Chiral (Chiral)

Chiral, từ tiếng Hy Lạp kheir nghĩa là “bàn tay”, là một tính chất của một đối tượng không thể chồng lên hình ảnh phản chiếu của nó trong gương. Giống như hai bàn tay của bạn, chúng là hình ảnh phản chiếu của nhau nhưng bạn không thể xoay hay lật để làm cho chúng chồng khít lên nhau hoàn toàn. Trong hóa học, tính chất này được gọi là tính chiral và các phân tử thể hiện tính chất này được gọi là phân tử chiral hay enantiomer.

Chiral trong Hóa học

Trong hóa học, một phân tử chiral thường chứa một nguyên tử carbon bất đối xứng (còn gọi là trung tâm chiral hoặc stereocenter). Đây là một nguyên tử carbon liên kết với bốn nhóm thế khác nhau. Ví dụ:

CHBrClF

Trong ví dụ trên, nguyên tử carbon trung tâm liên kết với bốn nguyên tử khác nhau: hydro (H), brom (Br), clo (Cl) và flo (F). Phân tử này là chiral. Sự khác biệt về bốn nhóm thế này dẫn đến sự tồn tại của hai dạng đồng phân lập thể, là hình ảnh phản chiếu của nhau trong gương nhưng không thể chồng khít lên nhau, tương tự như hai bàn tay. Hai dạng này được gọi là một cặp enantiomer. Chúng có cùng công thức phân tử và cùng cấu trúc liên kết, nhưng khác nhau về sự sắp xếp không gian của các nguyên tử.

Enantiomer

Hai phân tử là hình ảnh phản chiếu trong gương của nhau nhưng không thể chồng lên nhau được gọi là enantiomer (hay đồng phân quang học). Chúng có cùng công thức phân tử và liên kết hóa học, nhưng khác nhau về cách sắp xếp không gian ba chiều của các nguyên tử. Sự khác biệt này trong cấu trúc ba chiều là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về tính chất chiral của chúng.

Hoạt tính quang học

Một tính chất quan trọng của các enantiomer là hoạt tính quang học. Chúng có khả năng quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực phẳng. Một enantiomer quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo chiều kim đồng hồ (dextrorotatory, ký hiệu (+)) và enantiomer kia quay theo chiều ngược kim đồng hồ (levorotatory, ký hiệu (-)). Góc quay của hai enantiomer là bằng nhau về độ lớn nhưng ngược chiều. Tính chất này được sử dụng để phân biệt và xác định nồng độ của từng enantiomer trong một hỗn hợp.

Hỗn hợp racemic

Một hỗn hợp chứa lượng bằng nhau của hai enantiomer được gọi là hỗn hợp racemic. Hỗn hợp racemic không có hoạt tính quang học vì hiệu ứng quay quang của hai enantiomer triệt tiêu lẫn nhau. Điều này có nghĩa là một hỗn hợp racemic sẽ không làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực phẳng.

Tầm quan trọng của tính chiral

Tính chiral có vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong sinh học và dược học. Nhiều phân tử sinh học, như amino acid và đường, là chiral. Thông thường, chỉ một enantiomer của một phân tử dược phẩm có hoạt tính sinh học mong muốn, trong khi enantiomer kia có thể không hoạt động hoặc thậm chí gây hại. Ví dụ, thalidomide, một loại thuốc được sử dụng vào những năm 1960 để điều trị ốm nghén, đã gây ra dị tật bẩm sinh nghiêm trọng. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng chỉ một enantiomer của thalidomide có tác dụng điều trị, trong khi enantiomer kia gây ra các tác dụng phụ nguy hiểm. Vì vậy, việc hiểu rõ tính chiral là rất quan trọng trong việc thiết kế và phát triển thuốc.

Các dạng biểu diễn phân tử chiral

Có nhiều cách để biểu diễn phân tử chiral, bao gồm công thức chiếu Fischer, công thức phối cảnh và mô hình phân tử ba chiều. Các phương pháp này giúp hình dung cấu trúc không gian của phân tử và so sánh các đồng phân lập thể khác nhau.

Công thức chiếu Fischer

Trong phương pháp này, các liên kết ngang được hiểu là hướng về phía trước, ra khỏi mặt phẳng giấy, trong khi các liên kết dọc được hiểu là hướng về phía sau, vào trong mặt phẳng giấy. Nguyên tử carbon chiral nằm tại giao điểm của các đường ngang và dọc. Ví dụ, đối với glyceraldehyde:

     CHO
    |
H--C--OH
    |
     CH₂OH

Công thức phối cảnh

Phương pháp này sử dụng các đường nét đậm và nét đứt để biểu diễn các liên kết. Đường nét đậm biểu thị liên kết hướng ra phía trước, ra khỏi mặt phẳng giấy, còn đường nét đứt biểu thị liên kết hướng về phía sau, vào trong mặt phẳng giấy.

Mô hình phân tử ba chiều

Đây là cách trực quan nhất để biểu diễn phân tử chiral, cho phép ta nhìn thấy sự sắp xếp không gian thực tế của các nguyên tử trong phân tử. Các mô hình này có thể được xây dựng bằng tay hoặc sử dụng phần mềm máy tính.

Các trung tâm chiral khác

Mặc dù nguyên tử carbon bất đối xứng là loại trung tâm chiral phổ biến nhất, nhưng các nguyên tử khác như nitơ, photpho và lưu huỳnh cũng có thể là trung tâm chiral. Ngoài ra, tính chiral cũng có thể xuất hiện ở các phân tử không có trung tâm chiral riêng lẻ, ví dụ như các biphenyls bị cản trở vòng quay hoặc allenes.

Định danh cấu hình tuyệt đối

Để phân biệt rõ ràng giữa hai enantiomer, người ta sử dụng hệ thống quy tắc Cahn-Ingold-Prelog (CIP) để gán cấu hình R hoặc S cho mỗi trung tâm chiral. Quy tắc này dựa trên thứ tự ưu tiên của các nhóm thế gắn với nguyên tử carbon chiral.

Chiral trong vật liệu

Tính chiral không chỉ giới hạn ở các phân tử. Nó cũng có thể được tìm thấy trong các vật liệu như tinh thể lỏng và các cấu trúc nano. Các vật liệu chiral có thể thể hiện các tính chất quang học và điện tử độc đáo.

Tóm tắt về Chiral

Tính chiral, xuất phát từ tiếng Hy Lạp nghĩa là “bàn tay”, là một thuộc tính quan trọng mô tả các đối tượng không thể chồng lên hình ảnh phản chiếu của chúng. Điều này giống như hai bàn tay của bạn; chúng là hình ảnh phản chiếu nhưng không thể chồng khít lên nhau hoàn toàn. Trong hóa học, phân tử chiral sở hữu tính chiral này và thường chứa một nguyên tử carbon bất đối xứng, còn được gọi là trung tâm chiral, liên kết với bốn nhóm thế khác nhau, ví dụ như $CHBrClF$.

Hai hình ảnh phản chiếu không chồng lên nhau của một phân tử chiral được gọi là enantiomer. Mặc dù có cùng công thức phân tử và liên kết, enantiomer khác nhau về sự sắp xếp không gian của các nguyên tử, dẫn đến hoạt tính quang học khác nhau. Một enantiomer quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo chiều kim đồng hồ (dextrorotatory, hoặc +), trong khi enantiomer kia quay nó theo chiều ngược kim đồng hồ (levorotatory, hoặc -). Hỗn hợp chứa lượng bằng nhau của cả hai enantiomer được gọi là hỗn hợp racemic và không thể hiện hoạt tính quang học tổng thể.

Tính chiral có ý nghĩa sâu sắc trong các lĩnh vực như sinh học và dược phẩm. Nhiều phân tử sinh học, bao gồm axit amin và đường, là chiral. Trong dược phẩm, thường chỉ một enantiomer của thuốc thể hiện tác dụng điều trị mong muốn, trong khi enantiomer kia có thể không hoạt động hoặc thậm chí có hại. Việc hiểu và phân biệt enantiomer là rất quan trọng trong việc phát triển thuốc an toàn và hiệu quả. Các phương pháp biểu diễn phân tử chiral, bao gồm công thức chiếu Fischer và công thức phối cảnh, giúp hình dung cấu trúc ba chiều của chúng. Cuối cùng, hãy nhớ rằng tính chiral không chỉ giới hạn ở các nguyên tử carbon mà còn có thể tồn tại ở các nguyên tử khác và thậm chí trong các vật liệu như tinh thể lỏng.

Tài liệu tham khảo:

Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2016). Organic Chemistry: Structure and Function. W. H. Freeman and Company.
Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., & Wothers, P. (2001). Organic Chemistry. Oxford University Press.
McMurry, J. (2012). Organic Chemistry. Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để xác định một phân tử có phải là chiral hay không?

Trả lời: Cách đơn giản nhất để xác định một phân tử có phải là chiral hay không là tìm kiếm sự hiện diện của một nguyên tử carbon bất đối xứng (trung tâm chiral). Đây là một nguyên tử carbon liên kết với bốn nhóm thế khác nhau. Nếu phân tử có một trung tâm chiral, nó thường là chiral. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý trường hợp ngoại lệ như meso compounds. Một cách khác là kiểm tra xem phân tử có trùng khớp với hình ảnh phản chiếu của nó hay không. Nếu không trùng khớp, phân tử đó là chiral.

Ngoài nguyên tử carbon, nguyên tố nào khác có thể là trung tâm chiral?

Trả lời: Mặc dù carbon là trung tâm chiral phổ biến nhất, các nguyên tố khác như nitơ, photpho, lưu huỳnh và thậm chí kim loại chuyển tiếp cũng có thể là trung tâm chiral. Điều kiện là nguyên tử đó phải liên kết với các nhóm thế khác nhau theo một cách sắp xếp không gian không chồng lên được với hình ảnh phản chiếu của nó.

Hỗn hợp racemic ảnh hưởng như thế nào đến hoạt tính quang học?

Trả lời: Hỗn hợp racemic, chứa lượng bằng nhau của hai enantiomer, không thể hiện hoạt tính quang học. Điều này là do hiệu ứng quay quang của một enantiomer (+) bị triệt tiêu bởi hiệu ứng quay ngược chiều của enantiomer (-).

Tại sao tính chiral lại quan trọng trong dược phẩm?

Trả lời: Tính chiral rất quan trọng trong dược phẩm vì hai enantiomer của cùng một phân tử có thể có tác dụng sinh học rất khác nhau. Một enantiomer có thể có tác dụng điều trị mong muốn, trong khi enantiomer kia có thể không hoạt động hoặc thậm chí gây ra tác dụng phụ có hại. Ví dụ thảm họa thalidomide là minh chứng rõ ràng cho điều này.

Làm thế nào để phân biệt hai enantiomer của một phân tử chiral?

Trả lời: Hai enantiomer được phân biệt bằng cách sử dụng quy tắc Cahn-Ingold-Prelog (CIP). Quy tắc này gán cấu hình tuyệt đối R hoặc S cho mỗi trung tâm chiral dựa trên thứ tự ưu tiên của bốn nhóm thế xung quanh nó. Ngoài ra, chúng cũng được phân biệt bằng khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực: (+)-dextrorotatory và (-)-levorotatory.

Một số điều thú vị về Chiral

Mùi hương khác nhau: Carvone, một phân tử chiral, tồn tại dưới dạng hai enantiomer. Một enantiomer có mùi thì là, trong khi enantiomer kia có mùi bạc hà. Điều này cho thấy cách sắp xếp không gian nhỏ bé của các nguyên tử có thể ảnh hưởng đáng kể đến cách chúng ta cảm nhận thế giới.
Vị khác nhau: Aspartame, một chất làm ngọt nhân tạo, cũng là chiral. Một enantiomer có vị ngọt, trong khi enantiomer kia không có vị. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của tính chiral trong ngành công nghiệp thực phẩm.
Thuốc chỉ dùng một enantiomer: Nhiều loại thuốc hiện đại chỉ sử dụng một enantiomer của phân tử chiral, vì enantiomer kia có thể không hiệu quả hoặc thậm chí gây hại. Ví dụ, ibuprofen, một loại thuốc giảm đau thông thường, được bán dưới dạng hỗn hợp racemic, nhưng chỉ có một enantiomer có tác dụng giảm đau.
Ốc sên và tính chiral: Vỏ của một số loài ốc sên thể hiện tính chiral, xoắn ốc theo một chiều cụ thể. Điều thú vị là hầu hết các loài ốc sên đều có vỏ xoắn ốc theo cùng một chiều, cho thấy vai trò của tính chiral trong quá trình tiến hóa.
Chiral trong thế giới côn trùng: Một số pheromone của côn trùng, chất hóa học được sử dụng để giao tiếp, là chiral. Một enantiomer có thể thu hút côn trùng, trong khi enantiomer kia thì không, hoặc thậm chí có thể xua đuổi chúng. Điều này đã được ứng dụng trong việc phát triển các loại thuốc trừ sâu thân thiện với môi trường, nhắm mục tiêu vào các loài côn trùng cụ thể.
Limonene trong vỏ cam và chanh: Limonene, một phân tử chiral, chịu trách nhiệm cho mùi hương đặc trưng của vỏ cam và chanh. Enantiomer được tìm thấy trong vỏ cam tạo ra mùi cam, trong khi enantiomer trong vỏ chanh tạo ra mùi chanh.
Amino acid trong tự nhiên: Hầu hết các amino acid được tìm thấy trong protein của sinh vật sống đều là chiral và tồn tại dưới dạng L-enantiomer. Nguồn gốc của sự ưu tiên này vẫn là một bí ẩn trong khoa học.
Thalidomide: Bi kịch và bài học: Câu chuyện về thalidomide, một loại thuốc được sử dụng vào những năm 1960 gây ra dị tật bẩm sinh, là một ví dụ bi thảm về tầm quan trọng của việc xem xét tính chiral trong phát triển thuốc. Một enantiomer của thalidomide có tác dụng giảm đau, trong khi enantiomer kia gây ra dị tật bẩm sinh.