La quiralidad / k aɪ ˈ r æ l ɪ t iː / es una propiedad de la asimetría importante en varias ramas de la ciencia. La palabra quiralidad se deriva del griego χείρ ( kheir ), "mano", un objeto quiral familiar.
Un objeto o sistema es quiral si se distingue de su imagen especular ; es decir, no se le puede superponer. Por el contrario, una imagen especular de un objeto aquiral , como una esfera, no se puede distinguir del objeto. Un objeto quiral y su imagen especular se denominan enantiomorfos (del griego, "formas opuestas") o, cuando se hace referencia a moléculas, enantiómeros . Un objeto no quiral se llama aquiral (a veces también anfiquiral ) y puede superponerse a su imagen especular.
El término fue utilizado por primera vez por Lord Kelvin en 1893 en la segunda conferencia de Robert Boyle en el Junior Scientific Club de la Universidad de Oxford , que se publicó en 1894:
Llamo "quiral" a cualquier figura geométrica, o grupo de puntos, y digo que tiene quiral si su imagen en un espejo plano, realizada idealmente, no puede hacerse coincidir consigo misma. [1]
Las manos humanas son quizás el ejemplo más reconocido de quiralidad. La mano izquierda es una imagen especular no superponible de la mano derecha; No importa cómo estén orientadas las dos manos, es imposible que todas las características principales de ambas manos coincidan en todos los ejes. [2] Esta diferencia de simetría se vuelve obvia si alguien intenta estrechar la mano derecha de una persona usando su mano izquierda, o si se coloca un guante para zurdos en la mano derecha. En matemáticas, la quiralidad es la propiedad de una figura que no es idéntica a su imagen especular.
En matemáticas , una figura es quiral (y se dice que tiene quiral) si no puede ser mapeada a su imagen especular únicamente mediante rotaciones y traslaciones . Por ejemplo, un zapato derecho es diferente de un zapato izquierdo, y el sentido de las agujas del reloj es diferente del sentido contrario a las agujas del reloj. Consulte [3] para obtener una definición matemática completa.
Se dice que un objeto quiral y su imagen especular son enantiomorfos. La palabra enantiomorfo proviene del griego ἐναντίος ( enantios ) 'opuesto' + μορφή ( morphe ) 'forma'. Una figura no quiral se llama aquiral o anfiquiral.
La hélice (y por extensión una cuerda hilada, un tornillo, una hélice, etc.) y la tira de Möbius son objetos quirales bidimensionales en un espacio ambiental tridimensional. Los tetrominós en forma de J, L, S y Z del popular videojuego Tetris también exhiben quiralidad, pero sólo en un espacio bidimensional.
Muchos otros objetos familiares exhiben la misma simetría quiral del cuerpo humano, como guantes, gafas (a veces) y zapatos. En la teoría de nudos se considera una noción similar de quiralidad , como se explica a continuación.
A algunos objetos tridimensionales quirales, como la hélice, se les puede asignar una orientación derecha o izquierda, según la regla de la mano derecha .
En geometría , una figura es aquiral si y sólo si su grupo de simetría contiene al menos una isometría de inversión de orientación . En dos dimensiones, toda figura que posee un eje de simetría es aquiral, y se puede demostrar que toda figura aquiral acotada debe tener un eje de simetría. En tres dimensiones, toda figura que posee un plano de simetría o un centro de simetría es aquiral. Sin embargo, hay figuras aquirales que carecen tanto de plano como de centro de simetría. En términos de grupos de puntos , todas las figuras quirales carecen de un eje de rotación inadecuado (Sn ) . Esto significa que no pueden contener un centro de inversión (i) o un plano especular (σ). Sólo las figuras con una designación de grupo de puntos de C 1 , C n , D n , T, O o I pueden ser quirales.
Un nudo se llama aquiral si se puede deformar continuamente en su imagen especular; de lo contrario, se llama quiral. Por ejemplo, el nudo desatado y el nudo en forma de ocho son aquirales, mientras que el nudo trébol es quiral.
En física, la quiralidad se puede encontrar en el giro de una partícula, donde la dirección del objeto está determinada por la dirección en la que gira la partícula. [4] No debe confundirse con la helicidad , que es la proyección del espín a lo largo del momento lineal de una partícula subatómica, la quiralidad es una propiedad mecánica cuántica intrínseca, como el espín. Aunque tanto la quiralidad como la helicidad pueden tener propiedades diestras o zurdas, sólo en el caso sin masa son idénticas. [5] En particular, para una partícula sin masa, la helicidad es la misma que la quiralidad, mientras que para una antipartícula tienen signo opuesto.
La lateralidad tanto en quiralidad como en helicidad se relaciona con la rotación de una partícula mientras avanza en movimiento lineal con referencia a las manos humanas. El pulgar de la mano apunta hacia la dirección del movimiento lineal mientras que los dedos se curvan hacia la palma, representando la dirección de rotación de la partícula (es decir, en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj). Dependiendo del movimiento lineal y de rotación, la partícula puede definirse como zurda o diestra. [5] Una transformación de simetría entre ambos se llama paridad . La invariancia bajo paridad de un fermión de Dirac se llama simetría quiral .
Las ondas electromagnéticas pueden tener una lateralidad asociada con su polarización . La polarización de una onda electromagnética es la propiedad que describe la orientación , es decir, la dirección y amplitud variables en el tiempo , del vector del campo eléctrico . Por ejemplo, los vectores de campo eléctrico de ondas polarizadas circularmente hacia la izquierda o hacia la derecha forman hélices de dirección opuesta en el espacio.
Las ondas polarizadas circularmente de dirección opuesta se propagan a través de medios quirales a diferentes velocidades ( birrefringencia circular ) y con diferentes pérdidas ( dicroísmo circular ). Ambos fenómenos se conocen conjuntamente como actividad óptica. La birrefringencia circular provoca la rotación del estado de polarización de las ondas electromagnéticas en medios quirales y puede provocar un índice de refracción negativo para las ondas de una mano cuando el efecto es suficientemente grande. [6] [7]
Si bien la actividad óptica ocurre en estructuras que son quirales en tres dimensiones (como las hélices), el concepto de quiralidad también se puede aplicar en dos dimensiones. Los patrones quirales 2D , como las espirales planas, no se pueden superponer con su imagen especular mediante traslación o rotación en un espacio bidimensional (un plano). La quiralidad 2D está asociada con la transmisión direccionalmente asimétrica (reflexión y absorción) de ondas polarizadas circularmente. Los materiales quirales 2D, que también son anisotrópicos y con pérdidas, exhiben diferentes niveles de transmisión total (reflexión y absorción) para la misma onda polarizada circularmente que incide en su parte delantera y trasera. El fenómeno de transmisión asimétrica surge de diferentes eficiencias de conversión de polarización circular, por ejemplo de izquierda a derecha, para direcciones de propagación opuestas de la onda incidente y, por lo tanto, el efecto se denomina dicroísmo de conversión circular. Al igual que la torsión de un patrón quiral 2D aparece invertida en direcciones de observación opuestas, los materiales quirales 2D tienen propiedades intercambiadas para ondas polarizadas circularmente izquierdas y derechas que inciden en su parte delantera y trasera. En particular, las ondas polarizadas circularmente izquierdas y derechas experimentan asimetrías de transmisión (reflexión y absorción) en direcciones opuestas. [8] [9]
Si bien la actividad óptica está asociada con la quiralidad tridimensional y la conversión circular está asociada con la quiralidad bidimensional, ambos efectos también se han observado en estructuras que no son quirales en sí mismas. Para la observación de estos efectos electromagnéticos quirales, la quiralidad no tiene por qué ser una propiedad intrínseca del material que interactúa con la onda electromagnética. Por el contrario, ambos efectos también pueden ocurrir cuando la dirección de propagación de la onda electromagnética junto con la estructura de un material (aquiral) forman una disposición experimental quiral. [10] [11] Este caso, donde la disposición mutua de componentes aquirales forma una disposición quiral (experimental), se conoce como quiralidad extrínseca. [12] [13]
Los espejos quirales son una clase de metamateriales que reflejan luz polarizada circularmente de cierta helicidad de manera que preserva la lateralidad, mientras absorben la polarización circular de la lateralidad opuesta. [14] Sin embargo, la mayoría de los espejos quirales absorbentes funcionan sólo en una banda de frecuencia estrecha, limitada por el principio de causalidad. Al emplear una metodología de diseño diferente que permite el paso de ondas no deseadas en lugar de absorber la forma de onda no deseada, los espejos quirales pueden mostrar un buen rendimiento de banda ancha. [15]
Una molécula quiral es un tipo de molécula que tiene una imagen especular no superponible . La característica que con mayor frecuencia es la causa de la quiralidad en las moléculas es la presencia de un átomo de carbono asimétrico . [16] [17]
El término "quiral" en general se utiliza para describir el objeto que no es superponible en su imagen especular. [18]
En química, la quiralidad suele referirse a moléculas. Dos imágenes especulares de una molécula quiral se denominan enantiómeros o isómeros ópticos . Los pares de enantiómeros a menudo se designan como " derechos ", "zurdos" o, si no tienen sesgo, "achiral". A medida que la luz polarizada pasa a través de una molécula quiral, el plano de polarización, visto a lo largo del eje hacia la fuente, girará en el sentido de las agujas del reloj (hacia la derecha) o en el sentido contrario a las agujas del reloj (hacia la izquierda). Una rotación con la mano derecha es dextrógira (d); el de la izquierda es levorotativo (l). Los isómeros d y l son el mismo compuesto pero se denominan enantiómeros . Una mezcla equimolar de los dos isómeros ópticos, que se denomina mezcla racémica , no producirá ninguna rotación neta de la luz polarizada a su paso. [19] Las moléculas zurdas tienen el prefijo l- en sus nombres; d- tiene el prefijo de moléculas diestras. Sin embargo, esta notación d y l de enantiómeros distintivos no dice nada sobre la disposición espacial real de los ligandos/sustituyentes alrededor del centro estereogénico , que se define como configuración. Otro sistema de nomenclatura empleado para especificar la configuración es la convención de Fischer. [20] Esto también se conoce como sistema D y L. Aquí la configuración relativa se asigna con referencia al D-(+)-gliceraldehído y al L-(-)-gliceraldehído, que se toman como estándar. La convención de Fischer se utiliza ampliamente en la química del azúcar y para los α-aminoácidos. Debido a los inconvenientes de la convención de Fischer, es reemplazada casi en su totalidad por la convención de Cahn-Ingold-Prelog , también conocida como regla de secuencia o nomenclatura R y S. [21] [22] Esto se amplió aún más para asignar configuración absoluta a los isómeros cis-trans con la notación EZ.
La quiralidad molecular es de interés debido a su aplicación a la estereoquímica en química inorgánica , química orgánica , química física , bioquímica y química supramolecular .
Los desarrollos más recientes en química quiral incluyen el desarrollo de nanopartículas inorgánicas quirales que pueden tener una geometría tetraédrica similar a los centros quirales asociados con átomos de carbono sp3 tradicionalmente asociados con compuestos quirales, pero a mayor escala. [23] [24] También se obtuvieron simetrías helicoidales y de otro tipo de nanomateriales quirales. [25]
Todas las formas de vida conocidas muestran propiedades quirales específicas en las estructuras químicas, así como en la anatomía, el desarrollo y el comportamiento macroscópicos. [26] En cualquier organismo específico o conjunto evolutivamente relacionado de los mismos, los compuestos, órganos o comportamientos individuales se encuentran en la misma forma enantiomorfa única. La desviación (que tiene la forma opuesta) podría encontrarse en una pequeña cantidad de compuestos químicos, o en cierto órgano o comportamiento, pero esa variación depende estrictamente de la composición genética del organismo. Desde el nivel químico (escala molecular), los sistemas biológicos muestran una estereoespecificidad extrema en la síntesis, la captación, la detección y el procesamiento metabólico. Un sistema vivo normalmente trata con dos enantiómeros del mismo compuesto de maneras drásticamente diferentes.
En biología, la homoquiralidad es una propiedad común de los aminoácidos y los carbohidratos . Los aminoácidos quirales que producen proteínas , que se traducen a través del ribosoma a partir de la codificación genética, se presentan en la forma L. Sin embargo, los D -aminoácidos también se encuentran en la naturaleza. Los monosacáridos (unidades de carbohidratos) se encuentran comúnmente en configuración D. La doble hélice del ADN es quiral (como cualquier tipo de hélice es quiral), y la forma B del ADN muestra un giro hacia la derecha.
A veces, cuando dos enantiómeros de un compuesto se encuentran en los organismos, difieren significativamente en su sabor, olor y otras acciones biológicas. Por ejemplo, (+)- carvona es responsable del olor del aceite de semilla de alcaravea , mientras que (–)-carvona es responsable del olor del aceite de menta verde . [27] Sin embargo, es un error común pensar que el (+)-limoneno se encuentra en las naranjas (lo que provoca su olor) y el (–)-limoneno se encuentra en los limones (lo que provoca su olor). En 2021, después de una experimentación rigurosa, se descubrió que todas las frutas cítricas contienen solo (+)-limoneno y la diferencia de olor se debe a otros factores contribuyentes. [28]
Además, en el caso de los compuestos artificiales, incluidos los medicamentos, en el caso de los fármacos quirales , los dos enantiómeros a veces muestran una diferencia notable en el efecto de sus acciones biológicas. [29] Darvon ( dextropropoxifeno ) es un analgésico, mientras que su enantiómero, Novrad ( levopropoxifeno ) es un agente contra la tos. En el caso de la penicilamina , el isómero ( S se utiliza en el tratamiento de la artritis crónica primaria, mientras que el isómero ( R ) no tiene ningún efecto terapéutico, además de ser altamente tóxico. [30] En algunos casos, el isómero menos activo terapéuticamente El enantiómero puede causar efectos secundarios. Por ejemplo, ( S -naproxeno es un analgésico pero el ( R -isómero causa problemas renales. [31] En situaciones en las que uno de los enantiómeros de un fármaco racémico está activo y el otro tiene efectos indeseables o efecto tóxico, se puede cambiar de un fármaco racemato a un fármaco de enantiómero único para obtener un mejor valor terapéutico. [1] Este cambio de un fármaco racémico a un fármaco enantiopuro se denomina cambio quiral .
La forma vegetal natural del alfa-tocoferol ( vitamina E ) es RRR-α-tocoferol, mientras que la forma sintética (vitamina E totalmente racémica o dl-tocoferol) consta de partes iguales de los estereoisómeros RRR, RRS, RSS, SSS, RSR. , SRS, SRR y SSR con equivalencia biológica progresivamente decreciente, de modo que 1,36 mg de dl-tocoferol se consideran equivalentes a 1,0 mg de d-tocoferol. [32]
Se encuentran ejemplos macroscópicos de quiralidad en el reino vegetal, el reino animal y todos los demás grupos de organismos. Un ejemplo sencillo es la dirección de enrollamiento de cualquier planta trepadora, que puede crecer hasta formar una hélice izquierda o derecha.
En anatomía, la quiralidad se encuentra en la simetría imperfecta de imagen especular de muchos tipos de cuerpos animales. Organismos como los gasterópodos exhiben quiralidad en sus caparazones enrollados, lo que da como resultado una apariencia asimétrica. Más del 90% de las especies de gasterópodos [33] tienen caparazones dextrales (diestros) en su forma enrollada, pero una pequeña minoría de especies y géneros son prácticamente siempre sinistrales (zurdos). Muy pocas especies (por ejemplo Amphidromus perversus [34] ) muestran una mezcla igual de individuos dextrales y sinistrales.
En los humanos, la quiralidad (también conocida como lateralidad o lateralidad ) es un atributo de los humanos definido por su distribución desigual de la habilidad motora fina entre la mano izquierda y derecha . Se llama diestro al individuo que es más diestro con la mano derecha , y se dice zurdo al que es más hábil con la izquierda . La quiralidad también se observa en el estudio de la asimetría facial y se conoce como asimetría aurofacial. [35]
Según la teoría del Giro Axial , los animales vertebrados desarrollan una quiralidad zurda. Debido a esto, el cerebro gira y el corazón y los intestinos giran 90°. [36]
En el caso del estado de salud situs inversus totalis , en el que todos los órganos internos están volteados horizontalmente (es decir, el corazón colocado ligeramente hacia la derecha en lugar de hacia la izquierda), la quiralidad plantea algunos problemas en caso de que el paciente requiera un trasplante de hígado o corazón, como Estos órganos son quirales, lo que significa que los vasos sanguíneos que irrigan estos órganos necesitarían reorganizarse en caso de que se requiriera un órgano normal, no situs inversus ( situs solitus ).
En la familia de las sanguinarias monocotiledóneas , las especies de los géneros Wachendorfia y Barberetta solo tienen individuos que tienen el estilo apunta hacia la derecha o el estilo apunta hacia la izquierda, y ambas morfologías aparecen dentro de las mismas poblaciones. Se cree que esto aumenta el cruzamiento y, por tanto, impulsa la diversidad genética, lo que a su vez puede ayudar a sobrevivir en un entorno cambiante. Sorprendentemente, el género relacionado Dilatris también tiene flores quiralmente dimórficas, pero aquí ambas formas ocurren en la misma planta. [37] En los peces planos, la platija o trematoda de verano tiene el ojo izquierdo, mientras que el fletán tiene el ojo derecho.
