Was ist Chiralität und wie gelangte sie in meine Moleküle? - Michael Evans

Verbessern Sie Ihr Verständnis über molekulare Strukturen mit dieser Lektion über die faszinierenden Eigenschaften der Chiralität. Ihre Hände sind das Geheimnis, um die seltsame Ähnlichkeit zwischen zwei Molekülen zu verstehen, die fast genau gleich aussehen, aber keine perfekten Spiegelbilder sind.

Lektion von Michael Evans, Animation von Safwat Saleem und Qa'ed Tung.

In den frühen Tagen der organischen Chemie
begriffen die Chemiker,

dass Moleküle aus Atomen bestehen,

die durch chemische Bindungen
verknüpft sind.

Die räumlichen Strukturen
der Moleküle waren jedoch völlig unklar,

da sie nicht direkt
beobachtet werden konnten.

Die Moleküle wurden mit einfachen Grafiken
zur Konnektivität dargestellt,

so wie diese hier.

Mitte des 19. Jahrhunderts wurde
versierten Chemikern klar,

dass die flachen Darstellungen viele
Beobachtungen nicht erklären konnten.

Aber die chemische Theorie
bot keine zufriedenstellende Erklärung

für die dreidimensionalen
Strukturen der Moleküle.

1874 veröffentlichte der Chemiker
Van't Hoff eine bemerkenswerte Hypothese:

Die vier Bindungen eines
gesättigten Kohlenstoffatoms

zeigen auf die Ecken eines Tetraeders.

Es dauerte über 25 Jahre,

bis die Quantenrevolution
seine Hypothese theoretisch bestätigte.

Van't Hoff stützte seine Theorie
auf die optische Rotation.

Er stellte fest, dass nur Verbindungen,
die einen zentralen Kohlenstoff enthalten,

der an vier verschiedene Atome
oder Gruppen gebunden ist,

plan-polarisiertes Licht rotieren lassen.

Offensichtlich war diese Klasse
von Verbindungen einzigartig.

Werfen Sie einen Blick auf
diese beiden Moleküle.

Sie sind durch zentrale, tetraedrische
Kohlenstoffatome gekennzeichnet,

die an vier verschiedene
Atome gebunden sind:

Brom, Chlor, Fluor und Wasserstoff.

Wir sind versucht, den Schluss zu ziehen,
dass die beiden Moleküle gleich sind,

wenn wir uns nur mit
ihrer Zusammensetzung beschäftigen.

Lassen Sie uns sehen, ob die Moleküle
perfekt überlagert werden können,

um zu beweisen, dass sie identisch sind.

Wir dürfen beide Moleküle nach Belieben
rotieren und übersetzen.

Es fällt jedoch auf,

dass, egal wie wir die Moleküle bewegen,

eine perfekte Überlagerung ist unmöglich.

Werfen Sie nun einen Blick auf Ihre Hände.

Beachten Sie, dass Ihre beiden Hände
dieselben Körperteile haben:

Daumen, Finger, Handflächen usw.

Wie die beiden untersuchten Moleküle

bestehen auch Ihre Hände
aus dem gleichen Material.

Außerdem sind die Abstände zwischen
den Komponenten Ihrer beiden Hände gleich.

Der Zeigefinger befindet sich
neben dem Mittelfinger,

der sich neben
dem Ringfinger befindet, usw.

Das selbe gilt für unsere
hypothetischen Moleküle.

Alle inneren Abstände
dieser Moleküle sind gleich.

Trotz der Ähnlichkeiten sind Ihre Hände
und unsere Moleküle jedoch nicht gleich.

Versuchen Sie, Ihre Hände
übereinander zu legen.

Genau wie bei unseren Molekülen
werden Sie feststellen,

dass sie nicht perfekt übereinander
gelegt werden können.

Richten Sie nun
die Handflächen aufeinander.

Wackeln Sie mit den beiden Zeigefingern.

Beachten Sie, dass Ihre
linke Hand so aussieht,

als wäre sie im Spiegel zu Ihrer rechten.

Mit anderen Worten:
Ihre Hände sind Spiegelbilder.

Dasselbe kann man auch
über unsere Moleküle sagen.

Wir können sie drehen,
so dass sie wie Spiegelbilder aussehen.

Ihre Hände -- und unsere Moleküle --

besitzen eine gemeinsame
räumliche Eigenschaft,

die Chiralität oder
Händigkeit genannt wird.

Chiralität bedeutet genau das,
was wir gerade beschrieben haben:

Ein chiraler Gegenstand ist nicht
dasselbe wie sein Spiegelbild.

Chirale Objekte sind sowohl in der Chemie
als auch im täglichen Leben sehr speziell.

Schrauben beispielsweise
sind ebenfalls chiral.

Deshalb brauchen wir die Begriffe
rechtshändige und linkshändige Schrauben.

Und ob Sie es glauben oder nicht,

bestimmte Arten von Licht können sich
wie chirale Schrauben verhalten.

In jedem linearen,
planpolarisierten Lichtstrahl

befinden sich rechts-
und linkshändige Teilchen,

die sich zusammen drehen,
um eine ebene Polarisation zu erzeugen.

Chirale Moleküle, die in einem
solchen Lichtstrahl platziert sind,

interagieren unterschiedlich
mit den beiden chiralen Komponenten.

Infolgedessen wird eine Lichtkomponente

im Verhältnis zur anderen
vorübergehend verlangsamt.

Der Effekt auf den Lichtstrahl

ist eine Drehung seiner Ebene
relativ zur ursprünglichen,

auch optische Rotation genannt.

Van't Hoff und spätere Chemiker erkannten,

dass die chirale Natur
der tetraedrischen Kohlenstoffe

dieses faszinierende
Phänomen erklären kann.

Die Chiralität ist für zahlreiche andere
faszinierende Effekte in der Chemie

und im täglichen Leben verantwortlich.

Menschen neigen dazu,
die Symmetrie zu lieben,

und wenn man sich umsieht,
stellt man fest,

dass von Menschen hergestellte
chirale Objekte selten sind.

Aber chirale Moleküle
sind absolut überall.

So eigenständige Phänomene
wie die optische Drehung,

das Zusammenschrauben von Möbeln
und das in die Hände Klatschen

haben alle mit dieser faszinierenden
räumlichen Eigenschaft zu tun.