Chiralita

Šroubovice s opačnou chiralitou

Enantiomery aminokyseliny

Chiralita označuje asymetrii prostorového rozložení objektu (např. molekuly), která je důležitá v některých oblastech vědy.

Jako chirální se označuje takový objekt, který není totožný se svým zrcadlovým obrazem, nemá střed ani rovinu symetrie, avšak může mít rotační osu symetrie. Vztah mezi objektem a jeho obrazem je podobný jako vztah mezi levou a pravou rukou. Chirální objekt a jeho obraz se označují jako enantiomorfy, v případě molekul se hovoří o enantiomerech.

Objekty, které nejsou chirální se označují jako achirální. Achirální objekty mohou být ztotožněny se svým zrcadlovým obrazem.

Objekty, které jsou plně chirální, se označují jako homochirální.

Chiralita v chemii

Chiralita je běžná zejména u molekul organických látek. Chirální molekula obsahuje jeden nebo více tzv. středů chirality (chirálních atomů), což je atom, který má své sousedy navázány zrcadlově asymetricky. Většinou se jedná o atom uhlíku se čtyřmi různými substituenty.

Základní stavební látky organismů (sacharidy, bílkoviny i nukleové kyseliny) mají chirální molekuly, tedy existují ve formě alespoň dvou optických izomerů (platí, že má-li molekula n středů chirality, je počet optických izomerů roven 2ⁿ).

Chiralita chemické látky je také podmínkou pro její optickou aktivitu.

Dvojice izomerů se všemi optickými centry s inverzní konfigurací se nazývají enantiomery a má shodnou většinu fyzikálních a chemických vlastností (teplota tání, rozpustnost) liší se znaménkem optické otáčivosti a mohou se lišit v chemické reaktivitě s opticky aktivními činily a mohou tvořit chirální krystaly. Dvojice izomerů s alespoň jedním stejně a alespoň jedním opačně konfigurovaným centrem chirality se nazývá diastereomery a mají rozdílné fyzikální a chemické vlastnosti.

Zdrojem molekulární chirality může být jaderná chiralita, která se díky zesílení například autokatalytickou reakcí projeví makroskopicky.

Chiralita v částicové fyzice

Chiralita se uplatňuje také při popisu elementárních částic hmoty a jejich interakcí. Chiralita zde vystupuje i jako kvantové číslo jistých kvantových stavů (vlastní číslo operátoru chirality, kterým je tzv. pátá Diracova matice $\gamma^5 := \mathrm{i}\gamma^0\gamma^1\gamma^2\gamma^3 \,$).

Kvantové stavy leptonů a kvarků se popisují pomocí dirakovských bispinorů. S výhodou se využívá rozkladu stavu $\psi\,$ do dvou složek s definovanou chiralitou (levotočivé – "L" a pravotočivé – "R"):

$\psi = \psi_\mathrm{L} + \psi_\mathrm{R} \,$

$\psi_\mathrm{L} = \tfrac{1}{2}(1-\gamma^5)\psi$

$\psi_\mathrm{R} = \tfrac{1}{2}(1+\gamma^5)\psi$

Ukazuje se, že v silných interakcích se projevuje dobrá chirální symetrie, narušená pouze díky nenulovosti klidových hmotností částic, slabé interakce jsou výrazně chirálně asymetrické – v interakčním lagrangiánu vystupují pravotočivé a levotočivé složky odlišně.

Související články

• Symetrie
• Optická aktivita