Χειρομορφία (χημεία)

Διάταξη ατόμων στα δύο εναντιομερή ενός χειρόμορφου μορίου (αμινοξύ), σε αντιστοιχία με την διάταξη των δακτύλων στα δύο χέρια. Η χειρομορφία συνίσταται στο ότι πρόκειται περί κατοπτρικών ειδώλων, τα οποία όμως δεν συμπίπτουν αν μετατεθούν το ένα πάνω στο άλλο.

Χειρομορφία ονομάζεται στη χημεία (στην κρυσταλλογραφία καλείται και εναντιομορφία) η διάταξη ατόμων στον χώρο, στην οποία ορισμένες πράξεις συμμετρίας, για παράδειγμα ο αντικατοπτρισμός ως προς ένα επίπεδο, δεν οδηγούν στην αυτοαπεικόνιση. Ένα ή περισσότερα άτομα σε ένα μόριο είναι δυνατόν να αποτελούν ένα ή περισσότερα στερεογονικά κέντρα.

Μόρια με αυτήν την ιδιότητα ονομάζονται χειρόμορφα, μόρια χωρίς αυτήν την ιδιότητα ονομάζονται μη χειρόμορφα (ή αχειρόμορφα).

Παραδείγματα από την καθημερινή ζωή για χειρόμορφα είναι το δεξί και το αριστερό χέρι ή δύο κελύφη σαλιγκαριών το ένα δεξιόστροφο το άλλο αριστερόστροφο.

Γενικά ένα αντικείμενο είναι ακριβώς τότε χειρόμορφο, όταν δεν υπάρχει άξονας περιστροφής, που να είναι συγχρόνως άξονας συμμετρίας. Άλλα στοιχεία συμμετρίας είναι συμβατά με την ιδιότητα της χειρομορφίας.

(S)-αλανίνη (αριστερά) και (R)-αλανίνη (δεξιά) σε αμφιοντική (zwitter) μορφή

Χειρομορφία γενικά

Η χειρομορφία παρατηρείται συνήθως ως προς την διάταξη των ατόμων ή ομάδων ατόμων εν σχέσει με το στερεογονικό κέντρο (ή τα περισσότερα του ενός στερεογονικά κέντρα). Ένα άτομο άνθρακα συνδεδεμένο με τέσσερις διαφορετικές ομάδες αποτελεί στερεογονικό κέντρο, στο οποίο είναι δυνατές δύο διαφορετικές διατάξεις στον χώρο. Εκτός από το άτομο του άνθρακα και άλλα άτομα, όπως για παράδειγμα άτομα φωσφόρου, δύνανται να λειτουργήσουν ως στερεογονικά κέντρα. Καθοριστικό για την δυνατότητα λειτουργίας ως στερεογονικό κέντρο είναι να υπάρχει αδυναμία αλλαγής της σχετικής θέσης των υποκαταστών. Στην περίπτωση του φωσφόρου αυτό εγγυάται από το υψηλό ενεργειακό φράγμα περιστροφής. Το άζωτο δύναται να λειτουργεί συνήθως μόνο στα συστήματα σε ένταση ως στερεογονικό κέντρο, καθώς ταλαντώνεται με υψηλή συχνότητα και ως εκ τούτου υφίσταται συνεχώς περιστροφές. Στο στερεογονικό κέντρο το ελεύθερο ζεύγος ηλεκτρονίων θεωρείται τέταρτος υποκαταστάτης και αυτός με την χαμηλότερη προτεραιότητα.

Μόρια, τα οποία δεν συμπίπτουν με το κατοπτρικό τους είδωλο είναι λοιπόν χειρόμορφα. Οι δύο διαφορετικές κατοπτρικές μορφές ενός τέτοιου μορίου λέγονται εναντιομερή. Τα εναντιομερή μπορούν να διαχωριστούν βάσει της διαφορετικής οπτικής ενεργότητάς τους. Μίγμα με ίδιες αναλογίες των δύο εναντιομερών ονομάζεται ρακεμικό μίγμα.

Η απλούστερη περίπτωση χειρομορφίας στην οργανική χημεία είναι ένα μόριο αποτελούμενο από ένα άτομο άνθρακα, που φέρει τέσσερις διαφορετικούς υποκαταστάτες. Το άτομο άνθρακα είναι το στερεογονικό κέντρο (άλλες ονομασίες: χειρόμορφο κέντρο, ασύμμετρο κέντρο, στερεόκεντρο). Οι βασικοί συλλογισμοί και οι πρώτες μετρήσεις για την χειρομορφία οφείλονται στον Jacobus Henricus van´t Hoff και (αργότερα) στον Paul Walden. Η διάταξη στον χώρο των υποκαταστατών σε ένα στερεογονικό κέντρο σύμφωνα με τους κανόνες των R.S. Cahn, C.K. Ingold και V. Prelog (κανόνες CIP) σημειώνεται με (R) ή (S) [από το λατινικό R για rectus δεξιά και S για sinister αριστερά]. Εάν υπάρχουν περισσότερα στερεογονικά κέντρα, αυξάνεται ο αριθμός των δυνατών διαφορετικών ενώσεων. Με n στερεογονικά κέντρα προκύπτουν 2ⁿ διαφορετικές ενώσεις, αφαιρετέων όμως ενδεχομένων μέσο-ενώσεων (βλ. κάτωθι). Τα στερεογονικά κέντρα ονομάζονται σε αυτή την περίπτωση ξεχωριστά με (R) ή (S) σύμφωνα με τους κανόνες CIP. Ενώσεις που διαφέρουν σε ένα ή περισσότερα στερεογονικά κέντρα, όχι όμως σε όλα τα κέντρα ονομάζονται διαστερεομερή. Εάν ένα μόριο διαθέτει περισσότερα στερεογονικά κέντρα τα οποία όμως συμπίπτουν μεταξύ των μετά από κατοπτρισμό σε ένα επίπεδο, τότε ολόκληρο το μόριο είναι μη χειρόμορφο. Σε αυτήν την περίπτωση πρόκειται περί μέσο-ένωσης (π.χ. μέσο-τρυγικό οξύ).

Ένας παλαιότερος συμβατικός τρόπος ονομασίας εναντιομερών, που εφαρμόζεται σήμερα για την ζἀχαρη και εν μέρει για αμινοξέα, είναι η ονοματοδοσία D- και L- του κατόχου βραβείου Νόμπελ Emil Fischer (προβολή Fischer)

Πλην της χειρομορφίας ως προς στερεογονικά κέντρα (κεντρική χειρομορφία), για την καλύτερη περιγραφή της δομής ενός μορίου προσδιορίζεται και αξονική, επίπεδη και ελικοειδής χειρομορφία. Η αξονική χειρομορφία παρατηρείται π.χ. σε διφυνύλια (BINAP), τα οποία έχουν υποκατασταθεί στις ορθο-θέσεις έτσι, ώστε να παρεμποδίζεται η ελεύθερη περιστροφή γύρω από τον δεσμό C-C- στις ενώσεις αρωματικών υδρογονανθράκων. Έτσι προκύπτουν δύο ισομερή το ένα κατοπτρικό είδωλο του άλλου. Παραδείγματα για επίπεδη χειρομορφία είναι τα Ε-κυκλοοκτένια ή ορισμένα συμπλέγματα-σάντουιτς. Ο όρος ελικοειδής χειρομορφία περιγράφει την διαφορετική φορά στροφής (δεξιόστροφη, αριστερόστροφη) σε ενώσεις. Παρατηρείται π.χ. στα ελικένια.

Γενικά σε όλες τις χειρόμορφες ενώσεις δεν βρίσκεται άξονας συμμετρίας που να είναι και άξονας περιστροφής. Όπως αποδεικνύεται βάσει της θεωρίας των ομάδων, η απουσία ενός τέτοιου άξονα είναι απαιτούμενος και επαρκής όρος, για την ύπαρξη εναντιομερών. Ένας άξονας περιστροφής και συμμετρίας S_n είναι στοιχείο συμμετρίας. Το μόριο περιστρέφεται κατά 360/n μοίρες γύρω από τον άξονα και στην συνέχεια αντικατοπτρίζεται στο επίπεδο που βρίσκεται κάθετα στον άξονα. Αν το είδωλο είναι ταυτόσημο με το μόριο έχει ευρεθεί άξονας ταυτόχρονης περιστροφής και συμμετρίας.

Επιπλέον υπάρχουν και οι όροι της ψευδοχειρομορφίας (ή ψευδοασυμμετρίας) και προχειρομορφίας. Δύο υποκαταστάτες σε ένα ψευδοστερεογονικό κέντρο διαφέρουν μόνον ως προς την διαμόρφωση (configuration), είναι δηλαδή εναντιόμορφοι. Εφόσον δεν υπάρχουν άλλα στερεογονικά κέντρα, βρίσκονται στο επίπεδο συμμετρίας του μορίου, οπότε προκύπτει μη χειρομορφία (μεσο-ένωση). Σπανίως αυτός ο όρος χρησιμοποιείται και σε περιπτώσεις όπως (βλ.), όταν οι υποκαταστάτες δεν διαφέρουν ως προς την διαμόρφωση και ως εκ τούτου το μόριο είναι χειρόμορφο. Ψευδοστερεογονικά κέντρα σημειώνονται με r και s (μικρά γραμμ.) στο σύστημα ονοματοδοσίας R/S, όπου ο (R) διαμορφωμένος υποκαταστάτης έχει υψηλότερη προτεραιότητα. Προχειρόμορφες καλούνται οι χαρακτηριστικές ομάδες που μέσω προσθήκης σε αυτές μπορούν να μετατραπούν σε στερεογονικά κέντρα. Καλό παράδειγμα είναι οι ασύμμετρες κετόνες, που π.χ. μέσω εφυδάτωσης μπορούν να μεταβληθούν σε αλκοόλες. Εδώ γίνεται διάκριση μεταξύ προσβολής από την re- ή την si- πλευρά.

Χειρομορφία παρατηρείται και σε ανόργανες ενώσεις. Στον χαλαζία υπάρχουν δύο εναντιομερής μορφές, που μπορούν να αποδοθούν σε δεξιόστροφη και αριστερόστροφη έλικα. Στην κρυσταλλογραφία υπάρχουν συνολικά ένδεκα εναντιόμορφες σημειο-ομάδες.

Η πληροφορία για την απόλυτη στερεοχημική διαμόρφωση μιας χειρόμορφης ουσίας δεν μπορεί να εξαχθεί από την φορά στροφής του πολωμένου φωτός, αλλά προκύπτει είτε από χημικούς αναλογισμούς (π.χ. μέσω αποσύνθεσης της προς εξακρίβωση ουσίας, σε μία γνωστή ένωση), είτε μέσω κρυσταλλογραφίας με ακτίνες Χ, ή με την χρήση χειρόμορφων αντιδραστηρίων μετατόπισης (shift) στην NMR φασματοσκοπία. Μόνον με τέτοια απόδειξη μπορεί να εξακριβωθεί εάν μια ένωση έχει στερεοχημική διαμόρφωση (R)- ή (S)-. Ο καθορισμός της στερεοχημικής διαμόρφωσης σε αμινοξέα και υδατάνθρακες, εκ των οποίων αρχικά ήσαν γνωστές μόνο η σχετικές στερεοχημικές διαμορφώσεις, αρχικά έγινε αυθαίρετα. Την δεκαετία του 1950 σχετικές κρυσταλλογραφικές μελέτες με ακτίνες Χ έδειξαν ότι αυτός ο τυχαίος καθορισμός της απόλυτης διαμόρφωσης, ήταν κατά τύχη ορθός (η πιθανότητα να συμβαίνει αυτό ήταν 50%).

Βιοχημεία

Η έννοια της χειρομορφίας έχει και στην βιολογία, κατ´ εξοχήν στην βιοχημεία μεγάλη σημασία. Σε όλες τις τάξεις φυσικών ουσιών προτιμάται (ή υπάρχει αποκλειστικά) πάντοτε ένα εναντιομερές. Έτσι συναντάται στην φύση π.χ. αποκλειστικά D- γλυκόζη όχι όμως L- γλυκόζη.( Υπάρχει όμως L- ζάχαρη , μάλιστα ακόμη και ζάχαρη που συναντάται και στις δύο μορφές D- και L- αλλά σε τελείως διαφορετικές περιστάσεις.)

Βιοχημικές αντιδράσεις καταλύονται με ένζυμα. Καθώς στα ένζυμα πρόκειται περί χειρομόρφων μακρομορίων, αυτά είναι σε θέση να ρυθμίζουν μια αντίδραση στερεοεκλεκτικά. Αυτό συμβαίνει μέσω ενός διαστερεοεκλεκτικού μηχανισμού, όπου από τις δύο μεταβατικές καταστάσεις των εναντιομερών προτιμάται εκείνη της οποίας η ενέργεια είναι μικρότερη, καθώς αυτή σταθεροποιείται από το ενεργό κέντρο. Έτσι από προχειρόμορφα ή μη χειρόμορφα αντιδρώντα μπορούν να συντίθενται χειρόμορφα προϊόντα. Έτσι ακολουθείται η προτίμηση ενός εναντιομερούς σε ολόκληρη την βιοχημεία και φυσιολογία. Η χειρομορφία είναι προϋπόθεση για τακτικές τριτογενής δομές, όπως για παράδειγμα η α-έλικα, που μπορεί να συντεθεί μόνον από εναντιομερικά καθαρά αμινοξέα (στην φύση L- αμινοξέα). Εναντιομερή χειρομόρφων μορίων επιδεικνύουν ως επί το πλείστον, διαφορετική φυσιολογική δράση, έχουν διαφορετική γεύση, οσμή, διαφορετική τοξικότητα και διαφορετική φαρμακολογική δράση. (αυτή η διάκριση δεν είναι όμως πάντοτε επιτρεπτή, καθώς π.χ. στην γνωστή περίπτωση του φαρμάκου Contergan ^®/ θαλιδομίδη γίνεται in vivo ρακεμοποίηση.)

Μία ρακεμική βιολογία (δηλ. μίγμα 1:1 των εναντιομερών) είναι πρακτικώς αδύνατη, διότι για τα μόρια-κατοπτρικά είδωλα θα απαιτείτο ολόκληρη συσκευή σύνθεσης επίσης κατοπτρική. Τα σε ορισμένα βακτήρια σπανίως υπάρχοντα D- αμινοξέα συντίθενται σε δευτερογενή μεταβολισμό και αποτρέπουν την αποσύνθεση από πρωτεάσες.

Δεν έχει εξακριβωθεί μέχρι σήμερα, αν η προτίμηση ενός εναντιομερούς βιομορίων (π.χ σχεδόν όλα τα αμινοξέα στην φύση διαθέτουν στερεοχημική διαμόρφωση L- και όχι D- ) οφείλεται σε τυχαία εκλογή στην αρχή της εξέλιξης των ειδών, που κατόπιν αυτοεντατικοποιήθηκε ή αν υπάρχουν θεμελιώδεις αιτίες για την εκλογή αυτή. Πράγματι λόγω παραβίασης της αρχής συμμετρίας στην ασθενή αλληλεπίδραση η ενθαλπία δεν είναι ακριβώς η ίδια στα δύο εναντιομερή. Η διαφορά είναι όμως τόσο μικρή, ώστε τίθεται το ερώτημα αν έχει οιανδήποτε σημασία.

Βιοκατάλυση

Στις βιοκαταλυτικές διεργασίες γίνεται εκμετάλλευση του γεγονότος ότι στην μετατροπή παρουσία ενζύμων ως βιοκαταλύτες, συνήθως από ένα ρακεμικό μίγμα της αρχικής ουσίας προκύπτει ένα εναντιομερές του προϊόντος πλεονασματικά. Έτσι από ρακεμικό μίγμα εστέρα η εστερική ομάδα ενός εναντιομερούς μπορεί, υπό στερεοεκλεκτική επίδραση του ενζύμου παγκρεατική λιπάση να υδρολυθεί, ενώ το άλλο εναντιομερές του εστέρα μένει αμετάβλητο. Το εναντιομερικά καθαρό καρβοξυλικό οξύ μπορεί τότε εύκολα να διαχωριστεί με τις συνήθεις διεργασίες (κρυσταλλοποίηση, χρωματογραφία κτλ.). Το ένζυμο ασπαρτάση μπορεί να καταλύσει την εναντιοεκλεκτική προσθήκη αμμωνίας στο διπλό δεσμό C=C φουμαρικού οξέος. Προκύπτει εκλεκτικά (S)- ασπαραγικό οξύ.

Βιβλιογραφία

• Pedro Cintas: Ursprünge und Entwicklung der Begriffe Chiralität und Händigkeit in der chemischen Sprache. Angewandte Chemie 119(22) (γερμ.), σελ. 4090–4099 (2007), ISSN 0044-8249.
• Henri Brunner: Rechts oder Links (γερμ.), Wiley-VCH Verlag, Weinheim/Bergstasse, 1999, ISBN 3-527-29974-2.
• Uwe Meierhenrich: Amino Acids and the Asymmetry of Life, Springer-Verlag, Heidelberg, Berlin 2008. ISBN 978-3-540-76885-2.