ศูนย์ chiral ในวิชาเคมีคืออะไร?

ไครัลเซ็นเตอร์หรือเรียกอีกอย่างว่าศูนย์อสมมาตรไครัลอะตอมหรืออสมมาตรอะตอมคืออะตอมทรงสี่หน้าที่มีกลุ่มต่างๆ สี่กลุ่มติดอยู่ ดังนั้นจึงสามารถสร้างสารประกอบไครัลได้ Chirality หมายความว่าสารประกอบนี้ไม่สามารถซ้อนทับได้ด้วยภาพสะท้อนในกระจก ดังนั้นมันจึงสามารถดำรงอยู่ได้ในฐานะหนึ่งในสองอิแนนทิโอเมอร์หรือออปติคัลไอโซเมอร์ที่แตกต่างกัน

กล่าวกันว่ามัน “สามารถ” สร้างไครัลแบบผสมได้เนื่องจากการมีอยู่ของศูนย์ไครัลในโมเลกุลไม่ได้รับประกันว่าโมเลกุลโดยรวมจะเป็นแบบไครัล บางครั้งมันเกิดขึ้นที่สารประกอบมีศูนย์กลางไครัลมากกว่าหนึ่งแห่ง แต่โมเลกุลมีความสมมาตร ซึ่งทำให้มีไครัล

Chiral เป็นศูนย์กลางในเคมีอินทรีย์

ศูนย์กลาง Chiral มีอยู่ทั่วไปในสารประกอบอินทรีย์เนื่องจากอะตอมของคาร์บอนเป็นแบบ tetravalent และมีรูปทรงเรขาคณิตแบบ tetrahedral ด้วยเหตุนี้ อะตอมของคาร์บอนใดๆ ที่ถูกสร้างพันธะกับกลุ่มต่างๆ สี่กลุ่มจะเป็นคาร์บอนไครัล

ในเคมีอินทรีย์ เป็นเรื่องปกติที่จะระบุศูนย์ไครัลโดยการเพิ่มเครื่องหมายดอกจันถัดจากอะตอมดังกล่าว ในกรณีอื่น ๆ ข้อเท็จจริงเพียงการระบุทิศทางอย่างชัดเจนในอวกาศของกลุ่มที่ติดอยู่กับอะตอมในโมเลกุลอินทรีย์ (แสดงพันธะเป็นลิ่มและเส้น) ก็เพียงพอที่จะตระหนักว่าอะตอมดังกล่าวเป็นศูนย์กลางไครัล

นอกจากคาร์บอนแล้ว อะตอมอื่นๆ ที่สามารถเป็นไครัลเซ็นเตอร์ในสารประกอบอินทรีย์ได้เช่นกัน ได้แก่ ซิลิกอน ไนโตรเจน และฟอสฟอรัส ศูนย์ไครัลเหล่านี้มีรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่างและตัวอย่างของแต่ละศูนย์มีให้

คาร์บอน (C) เป็นศูนย์กลางไครัล

ในเคมีอินทรีย์ ศูนย์ไครัลส่วนใหญ่สอดคล้องกับอะตอมของคาร์บอนทรงเตตระฮีดรัล ซึ่งมักเรียกว่าไครัลคาร์บอนหรือคาร์บอนอสมมาตร มีสารประกอบอินทรีย์ที่มีไครัลคาร์บอนนับไม่ถ้วน ทั้งจากธรรมชาติและสังเคราะห์

ตัวอย่างเช่นสารประกอบส่วนใหญ่ที่มีความสำคัญทางชีวภาพมีคาร์บอนไครัลตั้งแต่หนึ่งชนิดขึ้นไป เช่นในกรณีของกรดอะมิโนเกือบทั้งหมด ซึ่งอัลฟ่าคาร์บอนเป็นศูนย์กลางไครัล โปรตีนซึ่งสามารถมีกรดอะมิโนหลายพันตัวเชื่อมโยงเข้าด้วยกัน จึงมี chiral center นับพันตัว ในทางกลับกัน คาร์โบไฮเดรตสามารถมี 1, 2, 3 และแม้แต่ 4 ไครัลคาร์บอน ซึ่งก่อให้เกิดสเตอรีโอไอโซเมอร์ที่แตกต่างกันจำนวนมาก

ตัวอย่างของคาร์บอนที่เป็น chiral center ในกรดอะมิโน L-Alanine:

แอล-อะลานีนเป็นตัวอย่างของกรดอะมิโนที่มีจุดศูนย์กลางไครัลอยู่ที่คาร์บอน 2 ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าคาร์บอนอัลฟ่า

ซิลิคอน (Si) เป็นศูนย์กลางไครัล

ซิลิคอนเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของธาตุเตตระวาเลนต์ซึ่งบางครั้งพบในสารประกอบอินทรีย์บางชนิด ธาตุนี้จัดอยู่ในกลุ่มคาร์บอนในตารางธาตุและยังเป็นอะตอมแบบ tetrahedral เมื่อมีสี่หมู่ติดกัน ซึ่งหมายความว่าเมื่อมีสี่กลุ่มที่แตกต่างกัน จะสอดคล้องกับศูนย์ไครัล

ตัวอย่างของซิลิกอนเป็น chiral center:

ในสารประกอบต่อไปนี้ สามารถมองเห็นอะตอมซิลิกอนที่ไม่สมมาตรซึ่งเป็นจุดศูนย์กลางไครัล การมีไคแรลเพียงจุดเดียว โมเลกุลทั้งหมดจึงเป็นไคแรล

ไนโตรเจน (N) เป็นศูนย์กลางไครัล

อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวสามารถนับเป็น “กลุ่มที่แตกต่างกัน” เมื่อพิจารณาว่าอะตอมเป็นศูนย์ไครัลที่เป็นไปได้ ^{ซึ่งหมายความว่า sp 3} -hybridized ไนโตรเจนที่สร้างพันธะเดี่ยวสามพันธะและยังมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวในโครงสร้างของมันอาจเป็นศูนย์ไครัลได้หากทั้งสามกลุ่มแตกต่างกัน

ดังนั้น ในเอมีนทุติยภูมิและตติยภูมิจำนวนมากที่มีหมู่อัลคิลต่างกัน อะตอมของไนโตรเจนอาจถูกพิจารณาว่าเป็นศูนย์กลางไครัล ปัญหาคือเอมีนเหล่านี้สามารถเกิดการผกผันของศูนย์กลางไครัลได้หากหมู่อัลคิลเป็นโซ่เปิด ดังนั้นในกรณีเหล่านี้ไม่ถือว่าไนโตรเจนเป็นไครัล

อย่างไรก็ตาม หากอัลคิลเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างแบบวัฏจักรที่ป้องกันการผกผัน ไนโตรเจนก็จะเป็นศูนย์กลางไครัล

อีกกรณีหนึ่งที่ไนโตรเจนสามารถเป็น chiral center ได้เช่นกัน เกิดขึ้นเมื่อมีไอออนบวกอินทรีย์ที่ได้จากแอมโมเนียม เช่น ไอออนบวกเตตระอัลคิลแลมโมเนียม ในกรณีเหล่านี้ ไนโตรเจนเชื่อมโยงกับกลุ่มสี่กลุ่ม ซึ่งถ้าแตกต่างกัน จะทำให้ไนโตรเจนเป็นศูนย์ไครัล

ตัวอย่างของไนโตรเจนที่เป็นไครัลเซ็นเตอร์ในไทรอัลคิลแลมโมเนียมไอออนบวก:

ฟอสฟอรัส (P) เป็นศูนย์กลางไครัล

มีสารประกอบฟอสฟอรัสอินทรีย์หลายชนิดที่มีโครงสร้างคล้ายกับเอมีนซึ่งเป็นอนุพันธ์ของฟอสฟีน อย่างไรก็ตาม ในกรณีอื่นๆ เช่น กรดฟอสฟอริกและอนุพันธ์ของกรดฟอสฟอริก (เช่น เอสเทอร์ เป็นต้น) ฟอสฟอรัสจะถูกล้อมรอบด้วยกลุ่มสี่กลุ่มที่กระจายในลักษณะประมาณสี่ส่วน เช่นเคย ถ้าทั้งสี่หมู่ต่างกัน ฟอสฟอรัสจะเป็นไครัลเซ็นเตอร์

ตัวอย่างของฟอสฟอรัสที่เป็น chiral center:

Chiral เป็นศูนย์กลางในเคมีอนินทรีย์

นอกจากสารประกอบอินทรีย์แล้ว สารประกอบอนินทรีย์ยังสามารถมีไครัลเซ็นเตอร์ได้อีกด้วย สำหรับผู้เริ่มต้น ทั้งซิลิกอนและฟอสฟอรัสสามารถสร้างสารประกอบอนินทรีย์โควาเลนต์จำนวนมากซึ่งพวกมันก็มีสถานะเป็นเตตระวาเลนต์ด้วย ดังนั้นจึงอาจเป็นไครัลเซ็นเตอร์ได้

แต่นอกเหนือจากกรณีเหล่านี้แล้ว ยังมีสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิกอีกมากมายที่โลหะมีค่าพิกัดเป็นสี่ และยังสามารถประกอบเป็นรูปทรงเรขาคณิตสี่หน้าได้อีกด้วย เช่นในกรณีของสารประกอบเชิงซ้อนของนิกเกิล

นอกจากนี้ ยังมีสารเชิงซ้อนที่มีรูปทรงแปดด้าน (มีลิแกนด์ 6 ตัวหรือกลุ่มกระจายอยู่รอบๆ โลหะกลาง) ซึ่งนำเสนอความเป็นไครัลลิตี้ด้วย ดังนั้นอะตอมของอะตอมจึงเป็นศูนย์กลางไครัล

อ้างอิง

บอร์แมน เอส. (2017). ตีฟอสฟอรัสให้เป็นรูป chiral C&EN Global Enterprise, 95(18), 5. https://doi.org/10.1021/cen-09518-notw1Chelouan, A. (2014). อนุพันธ์ไครัลของกำมะถันและฟอสฟอรัส: การสังเคราะห์และการประยุกต์ใช้ในการเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตร สืบค้นจากhttps://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=46408

DiRocco, DA, Ji, Y., Sherer, EC, Klapars, A., Reibarkh, M., Dropinski, J., . . . เดวีส์ IW (2017) ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบมัลติฟังก์ชั่นที่คัดเลือกแบบสเตอริโอเพื่อประกอบผลิตภัณฑ์ วิทยาศาสตร์, 356(6336), 426–430. https://doi.org/10.1126/science.aam7936

มิกคาเอล เฮนริออน (2014) การสังเคราะห์และการประยุกต์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันของสารเชิงซ้อนนิกเกิล(II)-N-เฮเทอโรไซคลิก คาร์บีน การเร่งปฏิกิริยา มหาวิทยาลัยสตราสบูร์ก.

Mott, V. (น.). Tetrahedral และ Square Planar Complexes | เคมีเบื้องต้น. สืบค้นจากhttps://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/tetrahedral-and-square-planar-complexes/

ไวนิงเงอร์ SJ และ Stermitz FR (1988) เคมีอินทรีย์ (ฉบับภาษาสเปน) (ฉบับที่ 1) บาร์เซโลนา สเปน: บทบรรณาธิการ Reverte.