Chemia organiczna. Stereochemia. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Transkrypt

1 Chemia organiczna Stereochemia Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

2 Chemia organiczna jest nauką, która zajmuje się poszukiwaniem zależności pomiędzy budową cząsteczki a właściwościami związków (organicznych). Ta część chemii organicznej, która dotyczy trójwymiarowej struktury cząsteczki nazywa się stereochemią. Izomery (gr. isos równy) związki mające ten sam wzór sumaryczny, ale odmienne właściwości fizyczne i chemiczne. Izomery są różnymi związkami mają odmienną strukturę cząsteczek 2

3 alkohol etylowy eter dimetylowy H H H H H C C O H H C O C H H H H H wzór sumaryczny C 2 H 6 O masa cząsteczkowa 46 alkohol etylowy eter dimetylowy temperatura wrzenia 78 o C - 24 o C stan skupienia ciecz gaz reakcja z HI C 2 H 6 I CH 3 I reakcja z Na met. C 2 H 6 ONa - cis-2-buten temp. wrz. +4 o C trans-2-buten temp. wrz. +1 o C 3

4 IZOMERIA KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia Konfiguracyjna Konformacyjna Konfiguracja absolutna DL Optyczna Ukladów łańcuchowych Geometryczna Układów cyklicznych 4

5 Izomeria konstytucyjna izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych IZOMERIA KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia Konfiguracyjna Konformacyjna Konfiguracja absolutna DL Optyczna Ukladów łańcuchowych Geometryczna Układów cyklicznych 5

6 Izomeria konstytucyjna IZOMERIA Izomeria łańcuchowa izomery tworzą łańcuchy proste i rozgałęzione KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Konfiguracyjna Optyczna Konformacyjna Ukladów łańcuchowych Konfiguracja absolutna DL Geometryczna Układów cyklicznych 6

7 Izomeria konstytucyjna IZOMERIA Łańcuchowa Izomeria grup funkcyjnych: cząsteczka zawiera różne grupy funkcyjne zbudowane z atomów tych samych pierwiastków KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych Grup funkcyjnych Położenia STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Konfiguracyjna Optyczna Geometryczna Konformayjna Ukladów łańcuchowych Układów cyklicznych Konfiguracja absolutna DL aldehyd glicerynowy dihydroksyaceton 7

8 Izomeria konstytucyjna Izomeria położenia: różne położenia podstawników w łańcuchu lub pierścieniu KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia IZOMERIA STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Konfiguracyjna Konformacyjna Konfiguracja absolutna DL C1 C6 Optyczna Ukladów łańcuchowych Geometryczna Układów cyklicznych fosfoglukomutaza glukozo-1-fosforan glukozo-6-fosforan bezpośredni produkt odszczepiania cząsteczki glukozy z glikogenu przez glikogenofosforylazę glikogenową 8

9 Stereoizomeria poszczególne stereoizomery różnią się sposobem rozmieszczenia atomów w przestrzeni (przy identycznej kolejności łączenia się tych atomów ze sobą) IZOMERIA KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia Konfiguracyjna Konformacyjna Konfiguracja absolutna DL Optyczna Ukladów łańcuchowych Geometryczna Układów cyklicznych 9

10 Stereoizomeria IZOMERIA KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia Konfiguracyjna Konformacyjna Konfiguracja absolutna DL Stereoizomeria konfiguracyjna: izomery różnią się przestrzennym położeniem wiązań kowalencyjnych. Stereoizomeria konformacyjna izomery różnią się wzajemnym położeniem grup funkcyjnych, w wyniku rotacji podstawników wokół wiązania. Optyczna Geometryczna Ukladów łańcuchowych Układów cyklicznych 10

11 Czynność optyczna substancję określa się jako optycznie czynną, jeżeli wykazuje ona zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła. Światło spolaryzowane jest to światło, którego drgania zachodzą tylko w jednej z wielu możliwych płaszczyzn (np. po przejściu przez soczewkę polaryzacyjną lub pryzmat Nicola). Jean Baptiste Biot odkrył zjawisko czynności optycznej (1815 r.) Louis Pasteur roztwory kryształów tego samego związku mogą się różnić skręcalnościa optyczną. Istnieją zatem izomery, które różnią się jedynie tym, że jeden stanowi lustrzane odbicie drugiego. Skręcają one płaszczyznę polaryzacji światła w przeciwnych kierunkach. Polarymetr urządzenie służące do wykrywania oraz pomiaru stopnia skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego 11

12 Czynność optyczna substancję określa się jako optycznie czynną, jeżeli wykazuje ona zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła. fale świetlne drgają we wszystkich kierunkach fale świetlne drgają w jednej płaszczyźnie kierunek przechodzenia światła płaszczyzna światła spolaryzowanego jest skręcona próbka substancji chiralnej 12

13 Izomeria optyczna Substancja prawoskrętna (+) powoduje skręcanie płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo IZOMERIA KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Substancja lewoskrętna (-) powoduje skręcanie płaszczyzny światła spolaryzowanego w lewo Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia Konfiguracyjnaa Optyczna Geometryczna Konformacyjna Ukladów łańcuchowych Układów cyklicznych Konfiguracja absolutna DL 13

14 Izomeria optyczna enancjomery (gr.- enantio przeciwny) izomery będące wzajemnymi odbiciami lustrzanymi, które nie dają się na siebie nałożyć, czyli są chiralne płaszczyzna lustrzana (S)(+) kwas mlekowy (R)(-) kwas mlekowy z tkanki mięśniowej z mleka ]=+13,5 o ]=-13,5 o 14

15 Konfiguracja D i L cząsteczki aldehydu glicerynowego są enancjomerami jeżeli związek (fragment końcowy) można przekształcić do jednego z izomerów aldehydu glicerynowego, to związek ten zaliczamy do szeregu konfiguracyjnego D lub L, w zależności od tego, do którego izomeru przekształcił się przynależność do konfiguracji D lub L nie zależy od kierunku skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego D-mannoza L-mannoza 15

16 ENANCJOMERY właściwości fizykochemiczne. Enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne z wyjątkiem kierunku skręcania płaszczyzny swiatła spolaryzowanego. Skręcalność ma taką samą wartość, ale w przeciwnych kierunkach Enancjomery wykazują identyczne właściwości chemiczne i biologiczne z wyjątkiem ich zachowania się w stosunku do optycznie czynnych reagentów 16

17 ENANCJOMERY. Centrum chiralności atom węgla, do którego przyłączone są cztery różne podstawniki. Koniecznym i dostatecznym warunkiem enancjomerii jest chiralność, czyli niemożność nałożenia przedmiotu na jego lustrzane odbicie Chiralność - warunek konieczny (ale nie dostateczny) wystąpienia czynności optycznej. Istnienie lub brak centrum chiralności nie stanowi kryterium chiralności (struktura mezo). 17

18 Struktura mezo jest to związek, którego cząsteczki dają się nakładać na swoje lustrzane odbicia, mimo że zawierają centra chiralności Związek mezo jest optycznie nieczynny. H CH 3 Cl Cl CH 3 H 3 2 CH 3 CH * CH * CH 3 Cl Cl 2,3-dichlorobutan H Cl Cl H CH 3 CH 3 płaszczyzna lustrzana Odmiana racemiczna mieszanina równych ilości enancjomerów. Odmiana racemiczna jest optycznie nieczynna 18

19 Izomeria optyczna w przypadku izomerów optycznych (enancjomerów) określa się w nazwie związku informację o jego budowie przestrzennej przedrostkiem stereochemicznym (R) lub (S) podstawniki związane z asymetrycznym atomem węgla szereguje się w kolejności malejących liczb atomowych (umownie a>b>c>d) np. CHFClBr : Br>Cl>F>H, (R) - rectus - prawy - kierunek podstawników zgodny z ruchem wskazówek zegara (S) - sinister - lewy - kierunek przeciwny do ruchu wskazówek zegara 19

20 Izomeria optyczna w celu przypisania symboli konfiguracyjnych obserwujemy ich modele od strony przeciwnej do podstawnika zaszeregowanego jako ostatni ("d"); następnie śledzimy drogę a b c i określamy kierunek (R)-bromochloro- (R) (S)-bromochloro- (S) fluorometan fluorometan gdy z centrum chiralności związane są dwa, trzy lub cztery identyczne atomy, to porównujemy dalsze atomy z nimi związane np. H 3 C-CHCl-CH 2 OH to: Cl>CH 2 OH>CH 3 >H 20

21 S-talidomid teratogenny R-talidomid uspakajający Talidomid - lek o działaniu przeciwwymiotnym, przeciwbólowym, usypiającym i hipnotycznym. Otrzymywano go jako racemat (zawiera jednakowych ilościach oba enancjomery). R talidomid ma działanie lecznicze, S - talidomid jest silnym teratogenem działającym na DNA płodu oraz wykazującym działanie hamujące angiogenezę hamował tworzenie nowych naczyń krwionośnych w kończynach oraz rozwój już istniejących. (S) -Talidomid obecnie stosowany w leczeniu szpiczaka mnogiego 21

22 DIASTEREOIZOMERY izomery nie będące wzajemnymi odbiciami lustrzanymi 3 2 C 2 H 5 * CH * CH CH 3 Cl Cl H CH 3 Cl Cl CH 3 H 2,3-dichloropentan Cl H Cl H C 2 H 5 C 2 H 5 płaszczyzna lustrzana diastereoizomery (konstytucyjne) - zawierają co najmniej dwa centra stereogeniczne, z których co najmniej jedno ma taką samą konfigurację. 22

23 CH 3 CH 2 CH * CH * CH 3 Cl Cl 2,3-dichloropentan - możliwe stereoizomery H CH 3 Cl Cl CH 3 H H CH 3 Cl Cl CH 3 H Cl H H Cl H Cl Cl H C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 płaszczyzna lustrzana płaszczyzna lustrzana nienakładalne enancjomery nienakładalne enancjomery 23

24 Kwas winowy Kwas winowy 2 stereocentra 4 możliwe stereoizomery d i a s t e r e o i z o m e r y kwas (+)-winowy (naturalny) lustro enancjomery kwas (-)-winowy w 175 C tworzą racemat nie są enancjomerami mają takie same elementy budulcowe związki achiralne kwas mezo-winowy d i a s t e r e o i z o m e r y

25 Diastereoizomery Mają podobne właściwości chemiczne, ponieważ należą do tej samej klasy związków. Mają różne właściwości fizyczne: temperaturę wrzenia temperaturę topnienia rozpuszczalność gęstość wartość współczynnika załamania światła różną skręcalność właściwą (jej znak może być ten sam lub przeciwny, a niektóre z nich mogą być optycznie nieczynne) 25

26 Stereoizomery Maksymalna liczba możliwych stereoizomerów (enancjomerów i diastereoizomerów) danego związku jest równa 2 n, gdzie n jest liczbą centrów chiralności 26

27 Izomeria geometryczna IZOMERIA Izomery geometryczne są diastereoizomerami różniącymi się względnym KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Konfiguracyjna położeniem podstawników połączonych z atomami związnymi wiązaniem podwójnym lub połączonych z płaskim pierścieniem. Mogą tworzyć konfigurację: cis podstawniki są usytuowane po tej samej stronie wiązania podwójnego lub pierścienia Optyczna Geometryczna Konformacyjnaa Ukladów łańcuchowych Układów cyklicznych Konfiguracja absolutna DL trans podstwaniki znajduja się po przeciwnych stronach płaszczyzny wiązania podwójnego lub pierścienia

28 Izomeria geometryczna Cl H Cl H Br H Br H C C C C C C C C Cl H H Cl Br H H Br cis trans cis trans 1,2-dichloroetan 1,2-dibromoetan temp. wrz. 60 o C temp. wrz. 48 o C temp. wrz. 110 o C temp. wrz. 108 o C temp. topn. -80 o C temp. topn. -50 o C temp. topn. -53 o C temp. topn. -6 o C 28

29 Izomeria geometryczna Kwas oleinowy Kwas elaidynowy podwójne wiazanie kwas palmitynowy - nasycony kwas maleinowy cis kwas fumarowy trans 29

30 Właściwości izomerów geometrycznych Izomery geometryczne mają takie same grupy funkcyjne - wykazują podobne właściwości chemiczne. Izomery geometryczne różnią się właściwościami fizycznymi: temperaturą topnienia temperaturą wrzenia wartościami współczynnika załamania światła rozpuszczalnością gęstością cis-2-buten temp. wrz. +4 o C trans-2-buten temp. wrz. +1 o C 30

31 Izomeria konformacyjna IZOMERIA KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia Konfiguracyjna Konformacyjna Konfiguracja absolutna DL Optyczna Ukladów łańcuchowych Stereoizomery konformacyjne różnią się wzajemnym położeniem grup funkcyjnych, które jest wynikiem rotacji podstawników wokół pojedynczego wiązania. Geometryczna Układów cyklicznych 31

32 Izomeria konformacyjna IZOMERIA KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia Konfiguracyjna Konformacyjna Konfiguracja absolutna DL Konformacja układów łańcuchowych: Optyczna Geometryczna Ukladów łańcuchowych Układów cyklicznych naprzeciwległa naprzemianległa 32

33 Izomeria konformacyjna IZOMERIA KONSTUTYCJA Izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych STEREOIZOMERIA Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów Łańcuchowa Grup funkcyjnych Położenia Konfiguracyjna Konformacyjna Konfiguracja absolutna DL Konformacja układów cyklicznych: łódkowa krzesełkowa Optyczna Geometryczna Ukladów łańcuchowych Układów cyklicznych 33

34 Stereochemia układów alicyklicznych Układy alicykliczne mogą tworzyć konfiguracje: cis podstawniki (lub atomy wodoru) przy węglach łączących obydwa pierścienie znajdują się po jednej stronie wiązania kowalencyjnego wspólnego dla obu pierścieni; jeden pierścień ma konformację krzesełkową, a drugi łódkową trans podstawniki (lub atomy wodoru) przy węglach łączących obydwa pierścienie znajdują się po przeciwnych stronach wiązania kowalencyjnego wspólnego dla obu pierścieni; oba pierścienie mają konformacje łódkową cis dekalina trans dekalina 34

35 Stereochemia układów alicyklicznych trans dekalina cis dekalina 35

36 Układ steranu C D A B cyklopentanoperhydrofenantren Budowa trzy pierścienie cykloheksanu jeden pierścień cyklopentanu Składnik cholesterolu hormonów sterydowych kwasów żółciowych Występuje jako pochodne alkoholowe hydroksyketony 36

37 Układ steranu pod płaszczyzną nad płaszczyzną pierścienia Przyłączone grupy metylowe do węgla C13 węgiel C18 do węgla C10 węgiel C19 Znajdują się nad płaszczyzną pierścienia (pozycja ) Pierścienie B i C oraz C i D położenie trans 37

38 Układ steranu --- pod płaszczyzną nad płaszczyzną pierścienia 5- - hydrogen 5- - hydrogen układ trans układ cis Atom wodoru przy węglu C5 decyduje o układzie pierścieni A i B - pierścienie A i B są w konformacji trans - pierścienie A i B są w konformacji cis 38

39 Układ steranu 5- - hydrogen 5- - hydrogen --- pod płaszczyzną nad płaszczyzną pierścienia Atom wodoru przy węglu C5 - pierścienie A i B - pierścienie A i B są w konformacji trans są w konformacji cis 39

40 Cholesterol Brak atomu wodoru przy węglu C5 podwójne wiązanie w pierścieniu B Hydroksylowa pochodna steranu grupa -OH przy węglu C3 --- pod płaszczyzną nad płaszczyzną pierścienia 40

41 Kwasy żółciowe powstają z cholesterolu w wątrobie zawierają od 1 do 3 grup hydroksylowych związanych z pierścieniem zawierają grupę karboksylową w łańcuchu bocznym mają właściwości amfipatyczne obniżają napięcie powierzchniowe wody emulgują tłuszcze pokarmowe 41

42 Kwas cholowy 42