראלי או פחמן אסימטרי. פחמן כזה, קשור לארבעה מתמירים שונים במבנה טטרהדרלי, והוא גורם למולקולה לקבל מבנה אסימטרי. ניתן למצוא גם מולקולות כיראליות, שלא מכילות פחמן אסימטרי, כמו למשל ביפנילים. במולקולות אלו הכיראליות, או חוסר הסימטריה, נגרמת כתוצאה מקשיחות מבנית במולקולה, שלא מאפשרת לאטומים להסתדר במבנה סימטרי.

דוגמה לקביעת תצורה מוחלטת לפי כלל RS
הגדל
דוגמה לקביעת תצורה מוחלטת לפי כלל RS

לצורך הגדרת התצורה המוחלטת של מולקולות בעלות מרכזים כיראליים, כלומר הבחנה בין שני אננטיומרים, הוגדרה בשנת 1956 שיטה הקרויה כלל קהאן-אינגולד-פרלוג (Cahn-Ingold-Prelog rule), שלפיה מסמנים כל מרכז כיראלי באות R או באות S. בשיטה זו, יש לסדר את האטומים הקשורים לפחמן האסימטרי לפי המספר האטומי, כאשר האטום שמספרו האטומי הוא הגבוה ביותר יקבל את הסימון 1, הבא יסומן בתור 2, השלישי ייקרא 3, וזה שמספרו האטומי הוא הנמוך ביותר ייוצג על-ידי המספר 4. כעת, יש לסובב את הארבעון (טטרהדר) כך שאטום 4 יהיה מאחור, ולבדוק את כיוון הסיבוב מאטום 1 לאטום 2. אם הסיבוב מ-1 ל-2 (בלי לעבור דרך 3) הוא עם כיוון השעון, אז המרכז הכיראלי ייקרא R, אחרת הוא ייקרא S.

[עריכה] פעילות אופטית

אור בעל קיטוב לינארי, שעובר דרך חומר כיראלי נוזלי, או חומר כיראלי בתמיסה, משנה את כיוון הקיטוב. לחומר כיראלי יש מקדם שבירה שונה לגבי אור בעל קיטוב מעגלי ימני (RHC) יחסית לאור בעל קיטוב מעגלי שמאלי (LHC). הבדל זה במקדם השבירה גורם לסיבוב של כיוון הקיטוב, הואיל ואור מקוטב לינארית ניתן להצגה כצירוף לינארי של אור מקוטב RHC ושל אור מקוטב LHC.

אם הסיבוב של כיוון הקיטוב הוא עם כיוון השעון אז החומר הכיראלי מכונה (+) או d (דקסטרורוטטורי), ואם כיוון השינוי הוא נגד כיוון השעון אז החומר הכיראלי מכונה (-) או l (לבורוטטורי). אם אננטיומר מסוים מסובב את הקיטוב בכיוון (+), אז בן-זוגו יסובב את הקיטוב בכיוון (-) באותה מידה.

נהוג להגדיר גודל שנקרא סיבוב ספציפי (specific rotation), אשר מאפיין את זוית הסיבוב:

[\alpha]_\lambda^T = \frac{\alpha}{l \times c}
3 סטריאואיזומרים של חומצה טרטרית. (a) ו-(b) הם זוג אננטיומרים, ואילו (c) הוא דיאסטריאומר שלהם, הקרוי חומצה מזוטרטרית
הגדל
3 סטריאואיזומרים של חומצה טרטרית. (a) ו-(b) הם זוג אננטיומרים, ואילו (c) הוא דיאסטריאומר שלהם, הקרוי חומצה מזוטרטרית

כאשר α היא זווית הסיבוב של כיוון הקיטוב הלינארי הנמדדת בניסוי, l הוא המרחק שהאור עבר בתווך הכיראלי, c מייצג את ריכוז הדוגמה, T היא הטמפרטורה, ואילו λ מסמל את אורך הגל.

בהקשר זה ראוי לציין כי קיומו של מרכז כיראלי לא בהכרח מצביע על פעילות אופטית. ייתכנו מולקולות, המכילות יותר מפחמן אסימטרי אחד, שניתן למצוא בהן מישור סימטריה, ועל-כן הן אכיראליות וחסרות פעילות אופטית. דוגמאות בולטות הן תרכובות מזו, כאשר הקידומת "מזו-" מציינת חוסר פעילות אופטית. כך למשל לחומצה טרטרית יש 3 איזומרים אופטיים (סטריאואיזומרים) - שני אננטיומרים בעלי פעילות אופטית, בעוד שהאיזומר השלישי, הדיאסטריאומר, שקרוי חומצה מזוטרטרית, אינו פעיל אופטית.

[עריכה] כיראליות בביולוגיה

חומרים רבים המעורבים בפעילות ביולוגית הם כיראליים, כמו למשל: סוכרים, חומצות אמינו (מלבד גליצין), אנזימים והורמונים. לאננטיומרים של חומרים אלו יכולה להיות פעילות ביולוגית שונה, הנובעת מהתגובה שלהם עם חומרים כיראליים אשר נמצאים במערכות ביולוגיות, כמו למשל קולטנים ונוגדנים שהם בעצמם חלבונים כיראליים. חוסר ההתאמה המבני בין אננטיומר שנכנס לתא ובין חומרים כיראליים שמגיבים איתו יכול להתבטא כחוסר פעילות, כפעילות לא תקינה או כפעילות במהירות איטית.

אננטיומרים של גליצראלדהיד
הגדל
אננטיומרים של גליצראלדהיד

הגדרת התצורה המוחלטת של מולקולות כיראליות ביולוגיות נעשית ביחס לגליצראלדהיד. באופן שרירותי נקבע, כי המופע הטבעי של מולקולה זו יסומל באות D, ואילו האננטיומר שלו יסומל באות L. על-מנת לקבוע את התצורה של סוכר אחר, משרטטים את היטל פישר של הסוכר ומשווים את מיקומה של קבוצת OH הקשורה לפחמן האסימטרי האחרון (הפחמן השני מלמטה בהיטל פישר) בסוכר זה יחסית למיקומה בגליצראלדהיד. ניתן ליישם שיטה זו למולקולות כיראליות אחרות, שאינן סוכרים על-ידי בחינת מיקומה של קבוצה פונקציונלית אשר מכילה את קבוצת OH, וקשורה לפחמן האסימטרי האחרון. שיטת סימון זו לא ניתנת ליישום עבור מולקולות שאין בהן קבוצה כזאת.

ככל הידוע, כל הסוכרים מופיעים בטבע בתצורה D, ואילו כל חומצות האמינו הכיראליות מופיעות בתצורה L. למעשה, יצורים ביולוגיים לא מסוגלים לזהות ולנצל סוכרים בעלי תצורה L וחומצות אמינו בעלות תצורה D. אחת הבעיות המרכזיות אשר ניצבות בעת ניסיון להבין את ראשית החיים על-פני כדור-הארץ היא הבנת מקורה של אסימטריה זו. כך למשל, ניסוי מילר-יורי לא הצליח לייצר תגובה סטריאוספציפית, כלומר לייצר אננטיומר אחד בלבד.

[עריכה] דוגמאות

אננטיומרים של לימונן
הגדל
אננטיומרים של לימונן

בתעשיית המזון, תכונת הכיראליות יכולה להשפיע על הטעם ועל הריח של המוצר. כך למשל המולקולה אספרטיים ידועה כממתיק, ואילו האננטיומר שלה מר. דוגמה נוספת היא המולקולה לימונן שמופיעה בפירות הדר. הריח של לימונן בתצורה R הוא ריח תפוז, ואילו האננטיומר S-לימונן הוא בעל ריח של לימון. בגוף האדם יש קולטנים שמזהים את שני האננטיומרים ומבדילים ביניהם.

במחקר שנערך על זבוב פירות התגלה שהזבוב הזכר מפריש פרומון, בעל תצורה מסוימת, שאליו נמשכות הנקבות. בו בזמן, הנקבות מפרישות את המולקולה האננטיומרית, ולפרומון זה נמשכים הזכרים.

בתעשיית התרופות ידועות מולקולות כיראליות שונות, שרק גרסה אחת שלהן מבצעת את פעולת הריפוי, ואילו הגרסה השניה אינה מועילה, ולעתים אפילו מזיקה. כדוגמה ניתן לציין את התלידומיד שאננטיומר אחד שלו מקל על בחילות בוקר של נשים בהריון, ואילו לאננטיומר השני יש אפקט טרטוגני, כלומר פוגע בהתפתחות העובר. מולקולת התלידומיד היא גם דוגמה לאננטיומר שבקלות יכול להפוך בגוף לאננטיומר השני, כך שאפילו תרופה אשר מורכבת רק מהאננטיומר אשר מקל על בחילות בוקר איננה בטוחה.

[עריכה] ראו גם

שפות אחרות