Quiralidade

A quiralidade, descuberta por Louis Pasteur en 1848, é unha propiedade de asimetría importante en varias ramas da ciencia. A palabra quiralidade, introducida por Lord Kelvin en 1904, deriva do grego χειρ (kheir), que significa 'man', un obxecto quiral familiar.
Un obxecto ou sistema é quiral se é distinguible da súa imaxe especular; é dicir, non pode ser superposto sobre ela. Inversamente, a imaxe especular dun obxecto aquiral, como unha esfera, non se pode distinguir do propio obxecto. Un obxecto quiral e a súa imaxe especular denomínanse enantiomorfos (en grego, 'formas opostas') ou, cando nos referimos a moléculas, enantiómeros. Un obxecto non quiral denomínase aquiral (por veces tamén anfiquiral) e pode ser superposto á súa imaxe especular.
O termo foi utilizado primeiramente por Lord Kelvin en 1893 na segunda Conferencia de Robert Boyle no Oxford University Junior Scientific Club, que se publicou en 1894: As mans humanas son quizais o exemplo máis universalmente recoñecido de quiralidade. A man esquerda non se pode superpoñer á súa imaxe especular da man dereita; sen importar como orientemos as dúas mans, é imposible facer coincidir todas as principais caracterísiticas das dúas mans en todos os eixes. Esta diferenza en simetría faise obvia se alguén intenta darlle a man a unha persoa se ela tende a man dereita e nós a esquerda, ou se se quere meter a man dereita nunha luva de man esquerda. En matemáticas, a quiralidade é a propiedade dunha figura que non é idéntica á súa imaxe especular. Unha molécula dise que é quiral se todas as súas valencias están ocupadas por diferentes átomos ou grupos de átomos. Matemáticas
En matemáticas, unha figura é quiral (e dise que ten quiralidade) se non pode ser mapada á súa imaxe especular soamente por medio de rotacións e translacións. Por exemplo, un zapato dereito é diferente do esquerdo, e o xiro no sentido das agullas do reloxo é distinto que o xiro contrario. Ver para unha definición matemática completa.
Un obxecto quiral e a súa imaxe especular son enantiomorfos. A palabra enantiomorfo deriva do grego ἐναντίος (enantios) 'oposto' + μορφή (morfe) 'forma'. Unha figura non quiral é denominada aquiral ou anfiquiral.
A hélice (e por extensión un carrete de corda, un parafuso, unha hélice propulsora etc. ) e unha banda de Möbius son obxectos bidimensionais quirais nun espazo de ambiente tridimensional. Os tetrominós con forma de J, L, S e Z do popular xogo de vídeo Tetris tamén presentan quiralidade, pero só nun espazo bidimensional.
Moios outros obxectos familiares mostran a mesma simetría quiral do corpo humano, como luvas, lentes (onde os dous cristais teñen distintas dioptrías), e zapatos. Unha noción similar de quiralidade considérase na teoría de nós, como se explica máis abaixo.
Algúns obxectos tridimensionais quirais, como a hélice, poden asignarse a un xiro á dereita ou esquerda, segundo a regra da man dereita.
Xeometría
En xeometría unha figura é aquiral se e só se o seu grupo de simetría contén polo menos unha isometría de inversión de orientación.
En dúas dimensións, cada figura que posúe un eixe de simetría é aquiral, e pode demostrarse que cada figura aquiral acoutada debe ter un eixe de simetría.
En tres dimensións, cada figura que posúe un plano de simetría ou un centro de simetría é aquiral. Porén, hai figuras aquirais que carecen tanto de planos coma de centro de simetría. En termos de grupos puntuais, todas as figuras quirais carecen dun eixe de rotación impropio (Sn). Isto significa que non poden conter un centro de inversión (i) ou un plano especular (σ). Soamente poden ser quirais as figuras cunha designación de grupo puntual C1, Cn, Dn, T, O, ou I.
Teoría de nós
Un nó é denominado aquiral se pode ser deformado de forma continua na súa imaxe especular, en caso contrario denomínase quiral. Por exemplo, o nó trivial e o nó do número oito son aquirais, mentres que o nó trevo é quiral. Física
En física, a quiralidade pode encontrarse no spin dunha partícula, no que a quiralidade dun obxecto pode determinarse pola dirección na cal xira a partícula. Non se debe confundir con helicidade, que é a proxección do spin ao longo do momento linear dunha partícula subatómica, a quiralidade é puramente un fenómeno da mecánica cuántica como o spin. Aínda que ambos poden ter propiedades levoxiras ou dextroxiras, só no caso de partículas sen masa (un fotón, por exemplo) teñen unha rotación simple. En particular para unha partícula sen masa a helicidade é o mesmo que a quiralidade mentres que para unha antipartícula teñen signo oposto.
O carácter dextroxiro ou levoxiro tanto na quiralidade coma na helicidade relaciónanse coa rotación dunha partícula mentres que avanza con movemento linear con referencia ás mans humanas. O polgar da man apunta cara á dirección do movemento linear mentres que os dedos se dobran cara á palma, representando a dirección de rotación dunha partícula (é dicir, en sentido das agullas do reloxo ou no contrario). Dependendo do movemento linear e rotacional, a partícula pode ser definida polo seu carácter dextroxiro ou levoxiro. Unha transformación de simetría entre os dous denomínase paridade. A invarianza baixo paridade por un fermión de Dirac chámase simetría quiral.
Electromagnetismo
As ondas electromagnéticas poden ter unha quiralidade asociada coa súa polarización. A polarización dunha onda electromagnética é a propiedade que describe a orientación, é dicir, a dirección que varía co tempo e a amplitude, do vector do campo eléctrico. Por exemplo, os vectores do campo eléctrico de ondas polarizadas circularmente dextroxiras ou levoxiras forman hélices de sentido de xiro oposto no espazo.
As ondas polarizadas circularmente de sentido de xiro oposto propáganse a través de medios quirais a diferentes velocidades (birrefrinxencia circular) e con diferentes perdas (dicroismo circular). Ambos os fenómenos coñéncense en conxunto como actividade óptica. A birrefrinxencia circular causa a rotación dun estado de polarización de ondas electromagnéticas en medios quirais e pode causar unha refracción de índice negativo para ondas dun sentido de xiro cando o efecto é suficientemente grande.
Mentres que a actividade óptica ocorre en estruturas que son quirais en tres dimensións (como as hélices), o concepto de quiralidade pode tamén ser aplicado en dúas dimensións. Os padróns quirais bidimensionais, como as espirais planas, non se poden superpoñer á súa imaxe especular por translacións ou rotacións no espazo bidimensional (un plano). A quiralidade bidimensional está asociada coa transmisión direccionalmente asimétrica (reflexión e absorción) de ondas polarizadas circularmente. Os materiais quirais bidimensionais, que son tamén anisotrópicos mostran niveis de transmisión total diferentes (reflexión e absorción) para a mesma onda polarizada circularmente que incide na súa parte frontal e posterior. O fenómeno da transmisión asimétrica orixínase de diferentes (por exemplo, de esquerda a dereita) eficiencias de conversión de polarización circular para direccións de propagación opostas da onda incidente e, por tanto, o efecto denomínase dicroísmo de conversión circular.
Como o retorcemento dun padrón quiral bidimensional parece revertido para direccións opostas de observación, os materiais quirais bidimensionais teñen propiedades intercambiadas para as ondas polarizadas circularmente levoxiras e dextroxiras que inciden na parte frontal ou posterior. En particular, as ondas polarizadas circularmente levoxiras e dextroxiras experimentan asimetrías de transmisión direccional opostas (reflexión e absorción).
Aínda que a actividade óptica está asociada coa quiralidade tridimensional e a conversión circular está asociada coa quiralidade bidimensional, ambos os efectos foron observados en estrcturas que non son quirais por si mesmas. Para a observación destes efectos electromagnéticos quirais, a quiralidade non ten que ser unha propiedade intrínseca do material que interacciona coa onda electromagnética. En vez diso, ambos os efectos poden tamén ocorrer cando a dirección de propagación da onda electromagnética xunto coa estrutura dun material (aquiral) forma un arranxo experimental quiral. Este caso, no que o arranxo mutuo de compoñentes aquirais forma un arranxo (experimantal) quiral, coñécese como quiralidade extrínseca.
Os espellos quirais son unha clase de metamateriais que reflicten a luz polarizada circularmente dunha certa helicidade dunha maneira que preserva o sentido de xiro, mentres que absorben a polarización circular do sentido de xiro oposto. Porén, a maioría dos espellos quirais absorbentes operan só nunha banda de frecuencias estreita, xa que están limitados polo principio da causalidade. Empregando unha metodoloxía de deseño diferente que permite que pasen ondas indesexadas en vez de absorber a forma de onda indesexada, os espellos quirais poden mostrar un bo rendemento de banda ancha.
Forza Débil
A forza débil afecta só a partículas con spin esquerda, como probou Chien-Shiung Wu en 1956. Química
Unha molécula quiral é un tipo de molécula que ten unha imaxe especular non superpoñible. A característica que máis a miúdo é causa de quiraidade en moléculas é a presenza dun átomo de carbono asimétrico.
O termo "quiral" úsase en xeral para describir un obxecto que non é superpoñible á súa imaxe especular.
En química a quiralidade refírese normalmente a moléculas. Dúas imaxes especulares dunha molécula quiral denomínanse enantiómeros ou isómeros ópticos. Os pares de enantiomeros adoitan denominarse "dextroxiros", "levoxiros" ou, se non teñen unha tendencia óptica, "aquirais". A medida que a luz polarizada pasa a través dunha molécula quiral, o plano de polarización visto no eixe en dirección á fonte, é rotado no sentido das agullas do reloxo (á dereita) ou no sentido contrario (á esquerda). A rotación á dereita é dextrorrotatoria (d ou +) e á esquerda é levorrotatoria (l ou -). Os enantiómeros usan os prefixos D e L, respectivamente, segundo a convención de Fischer-Rosanov. Pode tamén indicarse a configuración absoluta dos estereocentros usando os prefixos R (rectus, dereita) e S (sinister, esquerda) segundo as regras de Cahn-Ingold-Prelog. Unha mestura equimolar dos dous isómeros ópticos non produce unha rotación neta do plano da luz polarizada que os atravesa en disolución.
A quiralidade molecular é de moito interese porque se aplica en estereoquímica en química inorgánica, química orgánica, química física, bioquímica e química supramolecular.
Desenvolvementos máis recentes en química quiral son o desenvolvemento de nanopartículas inorgánicas quirais que poden ter unha xeometría tetraédrica como centros quirais asociados con átomos de carbono sp3 tradicionalmente asociados con compostos quirais, pero a maior escala. Tamén se obtiveron simetrías helicoidais e outras con nanomateriais quirais. Bioloxía
Todas as formas de vida coñecidas mostran propiedades quirais específicas en estruturas químicas e tamén en anatomía macroscópica, desenvolvemento e comportamento. En calquera organismo específico ou conxunto de organismos relacionados evolutivamente, os compostos químicos, órganos ou comportamentos teñen normalmente a mesma forma enantiomórfica. Algunhas desviación (ter a forma quiralmente oposta) pode encontrarse nun pequeno número de compostos químicos ou certos órganos e comportamentos, pero esa variación depende estritamente da constitución xenética do organismo. Desde un punto de vista químico (escala molecular), os sistemas biolóxicos mostran unha extrema estereoespecificidade na síntese, captación de substancias, percepción e procesamento metabólico. Un sistema vivo xeralmente trata os dous enantiómeros dun mesmo composto de formas totalmente diferentes.
En bioloxía, a homoquiralidade é unha propiedade común dos aminoácidos e carbohidratos. Os aminoácidos proteinoxénicos quirais, que se traducen nos ribosomas a partir da súa codificación xenética, aparecen sempre en forma L. Porén, os aminoácidos D tamén se atopan na natureza. Os monosacáridos (carbohidratos simples) atópanse normalmente na configuración D. A dobre hélice do ADN é quiral (xa que calquera clase de hélice é quiral), e a forma B do ADN mostra un xiro dextroxiro.
Ás veces, cando nun organismo se atopan os dous enantiómeros dun composto, estes teñen un sabor, olor ou acción biolóxica claramente diferentes. Por exemplo, o (+)-limoneno atópase nas laranxas (causando o seu recendo) e o (–)-limoneno atópase en limóns (e dálles o seu olor), teñen olores diferentes debido ás súas distintas interaccións químicas no olfacto humano. A (+)-carvona é a responsable do olor do aceite de sementes de carvea, mentres que a (–)-carvona é a responsable do olor diferente do aceite da planta hortelá.
Ademais, en compostos artificiais, incluíndo medicamentos, no caso de fármacos quirais, os dous enantiómeros ás veces mostran notables diferenzas nos efectos das súas accións biolóxicas. O Darvon (dextropropoxifeno) é un analxésico, mentres que o seu enantiómero, o Novrad (levopropoxifeno) é un axente antitusivo. No caso da penicilamina, o isómero S utilízase no tratamento da artrite primaria crónica, mentres que o isómero R non ten efectos terapéuticos e ademais é moi tóxico. In some cases the less therapeutically active enantiomer can cause side effects. For example, (S-naproxen is an analgesic but the (R-isomer cause renal problems. A forma natural do alfa-tocoferol (vitamina E) en plantas é o RRR-α-tocoferol, mentres que a forma sintética (vitamina E todo racémica ou dl-tocoferol) ten partes iguais dos estereoisómeros RRR, RRS, RSS, SSS, RSR, SRS, SRR e SSR cunha equivalencia biolóxica progresivamente decrecente, de modo que 1, 36 mg de dl-tocoferol considéranse equivalentes a 1, 0 mg de d-tocoferol.
En anatomía, a quiralidade obsevámola na simetría de imaxe especular imperfecta de moitos tipos de corpos animais. Organismos como os gasterópodos mostran quiralidade na forma de enroscamento das súas cunchas. Un 90% das especies de gasterópodos teñen unha cuncha dextral (enroscada á dereita), e unha pequena minoría de especies e xéneros son practicamente sempre de cuncha sinistral (enroscada á esquerda). Moi poucas especies (por exemplo Amphidromus perversus) mostran unha mestura de individuos con cuncha dextral e sinistral.
Nos humanos a quiralidade (ou lateralidade ou preferencia de man) é un dos seus atributos, definido pola distribución desigual da destreza motora fina entre as mans esquerda e dereita. Un individuo que é máis destro manexa mellor a man dereita, e en caso contrario é zurdo ou esquerdeiro. A quiralidade tamén se observa no estudo da asimetría facial.
No caso de condicións que afectan a saúde como a situs inversus totalis, na cal todos os órganos internos están movidos horizontalmente (é dicir, o corazón está situado algo á dereita en lugar de á esquerda), a quiralidade supón algúns problemas que poderían facer necesario un transplante de corazón ou fígado, xa que eses órganos son quirais, o que significa que, nese caso, os vasos sanguíneos que subministran sangue a eses órganos necesitarían ser arranxados a unha posición normal.
Entre os peixes planos, a platixa Paralichthys dentatus ten os ollos á esquerda, mentres que o fletán (Hippoglossus) tenos á dereita. Cultura popular
A quiralidade, a teoría quiral e mesmo un tipo de "nós" aparecen no vídeo-xogo de 2019 Death Stranding de Hideo Kojima e Kojima Productions.