キラリティー（化学）

化学において、分子またはイオンは、回転、並進、および何らかの配座変化をどのような組み合わせでも鏡像に重ね合わせることができない場合、キラル（/ ˈ k aɪ r əl / ）と呼ばれます。この幾何学的特性は、キラリティー（/ k aɪ ˈ r æ l ɪ t i /）と呼ばれます。 ^{[1] [2] [3] [4]これらの用語は、}古代ギリシャ語のχείρ ( cheir )「手」に由来しており、これはこの特性を持つオブジェクトの 標準的な例です。

キラルな分子またはイオンは、互いに鏡像関係にある2つの立体異性体（ ^[5]エナンチオマーと呼ばれる）として存在し、絶対配置またはその他の基準によって「右利き」または「左利き」として区別されることが多い。2つのエナンチオマーは、他のキラル化合物と反応する場合を除いて、同じ化学的性質を持つ。また、光学活性が反対であることが多いことを除いて、物理的性質も同じである。2つのエナンチオマーを等量ずつ均質に混合したものはラセミ体と呼ばれ、通常、純粋なエナンチオマーとは化学的にも物理的にも異なる。

キラル分子には通常、キラリティーが生じる立体中心要素があります。最も一般的な立体中心要素は立体中心または立体中心です。有機化合物の場合、立体中心は、四面体形状で 4 つの異なる基が結合した炭素原子の形をとることが最も一般的です。あまり一般的ではありませんが、N、P、S、Si などの他の原子も、4 つの異なる置換基 (孤立電子対を含む) が結合していれば、立体中心として機能することがあります。

与えられた立体中心には 2 つの配置 (R と S) が可能で、1 つ以上の立体中心を持つ分子では立体異性体 (ジアステレオマーとエナンチオマー) が生じます。1 つ以上の立体中心を持つキラルな分子の場合、エナンチオマーはすべての立体中心が反対の配置を持つ立体異性体に相当します。立体炭素を 1 つだけ持つ有機化合物は常にキラルです。一方、複数の立体炭素を持つ有機化合物は典型的にはキラルですが、常にそうとは限りません。特に、立体中心が、分子が対称面または反転点を持つ配座をとることができるように配置されている場合、分子はアキラルであり、メソ化合物と呼ばれます。

1 つ以上の立体中心から生じるキラリティーを持つ分子は、中心キラリティーを持つものとして分類されます。キラリティーを生じさせる立体要素には、立体軸 (軸キラリティー) と立体面 (平面キラリティー) の 2 つの種類があります。最後に、分子の固有の曲率もキラリティーを生じさせます (固有キラリティー)。これらの種類のキラリティーは、中心キラリティーよりもはるかに一般的ではありません。BINOLは軸キラリティー分子の典型的な例であり、トランス-シクロオクテンは平面キラリティー分子のよく引用される例です。最後に、ヘリセンは、固有キラリティーの 1 つの種類であるらせんキラリティーを持っています。

キラリティーは立体化学と生化学にとって重要な概念です。生物学に関連する物質のほとんどはキラルであり、例えば炭水化物（糖、デンプン、セルロース）、タンパク質の構成要素であるアミノ酸の1つを除くすべて、核酸などがあります。天然に存在するトリグリセリドは多くの場合キラルですが、常にそうであるとは限りません。生体内では、通常、キラル化合物の2つのエナンチオマーのうちの1つしか見つかりません。そのため、キラル化合物を摂取する生物は通常、そのエナンチオマーの1つしか代謝できません。同じ理由で、キラル医薬品の2つのエナンチオマーは通常、効力や効果 が大きく異なります。

分子のキラリティーは、その配座の分子対称性に基づいています。分子の配座がキラルであるのは、それがC _n、D _n、T、O、I 点群（キラル点群）に属する場合のみです。ただし、分子自体がキラルであると見なされるかどうかは、そのキラル配座が、少なくとも原理的には別々のエナンチオマーとして単離できる持続性異性体であるか、またはエナンチオマー配座が低エネルギーの配座変化によって所定の温度および時間スケールで急速に相互変換する（分子をアキラルにする）かどうかによって決まります。たとえば、ブタンは、 C ₂点群に属するキラルなゴーシュ配座を持っていますが、中心の C–C 結合の周りの回転によってエナンチオマーが急速に相互変換するため（3.4 kcal/mol 障壁）、室温ではアキラルであると見なされます。同様に、シス-1,2-ジクロロシクロヘキサンは、同一ではない鏡像である椅子型配座異性体で構成されていますが、2つはシクロヘキサン椅子反転（約10 kcal/モル障壁）を介して相互変換できます。別の例として、3つの異なる置換基（R ¹ R ² R ^{3 N:）を持つアミンも、そのエナンチオマーのピラミッド型配座異性体が急速に}ピラミッド反転を起こすため、アキラル分子と見なされます。

しかし、問題の温度が十分に低い場合、エナンチオマーのキラル配座を相互変換するプロセスは、所定の時間スケールに比べて遅くなります。その場合、分子はその温度でキラルであると見なされます。関連する時間スケールは、ある程度任意に定義されます。1000 秒が使用されることがあります。これは、実用的な意味でのエナンチオマーの化学的またはクロマトグラフィーによる分離に必要な時間の下限と見なされるためです。単結合の周りの回転が制限されているため室温でキラルである分子 (回転障壁 ≥ 約 23 kcal/mol) は、アトロプ異性を示すと言われています。

キラル化合物は、対称面と反転中心を含む不適当な回転軸（S _n ）を含むことができない。キラル分子は常に非対称（ S _{n を}欠く）であるが、必ずしも非対称（自明な同一性を除くすべての対称要素を欠く）であるわけではない。非対称分子は常にキラルである。^[6]

次の表は、キラル分子とアキラル分子の例を、分子の点群のシェーンフリース表記とともに示しています。アキラル分子では、 X と Y (下付き文字なし) はアキラル基を表し、 X _Rと X _Sまたは Y _Rと Y _{S は}エナンチオマーを表します。 S ₂軸の向きは単に反転しているだけなので、意味がないことに注意してください。反転の中心を通る限り、どのような向きでもかまいません。また、キラル分子とアキラル分子のより高い対称性も存在し、キラルC ₃やアキラルS ₄など、表に含まれない対称性もあります。

鏡面や反転を持たず、それでもアキラルであると考えられる分子の例としては、1,1-ジフルオロ-2,2-ジクロロシクロヘキサン (または 1,1-ジフルオロ-3,3-ジクロロシクロヘキサン) があります。これは多くの配座異性体 (配座異性体) に存在する可能性がありますが、そのいずれも鏡面を持っていません。鏡面を持つためには、シクロヘキサン環が平坦でなければならず、結合角が広がり、配座に非常に高いエネルギーが与えられます。キラル配座異性体は簡単に相互変換するため、この化合物はキラルとは見なされません。

キラル配座を持つアキラル分子は、理論的には右手型と左手型の結晶の混合物を形成する可能性があり、これはキラル分子のラセミ混合物でよく起こること（キラル分割#自発分割および関連する専門技術を参照）や、アキラル液体二酸化ケイ素がキラル石英になるまで冷却された場合によく起こることである。

立体中心（または立体中心）とは、その原子上の 2 つのリガンド（結合した基）の位置を入れ替えると、元の分子と立体異性体となる分子になる原子のことです。たとえば、一般的なケースでは、4 つの異なる基a、b、c、およびdに結合した四面体炭素（C abcd）があり、任意の 2 つの基（例、 C bacd）を入れ替えると、元の分子の立体異性体となるため、中心の C が立体中心になります。多くのキラル分子は点キラリティー、つまり原子と一致する単一のキラル立体中心を持っています。この立体中心は通常、異なる基への結合が 4 つ以上あり、炭素（多くの生体分子の場合）、リン（多くの有機リン酸塩の場合）、ケイ素、または金属（多くのキラル配位化合物の場合）である場合があります。ただし、立体中心は、4 番目の結合の代わりに孤立電子対が存在するため、P-キラルホスフィン(PRR′R″)のリンやS-キラルスルホキシド(OSRR′)の硫黄など、結合が同じ平面上にない 3 価原子である場合もあります。

同様に、立体軸（または平面）は、分子内の軸（または平面）として定義され、軸（または平面）に結合した任意の2つのリガンドの交換により立体異性体が生じる。例えば、C ₂対称種である 1,1′-ビ-2-ナフトール（BINOL）および1,3-ジクロロアレンは立体軸を持ち、軸性キラリティーを示すが、（E）-シクロオクテンおよび2つ以上の置換基を有する多くのフェロセン誘導体は立体面を持ち、平面キラリティーを示す。

キラリティーは、重水素化 ベンジルアルコールPhCHDOHのように原子間の同位体の違いによっても生じる。重水素化ベンジルアルコールPhCHDOHはキラルで光学活性（[ α ] _D =0.715°）であるが、重水素化されていない化合物PhCH ₂ OHはそうではない。^[7]

2 つのエナンチオマーが容易に相互変換する場合、純粋なエナンチオマーを分離することは事実上不可能であり、ラセミ混合物のみが観察される可能性があります。これは、たとえば、3 つの異なる置換基 (NRR′R″) を持つほとんどのアミンの場合に当てはまります。これは、窒素反転のエネルギー障壁が低いためです。

エナンチオマーの旋光度が実用的に測定するには低すぎる場合、その種はクリプトキラリティーを示すと言われます。

キラリティーは分子のアイデンティティの本質的な部分であるため、系統名には絶対配置( R/S、D/L、またはその他の指定)の詳細が含まれます。

• 風味：人工甘味料 アスパルテームには2つのエナンチオマーがあります。L-アスパルテームは甘い味がしますが、D-アスパルテームは無味です。^[8]
• 匂い： R -(–)-カルボンはスペアミントのような匂いがするのに対し、S -(+)-カルボンはキャラウェイのような匂いがする。^[9]
• 薬効：抗うつ薬シタロプラムはラセミ混合物として販売されている。しかし、研究により、（ S）-（+）エナンチオマー（エスシタロプラム）のみが薬の有益な効果をもたらすことがわかっている。 ^{[10] [11]}
• 薬の安全性： D-ペニシラミンはキレート療法や関節リウマチの治療に使用されますが、L-ペニシラミンは必須ビタミンBであるピリドキシンの作用を阻害するため有毒です。 ^[12]

天然アミノ酸（タンパク質の構成要素）や糖など、多くの生物学的に活性な分子はキラルです。

生物学におけるこのホモキラリティの起源は、多くの議論の対象となっている。^[13]ほとんどの科学者は、地球上の生命のキラリティの「選択」は完全にランダムであり、炭素ベースの生命体が宇宙の他の場所に存在する場合、その化学的性質は理論的には反対のキラリティを持つ可能性があると考えている。しかし、初期のアミノ酸は彗星の塵で形成された可能性があるという示唆もある。この場合、円偏光放射（恒星放射の17％を占める）がアミノ酸の1つのキラリティの選択的破壊を引き起こし、最終的に地球上のすべての生命がホモキラリティになるという選択バイアスにつながった可能性がある。^{[14] [15]}

酵素はキラルであり、キラル基質の 2 つのエナンチオマーを区別することがよくあります。酵素は基質に結合する手袋のような空洞を持っていると想像できます。この手袋が右利きの場合、一方のエナンチオマーは内側に収まって結合しますが、もう一方のエナンチオマーはフィット感が低く、結合する可能性は低くなります。

アミノ酸のL型は無味である傾向があり、一方D型は甘い味がする傾向があります。 ^[13] スペアミントの葉には化学物質カルボンのL型エナンチオマー、つまりR -(−)-カルボンが含まれ、キャラウェイシードにはD型エナンチオマー、つまりS -(+)-カルボンが含まれています。 ^{[9]私たちの嗅覚}受容体はキラルであるため、ほとんどの人にとってこの2つの匂いは異なります。

キラリティーは秩序相の文脈でも重要であり、例えば、ネマチック相（分子の長距離配向秩序を持つ相）に少量の光学活性分子を加えると、その相はキラルネマチック相（またはコレステリック相）に変換されます。ポリマー流体中のそのような相の文脈におけるキラリティーも、この文脈で研究されてきました。^[16]

キラリティーは対称性の特性であり、周期表のどの部分の特性でもありません。したがって、多くの無機材料、分子、イオンはキラリティーを持っています。鉱物界では石英がその一例です。このような非中心性材料は、非線形光学の用途で興味深いものです。

錯体化学や有機金属化学の分野では、キラリティーは広く普及しており、実用上も重要である。有名な例としては、3つのビピリジン配位子がキラルなプロペラのような配置をとるトリス(ビピリジン)ルテニウム(II)錯体が挙げられる。 ^{[17] [Ru(2,2′-ビピリジン)} ₃ ] ²⁺などの錯体の2つのエナンチオマーは、配位子によって表されるプロペラの左巻きに対してΛ（大文字のラムダ、ギリシャ語の「L」）、右巻きに対してΔ（大文字のデルタ、ギリシャ語の「D」）で示される（図参照）。また、dextro-およびlevo-（laevo-）も参照のこと。

キラル配位子は金属錯体にキラリティーを付与し、金属-アミノ酸錯体で例証される。金属が触媒特性を示す場合、キラル配位子との組み合わせが不斉触媒の基礎となる。^[18]

光学活性という用語は、キラル物質と偏光の相互作用に由来しています。溶液中では、光学異性体の (-) 型、つまり左旋性型は直線偏光の光線面を反時計回りに回転させます。光学異性体の (+) 型、つまり右旋性型は逆の動作をします。光の回転は偏光計を使用して測定され、旋光度として表されます。

エナンチオマーは、キラル分割によって分離できる。これは多くの場合、リンゴ酸やアミンのブルシンなどの天然に存在するキラル化合物のいわゆるキラルプールから、エナンチオマーの1つと酸または塩基からなる塩の結晶を形成することを伴う。一部のラセミ混合物は、手で分離できる右手型と左手型の結晶に自発的に結晶化する。ルイ・パスツールは、 1849年にこの方法を使用して、左手型と右手型の酒石酸アンモニウムナトリウム結晶を分離した。場合によっては、ラセミ溶液に右手型の結晶と左手型の結晶を播種して、それぞれが大きな結晶に成長するようにすることが可能です。

液体クロマトグラフィー（HPLCおよびTLC）は、キラルな医薬品有効成分（API）などのエナンチオマーの直接分離およびエナンチオマー純度の制御のための分析方法として使用されることもあります。 ^{[19] [20]}

• 非ラセミ体のキラル物質はスケールミック物質と呼ばれる。スケールミック物質はエナンチオ純粋またはエナンチオ濃縮物である。^[21]
• キラル物質は、2つの可能なエナンチオマーのうち1つだけが存在し、サンプル内のすべての分子が同じキラリティー感覚を持つ場合、エナンチオ純粋である。同義語としてホモキラルを使用することは強く推奨されない。 ^[22]
• キラル物質は、そのエナンチオマー比が50:50より大きく100:0より小さい場合、エナンチオ濃縮またはヘテロキラルである。 ^[23]
• エナンチオマー過剰率（ee）は、一方のエナンチオマーが他方のエナンチオマーと比較してどれだけ存在するかの差である。例えば、Rのeeが40%のサンプルには、70%のRと30%のSが含まれている（70% − 30% = 40%）。^[24]

キラル物質による平面偏光の回転は、1812年にジャン＝バティスト・ビオによって初めて観察され、 ^[25]製糖産業、分析化学、製薬業界でかなりの重要性を帯びるようになりました。ルイ・パスツールは1848年にこの現象が分子レベルで基礎にあると推論しました。^{[26] [27]}キラリティーという用語自体は、 1894年にケルビン卿によって造られました。^[28]化合物の異なるエナンチオマーまたはジアステレオマーは、その異なる光学特性のため、以前は光学異性体と呼ばれていました。 ^[29]かつてはキラリティーは有機化学に限定されていると考えられていましたが、この誤解は、 1911年にアルフレッド・ヴェルナーによって純粋に無機化合物であるヘキソールと呼ばれるコバルト錯体が分解されたことで覆されました。 ^[30]

1970年代初頭、様々なグループが人間の嗅覚器官がキラル化合物を区別する能力を持っていることを証明しました。^{[9] [31] [32]}

• カイラリティ（電磁気学）
• キラリティー（数学）
• カイラリティ（物理学）
• エナンチオ純粋な薬物
• エナンチオ選択的合成
• 利き手
• 方向（ベクトル空間）
• ファイファー効果
• 立体化学全般の概要については立体化学を参照してください
• 立体異性
• 超分子キラリティー

• クレイデン、ジョナサン; グリーブス、ニック; ウォーレン、スチュアート (2012)。有機化学 (第 2 版)。オックスフォード、イギリス: オックスフォード大学出版局。pp. 319f、432、604np、653、746int、803ketals、839、846f。ISBN 978-0199270293. 2016年2月2日閲覧。
• Eliel, Ernest Ludwig; Wilen, Samuel H.; Mander, Lewis N. (1994). 「キラル中心を持たない分子のキラリティー (第 14 章)」.有機化合物の立体化学. 第 9 巻 (第 1 版). ニューヨーク、NY、米国: Wiley & Sons. pp. 428–430. doi :10.1002/(SICI)1520-636X(1997)9:5/6<428::AID-CHIR5>3.0.CO;2-1. ISBN 978-0471016700. 2016年2月2日閲覧。
• Eliel, EL (1997). 「Infelicitous Stereochemical Nomenclatures」.キラリティ. 9 (5–6): 428–430. doi :10.1002/(SICI)1520-636X(1997)9:5/6<428::AID-CHIR5>3.0.CO;2-1. 2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年2月5日閲覧。
• Gal, Joseph (2013)。「分子キラリティー: 言語、歴史、重要性」。キラリティー。最新化学の話題。340 : 1–20。doi : 10.1007 /128_2013_435。ISBN 978-3-319-03238-2. PMID  23666078。

ウィキメディア・コモンズには、化学におけるキラリティーに関連するメディアがあります。

• 第21回キラリティー国際シンポジウム
• 立体異性 - 光学異性
• シンポジウムハイライト - セッション5: 低分子合成の新技術
• アミノ酸構成の IUPAC 命名法。
• ミシガン州立大学によるR/S命名法の説明
• キラリティーと匂いの知覚（leffingwell.com）
• キラリティーと生物活性 I.: 薬理学
• キラリティーと地球外生命の探査
• ロジャー A ヘグストロムとディリップ K コンデプディ著『宇宙の利き手』 http://quantummechanics.ucsd.edu/ph87/ScientificAmerican/Sciam/Hegstrom_The_Handedness_of_the_universe.pdf