Các phân tử chiral thường chứa một hoặc nhiều nguyên tử cacbon bất đối xứng, còn được gọi là trung tâm chiral. Một nguyên tử cacbon bất đối xứng là một nguyên tử cacbon liên kết với bốn nhóm thế khác nhau. Sự sắp xếp không gian của bốn nhóm thế này xung quanh nguyên tử cacbon trung tâm quyết định tính chiral của phân tử. Tuy nhiên, sự hiện diện của nguyên tử cacbon bất đối xứng không phải là điều kiện cần và đủ cho tính chiral. Một số phân tử không có nguyên tử cacbon bất đối xứng vẫn có thể thể hiện tính chiral do sự hiện diện của các yếu tố chiral khác, chẳng hạn như trục chiral hoặc mặt phẳng chiral.
Tính bất đối xứng hoặc tính chất đối quang
Tính chiral, hay còn gọi là tính bất đối xứng hoặc tính chất đối quang, là một tính chất của một đối tượng không thể chồng khít lên ảnh phản chiếu của nó trong gương. Hãy tưởng tượng bàn tay trái và bàn tay phải của bạn. Chúng là hình ảnh phản chiếu của nhau, nhưng bạn không thể xoay hoặc di chuyển bàn tay trái để nó trùng khớp hoàn toàn với bàn tay phải. Đây chính là một ví dụ kinh điển về tính chiral. Nói cách khác, một vật thể chiral không có mặt phẳng đối xứng.
Từ nguyên: Từ “chiral” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp kheir, nghĩa là “tay”.
Định nghĩa hình học và các khái niệm liên quan
Một vật thể được coi là chiral nếu nó thiếu tính đối xứng gương. Nói cách khác, không có bất kỳ phép quay hay tịnh tiến nào có thể làm cho vật thể trùng khớp với ảnh phản chiếu của nó.
Trung tâm bất đối xứng/Trung tâm chiral: Trong hóa học, tính chiral thường xuất hiện ở các phân tử có trung tâm bất đối xứng hay còn gọi là trung tâm chiral. Đây thường là một nguyên tử carbon (C) liên kết với bốn nhóm thế khác nhau. Nguyên tử carbon này được gọi là carbon bất đối xứng hoặc carbon chiral. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không phải mọi phân tử có trung tâm chiral đều là chiral (ví dụ như các meso compound).
Enantiomer: Hai phân tử là hình ảnh phản chiếu trong gương của nhau nhưng không thể chồng khít lên nhau được gọi là một cặp enantiomer. Chúng có cùng công thức phân tử và cùng liên kết hóa học, nhưng khác nhau về sự sắp xếp không gian ba chiều của các nguyên tử.
Tính chất của enantiomer:
- Tính chất vật lý: Hầu hết các tính chất vật lý của enantiomer, như điểm nóng chảy, điểm sôi, mật độ, đều giống nhau.
- Tính chất hóa học: Enantiomer phản ứng giống nhau với các chất không chiral. Tuy nhiên, chúng có thể phản ứng khác nhau với các chất chiral khác, tương tự như cách bàn tay trái chỉ vừa vặn với găng tay trái.
- Hoạt tính quang học: Một tính chất quan trọng phân biệt enantiomer là hoạt tính quang học. Chúng xoay mặt phẳng của ánh sáng phân cực phẳng theo các hướng ngược nhau. Enantiomer xoay mặt phẳng ánh sáng phân cực phẳng về bên phải được gọi là dạng hữu tuyền (+), còn enantiomer xoay mặt phẳng ánh sáng phân cực phẳng về bên trái được gọi là dạng tả tuyền (-).
Ý nghĩa của tính chiral:
Tính chiral đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong hóa học, sinh học và dược học.
- Hóa học: Tính chiral ảnh hưởng đến tính chất và phản ứng của các hợp chất hóa học.
- Sinh học: Nhiều phân tử sinh học, như amino acid (trừ glycine) và đường, là chiral. Sự sống trên Trái Đất chủ yếu dựa vào các phân tử dạng L của amino acid và dạng D của đường.
- Dược học: Các enantiomer của một loại thuốc có thể có tác dụng sinh học khác nhau. Ví dụ, một enantiomer có thể có tác dụng chữa bệnh, trong khi enantiomer kia có thể độc hại.
Ví dụ:
Một ví dụ đơn giản về phân tử chiral là axit lactic, $CH_3CH(OH)COOH$. Nguyên tử carbon trung tâm liên kết với bốn nhóm thế khác nhau: $CH_3$, $H$, $OH$, và $COOH$, làm cho nó trở thành một carbon chiral. Axit lactic tồn tại dưới dạng hai enantiomer.
Tính chiral, hay tính bất đối xứng, là một tính chất quan trọng mô tả các vật thể và phân tử không thể chồng khít lên ảnh phản chiếu trong gương của chúng. Hãy nghĩ đến bàn tay của bạn; chúng là hình ảnh phản chiếu của nhau, nhưng không thể chồng khít lên nhau. Trong hóa học, tính chiral thường phát sinh từ sự hiện diện của một nguyên tử carbon chiral, một nguyên tử carbon liên kết với bốn nhóm thế khác nhau.
Các phân tử chiral tồn tại dưới dạng các cặp enantiomer, là hình ảnh phản chiếu trong gương không thể chồng khít lên nhau. Mặc dù enantiomer có các tính chất vật lý giống nhau, nhưng chúng có thể thể hiện các tính chất hóa học khác nhau khi tương tác với các phân tử chiral khác. Một tính chất đặc trưng phân biệt enantiomer là hoạt tính quang học của chúng – khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực phẳng. Một enantiomer quay mặt phẳng ánh sáng sang phải (dạng hữu tuyền, +), trong khi enantiomer kia quay nó sang trái (dạng tả tuyền, -).
Tính chiral đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là sinh học và dược học. Nhiều phân tử sinh học, bao gồm amino acid và đường, là chiral. Thường thì chỉ một enantiomer của một loại thuốc có hoạt tính sinh học mong muốn, trong khi enantiomer kia có thể không hoạt động hoặc thậm chí có hại. Do đó, việc hiểu và kiểm soát tính chiral là rất quan trọng trong việc phát triển và sản xuất thuốc. Việc tách enantiomer, được gọi là phân giải, là một quá trình thiết yếu trong hóa học và công nghiệp dược phẩm.
Tài liệu tham khảo:
- Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., & Wothers, P. (2001). Organic chemistry. Oxford University Press.
- Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2018). Organic chemistry: Structure and function. W. H. Freeman and Company.
- Eliel, E. L., & Wilen, S. H. (1994). Stereochemistry of organic compounds. John Wiley & Sons.
Câu hỏi và Giải đáp
Câu hỏi 1: Ngoài carbon, những nguyên tử nào khác có thể là trung tâm chiral?
Trả lời: Mặc dù carbon là trung tâm chiral phổ biến nhất, các nguyên tử khác như phosphor (P), lưu huỳnh (S), nitơ (N) và silicon (Si) cũng có thể là trung tâm chiral nếu chúng liên kết với bốn nhóm thế khác nhau. Ví dụ, amin bậc ba với ba nhóm alkyl khác nhau và một cặp electron không chia sẻ trên nguyên tử nitơ là chiral.
Câu hỏi 2: Làm thế nào để xác định cấu hình tuyệt đối (R/S) của một phân tử chiral?
Trả lời: Cấu hình tuyệt đối (R/S) được xác định bằng cách sử dụng quy tắc Cahn-Ingold-Prelog (CIP). Đầu tiên, bốn nhóm thế gắn với carbon chiral được ưu tiên dựa trên số hiệu nguyên tử của chúng (số hiệu nguyên tử càng cao thì độ ưu tiên càng cao). Sau đó, phân tử được định hướng sao cho nhóm thế có độ ưu tiên thấp nhất hướng ra xa người quan sát. Nếu thứ tự ưu tiên của ba nhóm thế còn lại giảm dần theo chiều kim đồng hồ, thì cấu hình là R (rectus). Nếu thứ tự giảm dần theo chiều ngược kim đồng hồ, thì cấu hình là S (sinister).
Câu hỏi 3: Có sự khác biệt nào về năng lượng giữa hai enantiomer không?
Trả lời: Trong môi trường achiral (không chiral), hai enantiomer có cùng năng lượng. Tuy nhiên, trong môi trường chiral, chẳng hạn như khi tương tác với một phân tử chiral khác, năng lượng của hai enantiomer có thể khác nhau. Sự khác biệt về năng lượng này là cơ sở cho sự chọn lọc enantiomer trong các phản ứng hóa học và các quá trình sinh học.
Câu hỏi 4: Tại sao sự phân giải racemic lại quan trọng trong công nghiệp dược phẩm?
Trả lời: Như đã đề cập trong trường hợp của thalidomide, các enantiomer khác nhau của một loại thuốc có thể có tác dụng sinh học khác nhau. Trong nhiều trường hợp, chỉ một enantiomer có tác dụng điều trị mong muốn, trong khi enantiomer kia có thể không hoạt động hoặc thậm chí có hại. Do đó, sự phân giải racemic để thu được enantiomer mong muốn là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn của thuốc.
Câu hỏi 5: Ngoài hoạt tính quang học, còn có phương pháp nào khác để phân biệt enantiomer không?
Trả lời: Có, ngoài hoạt tính quang học, còn có các phương pháp khác để phân biệt enantiomer, bao gồm sắc ký chiral, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) với thuốc thử chiral, và tinh thể học tia X. Sắc ký chiral là một phương pháp phổ biến được sử dụng để tách và phân tích enantiomer.
- Mùi hương đối lập: Carvone, một phân tử chiral, có hai enantiomer. Một enantiomer tạo ra mùi bạc hà cay nồng, trong khi enantiomer kia có mùi thì là. Sự khác biệt về mùi này cho thấy cách các thụ thể mùi hương chiral trong mũi của chúng ta tương tác đặc trưng với các enantiomer khác nhau.
- Thalidomide – một bi kịch về tính chiral: Vào những năm 1960, thalidomide được kê đơn cho phụ nữ mang thai để điều trị ốm nghén. Tuy nhiên, một enantiomer của thuốc có tác dụng an thần mong muốn, trong khi enantiomer kia lại gây ra dị tật bẩm sinh nghiêm trọng. Bi kịch này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét tính chiral trong phát triển thuốc.
- Tính chiral trong tự nhiên: Hầu hết các axit amin tự nhiên tồn tại ở dạng L, trong khi các loại đường tự nhiên thường ở dạng D. Lý do cho sự ưu tiên này vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn, nhưng nó có ý nghĩa sâu sắc đối với sự sống trên Trái đất.
- Ốc sên và tính chiral: Vỏ của một số loài ốc sên thể hiện tính chiral, xoắn ốc theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Thú vị là một enantiomer của ốc sên có thể gặp khó khăn trong việc giao phối với enantiomer kia do sự không tương thích về hình dạng vỏ.
- Tinh thể chiral: Một số tinh thể, như thạch anh, thể hiện tính chiral ở cấp độ vĩ mô. Chúng có thể quay mặt phẳng ánh sáng phân cực phẳng, tương tự như các phân tử chiral.
- Limonene – hương cam quýt: Limonene, một phân tử chiral được tìm thấy trong vỏ cam quýt, có hai enantiomer. Một enantiomer tạo ra mùi cam, trong khi enantiomer kia có mùi chanh. Điều này cho thấy một ví dụ khác về cách các enantiomer khác nhau có thể tạo ra các mùi khác nhau.
- Sự phân giải tự phát: Trong một số trường hợp hiếm hoi, một hỗn hợp racemic có thể tự tách thành các tinh thể riêng biệt của từng enantiomer. Hiện tượng hấp dẫn này được gọi là sự phân giải tự phát.