В природе хиральных элементов достаточно много. Самые распространенные из них это руки, которые дали данному явлению название – хиральность.
Почему появилась такая зеркальная симметрия, никто не знает и, похоже, никто не пытается это узнать, очевидно, из-за сложности решения такой задачи. Но хиральность очень активно проявляет свои свойства на микроуровне и строить модели образования хиральности для молекулы возможно легче из-за малости в ней элементов. Действительно дезоксирибоза содержит в себе всего 19 атомов, ее формула С5Н10О4, а в руках или ногах человека только таких молекул миллиарды и еще множество других. Нас и будет интересовать момент синтеза, в который происходит дифференциация молекулы на левую ориентацию, или правую и как это может происходить.
Несомненно, что синтез молекулы при одних и тех же условиях происходит одинаково для всех молекул данного типа. Точно также как сборка автомобиля на конкретном конвейере.
Самое простое, что сразу видится, это случайный процесс присоединения к молекуле элемента, придающего молекуле хиральные свойства. При синтезе молекулы атомы соединяются в определенной последовательности, возможно, есть и параллельные ветви, но все соединения носят однозначный характер: такой-то атом кислорода соединяется такой-то связью, а не другой, с атомом водорода. Нет дилеммы выбора для соединения. У хиральных молекул наступает момент синтеза, когда возникают два пути продолжения строения молекулы и эти пути равнозначны. Например, у одного из элементов есть два свободных электрона для образования связи. Вероятность образования обоих внешних связей может быть одинаковой, и если эти электроны будут иметь не одинаковую внутреннюю связь в элементарной молекуле, то мы получим различные конечные, в том числе и хиральные, молекулы. Обычно в химическом синтезе получается смесь энантиомеров – левовращающих и правовращающих. Такую смесь принято называть «рацемат». Без особых ухищрений получить один вид энантиомера в простых реакциях довольно сложно. Это чисто молекулярный взгляд на явление хиральности.
Можно представить и другой способ образования хиральной молекулы (Рис. 1).
Рассмотрим некую молекулу или ее фрагмент. Предположим, что в некоторый момент синтеза атом 2 попал в электрическое поле между атомами 1 и 3 (положение а) на рис. 1). Это неустойчивое положение для атома 2. Понятно, что если между атомами нет никакой связи, то атом 2 будет вытолкнут куда-нибудь в плоскостиxy электрическими силами. Но если данный атом связать ковалентными связями по оси y (атомы 4 и 5), то окажется, что атом не будет совсем вытолкнут из молекулы, а просто сдвинется по оси x в том или ином направлении (положение б)). Атомы 1 и 3 будут отталкивать атом 2 от оси z, а атомы 4 и 5 не дадут атому 2 выйти из молекулы. Оба эти состояния будут устойчивыми: одни силы будут атом отталкивать от плоскости yz, а другие будут притягивать атом к этой плоскости. Расстояние удаления атома от плоскости будет зависеть от электрических сил отталкивания, глубины ковалентных связей и от степени энергетического состояния самого атома. В случае образования дополнительной связи атома 2 (например, сахара) и атома основания (аденин) расстояние удаления то же изменится.
Почему атом 2 выталкивается в ту или другую сторону определить невозможно. Канатоходец может свалиться с каната в любую сторону, но отыскать элемент, спровоцировавший данное падение сложно. Может быть, неоднородность каната, может быть неравномерность усилия ног, может быть поток воздуха и масса других причин. Если бы этот элемент был обнаружен и скорректирован, падение бы не случилось. Какая-то причина вызывает выталкивание атома 2 в определенном направлении. Мы этого просто не знаем. Возможно, это неоднородность электрических полей или фотон какого-нибудь излучения. Вокруг нас множество различных фотонов, чтобы в этом убедится достаточно включить приемник и повращать ручку настройки.
Для нас важно в этом процессе то, что выталкивание атома, а, следовательно, и его электронов происходит в противоположных направлениях и эти направления равноправны. Электрон, как известно, обладает спином, то есть магнитными свойствами. Движение электрона в электрическом поле в соответствующем направлении может привести к изменению магнитного поля электрона по ориентации на противоположное. И теперь этот электрон будет излучать и поглощать фотоны другой ориентации. Так синтезируются правовращающие или левовращающие энантиомеры. Более подробно о том, как работает хиральность рассказано в части 2 этой статьи.
