キラリティー

キラリティー( / k aɪ ˈ r æ l ɪ t i / ) は、科学のいくつかの分野で重要な非対称性の特性です。キラリティーという単語は、よく知られているキラルな物体であるギリシャ語の「手」を意味する χείρ ( kheir )に由来しています。

物体またはシステムは、その鏡像と区別できる場合、つまり、その物体に重ね合わせることができない場合（重ね合わせることと混同しないように）はキラルです。逆に、球体などのアキラル物体の鏡像は、その物体と区別できません。キラル物体とその鏡像は、エナンチオモルフ（ギリシャ語で「反対の形」）と呼ばれ、分子を指す場合はエナンチオマーと呼ばれます。非キラル物体はアキラル（時にはアンフィキラル）と呼ばれ、その鏡像に重ね合わせることができます。

この用語は、1893 年にオックスフォード大学ジュニア科学クラブで行われた第 2 回ロバート ボイル講演でケルビン卿によって初めて使用され、1894 年に出版されました。

私はあらゆる幾何学的図形、あるいは点の集合を「キラル」と呼び、平面鏡に映ったその像が理想的に実現されてもそれ自身と一致できない場合、それはキラリティーを持つと言う。^[1]

人間の手はおそらくキラリティーの最もよく知られた例です。左手は右手の鏡像であり、重ね合わせることはできません。両手の向きがどうであろうと、両手の主要な特徴がすべての軸で一致することは不可能です。^[2]この対称性の違いは、左手で右手を握ろうとしたり、左利き用の手袋を右手に装着したりすると明らかになります。数学では、キラリティーとは、鏡像と同一ではない図形の特性のことです。

数学では、回転と平行移動だけでは鏡像に写像できない場合、図形はキラル（キラリティを持つ）であると言われます。たとえば、右の靴は左の靴とは異なり、時計回りは反時計回りとは異なります。完全な数学的定義については ^{[3]を参照してください。}

キラルな物体とその鏡像は、エナンチオモルフと呼ばれます。エナンチオモルフという言葉は、ギリシャ語のἐναντίος ( enantios )「反対」+ μορφή ( morphe )「形」に由来しています。非キラルな図形は、アキラルまたはアンフィキラルと呼ばれます。

らせん（ひも、ねじ、プロペラなど）とメビウスの帯は、3 次元の周囲空間におけるキラリティーのある 2 次元オブジェクトです。人気のビデオ ゲーム「テトリス」のJ、L、S、Z 字型のテトロミノもキラリティーを示しますが、2 次元空間でのみ発生します。

手袋、眼鏡（場合によっては）、靴など、他の多くの身近な物体も人体と同じキラル対称性を示します。以下に説明するように、結び目理論でもキラリティーの同様の概念が考慮されています。

らせん構造などの一部のキラルな三次元物体は、右手の法則に従って右利きまたは左利きに割り当てられます。

幾何学では、図形がアキラルであるためには、その対称群に少なくとも 1 つの方向反転等長変換が含まれる必要があります。2 次元では、対称軸を持つすべての図形はアキラルであり、有界アキラル図形はすべて対称軸を持つ必要があります。3 次元では、対称面または対称中心を持つすべての図形はアキラルです。ただし、対称面と対称中心の両方を持たないアキラル図形もあります。点群の観点では、すべてのキラル図形には不正な回転軸 (S _{n ) がありません。つまり、反転中心 (i) や鏡面 (σ) を持つことはできません。点群の指定が C 1}、 C _n、 D _n 、 T、 O、または Iである図形のみがキラルになり得ます。

結び目は、連続的に鏡像に変形できる場合、アキラルと呼ばれます。そうでない場合は、キラルと呼ばれます。たとえば、アンクノットと8の字結び目はアキラルですが、三つ葉結び目はキラルです。

物理学では、粒子のスピンにカイラリティが見られ、物体の利き手は粒子が回転する方向によって決まります。^{[4]カイラリティは、素粒子の線形運動量に沿ったスピンの投影である}ヘリシティと混同しないでください。カイラリティは、スピンと同様に固有の量子力学的特性です。カイラリティとヘリシティはどちらも左利きまたは右利きの特性を持つことができますが、質量がゼロの場合にのみ同一です。^[5]特に、質量がない粒子の場合、ヘリシティはカイラリティと同じであるのに対し、反粒子の場合は符号が逆になります。

カイラリティとヘリシティの両方における利き手は、人間の手を基準にして直線運動している粒子の回転に関係しています。手の親指は直線運動の方向を指し、他の指は手のひらに丸まり、粒子の回転方向（時計回りと反時計回り）を表します。直線運動と回転運動に応じて、粒子は左利きまたは右利きとして定義されます。^{[5] 2つの間の対称変換は}パリティと呼ばれます。ディラックフェルミオンによるパリティに対する不変性は、カイラル対称性と呼ばれます。

電磁波は、その偏光と関連した利き手を持つことができます。電磁波の偏光は、電場ベクトルの方向、つまり時間とともに変化する方向と振幅を表す特性です。たとえば、左巻きまたは右巻きの円偏光波の電場ベクトルは、空間内で逆の利き手のらせんを形成します。

反対の利き手を持つ円偏光波は、異なる速度（円複屈折）と異なる損失（円二色性）でキラル媒体中を伝播します。両方の現象はまとめて光学活性として知られています。円複屈折は、キラル媒体中の電磁波の偏光状態の回転を引き起こし、効果が十分に大きい場合、片利きの波に対して負の屈折率を引き起こす可能性があります。 ^{[6] [7]}

光学活性は 3 次元のキラルな構造 (らせんなど) で発生しますが、キラリティーの概念は 2 次元にも適用できます。平面スパイラルなどの2D キラルパターンは、2 次元空間 (平面) での移動または回転によって鏡像と重ね合わせることはできません。2D キラリティーは、円偏光の方向非対称透過 (反射と吸収) に関連しています。異方性と損失性も備えた 2D キラル材料は、前面と背面に入射する同じ円偏光に対して、異なる総透過 (反射と吸収) レベルを示します。非対称透過現象は、入射波の反対の伝播方向に対する、たとえば左から右への円偏光変換効率の相違から生じるため、この効果は円変換二色性と呼ばれます。 2d-キラルパターンのねじれが観測方向が反対の場合に逆に見えるのと同様に、2d-キラル材料は前面と背面に入射する左旋円偏波と右旋円偏波に対して互いに逆の特性を持ちます。特に、左旋円偏波と右旋円偏波は、逆方向の透過（反射と吸収）非対称性を経験します。^{[8] [9]}

光学活性は 3d キラリティーと関連し、円偏光変換は 2d キラリティーと関連していますが、両方の効果は、それ自体がキラリティーではない構造でも観察されています。これらのキラリティー電磁効果を観察するためには、キラリティーは電磁波と相互作用する物質の固有の特性である必要はありません。代わりに、電磁波の伝播方向と (アキラルな) 物質の構造がキラリティーの実験的配置を形成するときにも、両方の効果が発生する可能性があります。 [ ^{10] [11]}アキラル成分の相互配置がキラリティー (実験的) 配置を形成するこのケースは、外在的キラリティーとして知られています。^{[12] [13]}

キラルミラーは、特定の螺旋度の円偏光を利き手性保存方式で反射し、反対の利き手の円偏光を吸収するメタマテリアルの一種です。^[14]しかし、ほとんどの吸収型キラルミラーは、因果律の制限により狭い周波数帯域でのみ動作します。不要な波形を吸収するのではなく、不要な波を通過させる異なる設計方法を採用することで、キラルミラーは優れた広帯域性能を発揮することができます。^[15]

キラル分子は、重ね合わせることができない鏡像を持つ分子の一種である。分子のキラリティーの原因となる最も一般的な特徴は、不斉炭素原子の存在である。^{[16] [17]}

「キラル」という用語は一般に、鏡像と重ね合わせることができない物体を表すために使用されます。^[18]

化学において、キラリティーは通常分子を指す。キラル分子の 2 つの鏡像は、エナンチオマーまたは光学異性体と呼ばれる。エナンチオマーのペアは、多くの場合、「右利き」、「左利き」、または偏りがない場合は「アキラル」と指定される。偏光がキラル分子を通過すると、偏光面は、光源に向かう軸に沿って見た場合、時計回り (右) または反時計回り (左) に回転する。右回りの回転は右旋性 (d)、左回りの回転は左旋性 (l) である。d- 異性体と l- 異性体は同じ化合物だが、エナンチオマーと呼ばれる。2 つの光学異性体の等モル混合物はラセミ混合物と呼ばれ、通過するときに偏光の正味の回転は生成されない。^[19]左利きの分子の名前には l- が接頭辞として付き、右利きの分子には d- が接頭辞として付く。しかし、エナンチオマーを区別するこのd-およびl-表記法は、立体中心の周りのリガンド/置換基の実際の空間配置については何も述べておらず、これは配置として定義されます。配置を指定するために使用される別の命名システムは、フィッシャー規則です。^[20]これは、D-およびL-システムとも呼ばれます。ここでは、相対配置は、標準としてとられるD-(+)-グリセルアルデヒドおよびL-(−)-グリセルアルデヒドを基準として割り当てられます。フィッシャー規則は、糖化学およびα-アミノ酸に広く使用されています。フィッシャー規則の欠点のため、ほぼ完全に、シーケンスルールまたはRおよびS命名法としても知られるカーン-インゴールド-プレログ規則に置き換えられました。 ^{[21] [22]}これはさらに拡張され、 EZ表記法を使用してシス-トランス異性体に絶対配置を割り当てました。

分子のキラリティーは、無機化学、有機化学、物理化学、生化学、超分子化学における立体化学への応用のため興味深いものです。

キラル化学における最近の発展には、キラル化合物に伝統的に関連付けられているsp3炭素原子に関連付けられているキラル中心と同様の四面体形状をより大きなスケールで持つ可能性のあるキラル無機ナノ粒子の開発が含まれます。[ ^{23] [24]キラルナノ}材料 のらせん対称性やその他の対称性も得られました。^[25]

既知の生命体はすべて、化学構造だけでなく、マクロ的な解剖学、発達、行動にも特定のキラル特性を示します。^[26]特定の生物や進化的に関連する生物群では、個々の化合物、器官、行動が同じ単一の鏡像異性体形式で見られます。少数の化合物、または特定の器官や行動に偏差（反対の形を持つこと）が見られる場合がありますが、そのバリエーションは生物の遺伝子構成に厳密に依存しています。化学レベル（分子レベル）から見ると、生物系は合成、摂取、感知、代謝処理において極端な立体特異性を示します。生体システムは通常、同じ化合物の2つの鏡像異性体をまったく異なる方法で処理します。

生物学では、ホモキラリティーはアミノ酸と炭水化物の共通の性質です。遺伝子コードからリボソームを介して翻訳されるキラルなタンパク質生成アミノ酸は、 L型で存在します。ただし、Dア​​ミノ酸も自然界に存在します。単糖類 (炭水化物単位) は、一般的にD配置で存在します。DNA 二重らせんはキラルであり (あらゆる種類のらせんがキラルであるように)、B 型の DNA は右巻きを示します。

時には、化合物の2つのエナンチオマーが生物中に見つかった場合、それらの味、匂い、その他の生物学的作用が大きく異なります。たとえば、(+)-カルボンはキャラウェイシードオイルの匂いの原因であり、(–)-カルボンはスペアミントオイルの匂いの原因です。^[27]しかし、(+)-リモネンはオレンジに含まれ（その匂いの原因）、(–)-リモネンはレモンに含まれ（その匂いの原因）というのはよくある誤解です。2021年に厳密な実験の結果、すべての柑橘類には(+)-リモネンしか含まれておらず、匂いの違いは他の要因によるものであることが判明しました。^[28]

また、医薬品を含む人工化合物の場合、キラル薬物の場合には、2つのエナンチオマーが生物学的作用の効果に顕著な違いを示すことがあります。^[29]ダルボン（デキストロプロポキシフェン）は鎮痛剤ですが​​、そのエナンチオマーであるノヴラド（レボプロポキシフェン）は鎮咳剤です。ペニシラミンの場合、( S) -異性体は原発性慢性関節炎の治療に使用されますが、( R )-異性体には治療効果がなく、毒性が強いです。^[30]場合によっては、治療効果の低いエナンチオマーが副作用を引き起こすことがあります。たとえば、( S )-ナプロキセンは鎮痛剤ですが​​、( R) -異性体は腎臓の問題を引き起こします。^[31]ラセミ体薬物のエナンチオマーの1つが有効で、もう1つが望ましくない効果または毒性効果を有するような状況では、より良い治療効果を得るために、ラセミ体から単一のエナンチオマー薬物に切り替えることができます。[1] このようなラセミ体薬物からエナンチオ純粋な薬物への切り替えは、キラルスイッチと呼ばれます。

天然に存在する植物型のα-トコフェロール（ビタミンE）はRRR-α-トコフェロールですが、合成型（全ラセミビタミンE、またはdl-トコフェロール）は、RRR、RRS、RSS、SSS、RSR、SRS、SRR、およびSSRの立体異性体の等量であり、生物学的同等性は徐々に低下するため、1.36 mgのdl-トコフェロールは1.0 mgのd-トコフェロールに相当すると考えられています。^[32]

マクロ的なキラリティーの例は、植物界、動物界、その他すべての生物群に見られます。簡単な例としては、左巻きまたは右巻きのらせんを形成するように成長するつる植物の巻き方向が挙げられます。

解剖学では、多くの種類の動物の体の不完全な鏡像対称性にキラリティーが見られます。腹足類などの生物は、巻き殻にキラリティーを示し、非対称な外観をもたらします。腹足類の種の90％以上^{[33]は、巻き殻が}右巻き（右利き）ですが、少数の種と属は、ほぼ常に左巻き（左利き）です。非常に少数の種（例えば、Amphidromus perversus ^[34]）は、右巻きと左巻きの個体が同数混在しています。

人間において、キラリティー（利き手や側性とも呼ばれる）は、左手と右手の間の微細運動技能の不均等な分布によって定義される人間の属性である。右手の方が器用な人は右利きと呼ばれ、左手の方が熟練している人は左利きと呼ばれる。キラリティーは顔の非対称性の研究でも見られ、顔面非対称性として知られている。^[35]

軸ねじれ理論によれば、脊椎動物は左利きのキラリティーに発達する。これにより、脳は回転し、心臓と腸は90°回転する。^[36]

全内臓が水平に反転した（心臓が左ではなくわずかに右に位置する）健康状態である全内臓逆位の場合、患者が肝臓または心臓移植を必要とする場合に、これらの臓器が対称性であるため、逆位が何らかの問題を引き起こし、つまり、正常な非逆位（孤立内臓）臓器が必要な場合、これらの臓器に血液を供給する血管を再配置する必要があることを意味します。

単子葉植物のアカネ科では、ワッヘンドルフィア属 とバルベレッタ属の種には、花柱が右向きか左向きの個体しか存在せず、両方の形態が同じ個体群内に出現する。これにより異系交配が増加し、遺伝的多様性が高まり、変化する環境で生き残るのに役立つと考えられている。注目すべきことに、関連属のディラトリス属にも左右非対称の花があるが、ここでは両方の形態が同じ植物に発生する。^[37]カレイ類では、夏のカレイやヒラメは左目であるが、オヒョウは右目である。

• Chirality -生物学、化学、材料、薬理学、分光学、物理的特性に関する化学および生化学のキラリティーに焦点を当てた科学雑誌

• クロイツ、マイケル(2018)。『クォークからパイ中間子へ：カイラル対称性と閉じ込め』ニュージャージー、ロンドン、シンガポール、北京、上海、香港、台北、チェンナイ、東京：ワールドサイエンティフィック。ISBN 978-981-322-923-5 
• ウルフ、クリスチャン（2008）。キラル化合物の動的立体化学：原理と応用。ケンブリッジ：RSC出版。ISBN 978-0-85404-246-3 
• Beesley, Thomas E.; Scott, Raymond PW (1998).キラルクロマトグラフィー. 分離科学シリーズ. Chichester Weinheim: Wiley. ISBN 978-0-471-97427-7 

• 利き手
• キラル薬物
• キラルスイッチ
• カイラル反転
• メタキラリティー
• 方向（スペース）
• 左利きと右利き
• 触手の倒錯
• カイラリティ（物理学）

• Hegstrom, Roger A.; Kondepudi, Dilip K. 「宇宙の利き手」(PDF)。

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