CO_05_W: Stereochemia

Transkrypt

1 CO_05_W: Stereochemia UWAGA: W tej części kursu CO_05: Stereochemia zawarto materiały i przykłady rozszerzające zagadnienia zawarte w podręcznikach: 1. H. Hart, L. E. Craine, D. J. Hart, Ch. M. Hadad Chemia organiczna. Krótki kurs, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2008, rozdziały: , , 3.5, 5 (zakres podstawowy) 2. J. McMurry Chemia organiczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007, rozdz. 4, , 9, (zakres rozszerzony fragmenty oznaczone gwiazdką: *) SPIS TREŚCI: 5. Izomeria 5.1 Rodzaje izomerów Izomeria konstytucyjna Stereoizomeria Izomery konformacyjne Izomery konfiguracyjne Enancjomery Diastereoizomery 5.2 Podsumowanie definicji 5.3 Reguły formalnego ustalania rodzaju izomerii 5.4 Źródła stereoizomerii. Stereoelementy Związki mezo 5.5 Reguły Cahna-Ingolda-Preloga (CIP) 5.6 Porównanie własności enancjomerów. Określanie czynności optycznej 5.7 Reakcje stereoselektywne i stereospecyficzne 5.8 Prochiralność Reguły CIP w przypadkach prochiralnych atomów lub prochiralnych fragmentów cząsteczek. Enancjotopowość Prochiralność w cząsteczkach chiralnych. Diastereotopowość - 1 -

2 5. Izomeria Izomeria to wzajemna zależność pomiędzy cząstkami, które mają ten sam wzór sumaryczny, ale nie są identyczne. Takie cząstki nazywamy izomerami. 5.1 Rodzaje izomerów Rodzaje izomerów są przedstawione poniżej: - 2 -

3 - 3 -

4 Rysunek CO_05_W_A.png UWAGA: Terminy izomeria optyczna i izomery optyczne są przestarzałe i ich stosowanie jest obecnie zdecydowanie niepolecane. Również pojęcia izomerii geometrycznej i izomerów geometrycznych zostały wycofane z użycia i zastąpione przez określenia cis/trans (dla układów cyklicznych) i E/Z (dla zaznaczenia izomerii podstawników przy wiązaniu podwójnym). Terminy: izomeria i izomery mogą odnosić się do: pojedynczych cząsteczek, które porównujemy (wykorzystując np. modele) zbiorów cząsteczek, na przykład próbek substancji Rozróżnienie pomiędzy tymi dwoma aspektami izomerii jest szczególnie ważne przy rozpatrywaniu stereoizomerii Izomeria konstytucyjna Izomery konstytucyjne mają ten sam wzór sumaryczny, ale różnią się układem wiązań. Taki sam skład procentowy cząsteczek nie jest warunkiem wystarczającym wystąpienia izomerii. Na przykład zarówno eten (C 2 H 4 ), jak cyklobutan (C 4 H 8 ) mają ten sam skład (składają się z takiej samej ilości węgla i wodoru), ale ich wzory sumaryczne są różne. Różnice w budowie cząsteczek izomerów konstytucyjnych są najłatwiejsze do zauważenia. Ich właściwości fizyczne i chemiczne są odmienne w stopniu wynikającym z tych różnic. Można rozpatrzyć to zagadnienie na przykładzie izomerycznych cząsteczek o wzorze sumarycznym C 4 H 10 O. 2-Metylopropan-1-ol i butan-1-ol różnią się niewiele (oba są alkoholami 1 ), 2- metylopropan-1-ol i 2-metylopropan-2-ol w nieco większym stopniu (różnice w budowie ich cząsteczek są większe), a wszystkie wymienione alkohole mają własności fizyczne i właściwości chemiczne odmienne od eteru dietylowego, który należy do innej klasy związków, będąc w stosunku do wymienionych alkoholi przykładem izomeru funkcyjnego. Wynikiem różnic we właściwościach izomerów konstytucyjnych jest możliwość łatwego na ogół rozdziału ich mieszanin na składniki. Zestawienie niektórych własności fizycznych wymienionych związków zawiera tabela poniżej. Związek Nazwa t. t. [ C] t. wrz. 760 [ C] ρ 25 [g cm 1 ] 25 n D Butan-1-ol ,81 1, Metylopropan-1-ol ,80 1, Metylopropan-2-ol ,78 1,

5 Eter dietylowy ,71 1,3496 Tabela CO_05_W_C W niektórych prostych przypadkach można opisać izomerię konstytucyjną jako: izomerię szkieletu węglowego (przykładem jest para związków: butan-1-ol i 2-metylopropan-1-ol) lub izomerię położenia grupy funkcyjnej (przykładem jest para związków: 2-metylopropan-1-oli2- metylopropan-2-ol) Stereoizomeria Przyczyną różnic w budowie izomerów o tym samym układzie wiązań jest różne ułożenie przestrzenne atomów w ich cząsteczkach. Własności fizyczne i właściwości chemiczne stereoizomerów są na ogół bardziej zbliżone niż izomerów konstytucyjnych Izomery konformacyjne W warunkach, w których na ogół rozpatrujemy zachowanie się cząsteczek, większość z nich może się swobodnie obracać wokół swoich wiązań pojedynczych. Nie oznacza to obrotu całej cząsteczki w przestrzeni, ale obrót jednej jej części wokół drugiej. W naszych rozważaniach możemy przyjąć, że różniących się od siebie konformacji danej cząsteczki może istnieć bardzo wiele. Rysunek CO_05_W_Da.png Na rysunku powyżej przedstawiono kilka prostych cząsteczek organicznych w różnych konformacjach. Oczywiście cząsteczka metanu (a) może występować tylko w jednej konformacji, ale już cząsteczka etanu (b) może przyjmować różne konformacje wskutek obrotu obu grup CH 3 względem siebie. Konformerami nazywamy te konformacje cząsteczki, które odpowiadają jej lokalnemu minimum energetycznemu. W przypadku butanu (c) tylko struktura III przedstawia konformer będący konformacją synklinalną cząsteczki butanu. Struktury I i II to konformacje niebędące konformerami

6 Rotamery to konformery, które można w siebie przeprowadzić przez obrót wokół jednego wiązania pojedynczego. Dlatego konformery cis-1-chloro-4-metylocykloheksanu (d) nie mogą być nazwane rotamerami. Niektórzy autorzy do konformerów zaliczają również struktury powstałe poprzez inwersję podstawników ułożonych piramidalnie przy atomach trójwiązalnych (na przykład podstawników przy atomie azotu w aminach). Przykładem jest cząsteczka N-metyloetyloaminy (e). Zgodnie z definicją konformery mogą w warunkach, w których są rozważane, łatwo w siebie przechodzić, stąd ich rozdzielenie jest niemożliwe. Dlatego konformery są różnymi ułożeniami przestrzennymi cząsteczek tego samego związku. Obecność różnych konformerów danego związku daje się jednak stwierdzić metodami spektroskopowymi, na przykład spektroskopią IR i NMR. W powszechnym użyciu termin izomery nie obejmuje konformerów. Aby zaakcentować, że mamy na myśli struktury izomeryczne, które mogą w siebie przechodzić w wyniku obrotu lub obrotów wokół wiązań pojedynczych, musimy używać określenia izomery konformacyjne. Istnieją również związki, których cząsteczki nie mogą w siebie przechodzić wskutek obrotu wokół wiązania pojedynczego i mogą być rozdzielone na izomery konfiguracyjne. Przykładem sa odpowiednio podstawione bifenyle, które mogą być rozdzielone na enancjomery. Takie związki nazywamy atropoizomerami. Rysunek CO_05_W_Db.png Przyczyną zahamowania swobodnej rotacji wokół wiązania pojedynczego w atropoizomerach jest zbyt duża zawada steryczna (przestrzenna) pomiędzy podstawnikami, w omawianym przypadku pomiędzy parami podstawników: NO 2 i COOH lub COOH i COOH lub NO 2 i NO Izomery konfiguracyjne Przypomnijmy, że stereoizomery mają ten sam układ wiązań w cząsteczkach, ale różne przestrzenne ułożenie atomów. Jeżeli izomery w danych warunkach nie mogą w siebie wzajemnie przechodzić przez obrót lub obroty, ani inwersję podstawników przy atomie trójwiązalnym, to są izomerami konfiguracyjnymi. Izomery konfiguracyjne dzielimy na dwa rozłączne zbiory: enancjomery i diastereoizomery Enancjomery Istnieją cząsteczki, których odbicia lustrzane są na nie nienakładalne. Mówimy, że cząsteczki takie są chiralne, a parę: cząsteczka i jej odbicie lustrzane nazywamy parą enancjomerów.można inaczej powiedzieć, że cząsteczki pary enancjomerów (form enancjomerycznych) są nienakładalnymi odbiciami lustrzanymi. Słowo nienakładalnymi jest bardzo istotne, bo odbicie lustrzane posiada każda cząsteczka

7 Jeśli porównujemy dwie cząsteczki (np. ich modele), które są odbiciami lustrzanymi, musimy sprawdzić, czy na pewno nie dają się na siebie nałożyć. W tym celu możemy: obracać całe cząsteczki zmieniać ich konformacje Jeżeli cząsteczek nie uda się nałożyć na siebie, to są one enancjomerami. Rysunek CO_05_W_E.png Przedstawione na powyższym rysunku odbicia lustrzane cząsteczki 2-bromobutanu (a) nie dają się na siebie nałożyć i są enancjomeryczne. Podobnie jest w przypadku (b). Żadna zmiana konformacji, ani obroty całych cząsteczek nie doprowadzą do ich nałożenia wzory przedstawiają parę enancjomerów (2R,3R) i (2S,3S) 2,3-dibromobutanu. Symbole R i S oznaczają konfiguracje absolutne centrów stereogenicznych (patrz Rozdział 5.2). W przypadku (c) okazuje się, że zmiany konformacji cząsteczek, a następnie obrót jednej z nich prowadzi do ich nałożenia odbicie lustrzane cząsteczki (2R,3S)-dibromobutanu jest na nią nakładalne. Inaczej mówiąc, ta cząsteczka nie jest chiralna i nie posiada enancjomeru

8 Enancjomery w achiralnym otoczeniu (to znaczy takim, w którym zamiana stron: prawej i lewej nie ma znaczenia dla przebiegu eksperymentu) nie różnią się żadnymi własnościami fizycznymi ani właściwościami chemicznymi (są nierozróżnialne). Wyjątkiem jest skręcanie płaszczyzny drgań światła spolaryzowanego: próbki obu enancjomerów o tym samym stężeniu skręcają tę płaszczyznę w takich samych warunkach (w takim samym rozpuszczalniku, przy tej samej temperaturze i dla tej samej długości fali) o kąt identycznej wartości, ale o przeciwnym znaku. Każda cząsteczka próbki enancjomeru jest optycznie czynna i ma swój maleńki udział w wartości tego skręcenia. Jeśli próbka składa się z jednakowej (równomolowej) ilości cząsteczek pary enancjomerów, to ich oddziaływania na światło spolaryzowane znoszą się wzajemnie i płaszczyzna drgań pozostaje niezmieniona mieszanina taka jest optycznie nieczynna (chociaż składa się z optycznie czynnych cząsteczek!). Nazywamy ją mieszaniną racemiczną Diastereoizomery Izomery konfiguracyjne, które nie są enancjomerami, muszą być diastereoizomerami. Diastereoizomery nie muszą być optycznie czynne (patrz schemat w Rozdziale 5.1) wystarczy, że nie są odbiciami lustrzanymi. 5.2 Podsumowanie definicji Stereoizomery to izomery o tym samym układzie wiązań, różniące się ułożeniem atomów w przestrzeni. Izomery konformacyjne (konformery) to stereoizomery, które w danych warunkach mogą przechodzić w siebie bez zrywania wiązań. Izomery konfiguracyjne to stereoizomery, które w danych warunkach nie przechodzą w siebie bez zrywania wiązań. Enancjomeryto izomery konfiguracyjne stanowiące nienakładalne odbicia lustrzane. Diastereoizomery to izomery konfiguracyjne inne niż enancjomer. Związek mezo to achiralny element zbioru izomerów konfiguracyjnych, zawierającego również elementy chiralne (na przykład achiralny stereoizomer cząsteczki posiadającej dwa centra stereogenne z identycznymi zestawami podstawników) (patrz Rozdział 5.4.1). Mieszanina racemiczna to równomolowa mieszanina enancjomerów. 5.3 Reguły formalnego ustalania rodzaju izomerii Różnice budowy cząsteczek, wyróżniające różne rodzaje izomerów opisane w Rozdziale 5.1 pozwalają na ułożenie algorytmu, który pozwala ustalić, z jakimi izomerami mamy do czynienia w konkretnym przypadku. Wykorzystamy do rozważań następujące pary cząsteczek: (para A), (2R,3S)-2,3- dibromobutanu (dwa różne konformery B), (2R,3R)-2,3-dibromobutanu i 2,2-dibromobutanu (para C), (2R,3S)-2,3-dibromobutanu (dwie identyczne cząsteczki D) oraz (2R,3R)- i (2S,3S)-2,3-dibromobutanu (para E). Dwie cząsteczki mogą po prostu być identyczne (para D). Wystarczy dowolną z cząsteczek (2R,3S)- 2,3-dibromobutanu z pary D obrócić o 180 wokół osi z, aby możliwe była jej nałożenie na drugą cząsteczkę. Najłatwiej jest chyba zauważyć izomerię konstytucyjną, wynikającą z różnego układu wiązań (to znaczy sposobu połączenia atomów z uwzględnieniem krotności wiązań chemicznych) w porównywanych cząsteczkach (para C). W cząsteczce (2R,3R)-2,3-dibromobutanu atomy bromu znajdują się przy sąsiednich (czyli wicynalnych) atomach węgla, podczas gdy w cząsteczce 2,2-dibromobutanu przy jednym i tym samym atomie węgla (czyli są położone geminalnie). Jeżeli cząsteczki o identycznym układzie wiązań nie są identyczne (nie wystarczą obroty całych cząsteczek, aby nałożyć je na siebie), to ciągle mogą być konformerami cząsteczek jednego związku (para - 8 -

9 B). Aby je nałożyć, wystarczy w każdej cząsteczce z pary B dokonać obrotu podstawników przy atomie węgla C2 względem podstawników przy atomie węgla C3 (obrotu wokół wiązania pojedynczego C2 C3), na przykład tak, aby w każdej z cząsteczek grupy CH 3 przy obu atomach węgla C2 i C3 były skierowane na dół. Wystarczy następnie obrócić w całości jedną z cząsteczeko 180 wokół osi z, aby nałożyć obie cząsteczki na siebie. Rysunek CO_05_W_Fa.png Jeżeli porównywane cząsteczki stereoizomerów: nie są konformerami, to znaczy że są izomerami konfiguracyjnymi. Można łatwo ustalić, czy są to enancjomery czy diastereoizomery. Bardzo ważne jest, aby sprawdzić, czy na pewno: - 9 -

10 w żadnej konformacji i w żadnym ułożeniu przestrzennym cząsteczek nie daje się nałożyć na siebie! Jeżeli po takim sprawdzeniu okaże się, że para cząsteczek jest parą wzajemnych nienakładalnych odbić lustrzanych to jest to para enancjomerów (para E). Jeżeli zaś cząsteczki nie dają się ułożyć tak, żeby stanowiły odbicia lustrzane, pozostaje wniosek, że jest to para diastereoizomerów (para A). Izomery konfiguracyjne, które nie sąenancjomerami, muszą być diastereoizomerami. Można zauważyć, że obecność w cząsteczce niewłaściwej (refleksyjnej, lustrzanej) osi obrotu, wliczając w to środek symetrii i S 1 1oraz płaszczyznę symetrii σ S 2 2 wyklucza jej chiralność (wyklucza istnienie enancjomerów). Jeśli zaś cząsteczka posiada jedynie właściwe osi symetrii, wliczając w to operację tożsamościową E 1, to cząsteczka taka jest chiralna (posiada enancjomer). Widać tu możliwość powiązania informacji wyniesionych z kursu Krystalografia z kursem Chemia organiczna! Wskazówki: Podczas poszukiwania płaszczyzny symetrii w cząsteczce należy posługiwać się uśrednioną konformacją cząsteczki:przykładowo należy rozważać płaskie pierścienie cykloheksanu, mimo że w rzeczywistości przyjmują one konformacje krzesłowe. Wystarczy, aby tylko jedna konformacja cząsteczki była achiralna, żeby cząsteczka była achiralna. Jeśli żadna z konformacji cząsteczek łańcuchowych lub uśrednionych konformacji cząsteczek pierścieniowych nie posiada środka lub płaszczyzny symetrii, to cząsteczka jest chiralna. Chiralność może być powodowana obecnością odpowiedniego stereoelementu w cząsteczce. Zwykle jest to atom węgla stereogeniczny lub więcej takich atomów. Uwaga: Może się zdarzyć, że cząsteczka posiada więcej niż jeden atom, stanowiący centrum chiralności, ale jest achiralna! Jest to cząsteczka związku mezo (patrz Rozdział 5.4.1). 5.4 Źródła stereoizomerii. Stereoelementy Na ogół w cząsteczce daje się rozpoznać elementy (stereoelementy), które powodują, że może mieć ona stereoizomery. W chemii organicznej w większości przypadków może to być: odpowiednio podstawione wiązanie podwójne, prowadzące do istnienia diastereizomerów E/Z atom z takim zestawem podstawników, że wzajemna zamiana dwóch z nich prowadzi do powstania stereoizomerów łańcuch czterech atomów (lub sztywnych grup), taki że obrót wokół centralnego wiązania, połączona ze znakiem kąta torsyjnego w obrębie tych czterech atomów (lub grup) prowadzi do innego stereoizomeru Zostaną teraz omówione wymienione poniżej stereoelementy: Jeśli podstawniki przy obu końcach wiązania podwójnego są parami różne, to możliwe jest istnienie diastereoizomerów E/Z. Przykładami są cząsteczki (Z)-but-2-enu i (E)-but-2-enu (patrz Schemat w Rozdziale 5.1). Atomy połączone wiązaniem podwójnym najczęściej są atomami węgla lub azotu. W przypadku atomów azotu podstawnikiem może być jego wolna para elektronowa. Ponieważ wiązanie podwójne ze swoim czterema podstawnikami leży na jednej płaszczyźnie, cząsteczki posiadające tylko (jeden lub więcej) stereoelement tego typu są achiralne. Przykłady diastereoizomerów E/Z są przedstawione poniżej:

11 Rysunek CO_05_W_Fb.png Zagadnienie diastereoizomerii E/Z zostało bardziej szczegółowo opisane w Paczce CO_03: Alkeny i dieny. Substytucja elektrofilowa i rodnikowa. Innym przykładem stereoelementu jest atom z takim zestawem podstawników, że wzajemna zamiana dwóch z nich prowadzi do powstania stereoizomerów. Jeśli jest to atom węgla (lub innego pierwiastka, na przykład azotu) o niepłaskiej hybrydyzacji na przykład sp 3 (tetragonalnej) z czterema różnymi podstawnikami, zamiana taka prowadzi do powstania enancjomeru (patrz przykłady na schemacie w Rozdziale 5.1 i przykład (a) na rysunku w Rozdziale ). Jednym z podstawników może być wolna para elektronowa, jeżeli inwersja tej pary jest zahamowana. Przykłady par enancjomerów są przedstawione poniżej: Rysunek CO_05_W_Fc.png

12 Nawet tak mała różnica, jak pomiędzy atomami wodoru (H) i deuteru (D) w cząsteczkach (R)- i (S)-butan- 1-olu deuterowanych na atomie węgla C1 wystarczy, aby wykazywały one czynność optyczną. UWAGA: Na ogół w cząsteczkach amin wolna para elektronowa azotu ulega zbyt szybkiej inwersji, aby umożliwić istnienie enancjomerów. Zamiana pary podstawników przy atomie nie musi prowadzić do powstania enancjomeru. Przykładami są diastereoizomery PCl 2 F 3 oraz cis- i trans-diaminadichloroplatyna(ii): Rysunek CO_05_W_Fd.png Ostatnim stereoelementem, który zostanie omówiony, jest łańcuch czterech atomów (lub sztywnych grup), taki że obrót wokół centralnego wiązania, połączony ze znakiem kąta torsyjnego w obrębie tych czterech atomów (lub grup) prowadzi do innego stereoizomeru. Stereoelement taki występuje w cząsteczce odpowiednio podstawionego bifenylu (Rozdział ) Związki mezo Definicja IUPAC mówi, że: związek mezo stanowi achiralny element zestawu izomerów konfiguracyjnych danego związku; zestaw ten musi zawierać również chiralne izomery konfiguracyjne (jedną lub więcej par enancjomerów). Najczęściej związek mezo zawiera dwa lub więcej atomów węgla stanowiących centra chiralności. W przypadku obecności dwóch atomów węgla stanowiących centra chiralności w cząsteczce związku mezozestawy podstawników przy tych atomach węgla muszą być identyczne. Cząsteczka związku mezo posiada płaszczyznę symetrii, więc nie może być chiralna. Związek mezo oczywiście nie jest aktywny optycznie i nie posiada enancjomeru! Jednym z najprostszych przykładów związku mezo jest (2R,3S)-2,3-dichlorobutan (patrz rysunki w Rozdziałach i 5.3). Można go również nazwać mezo-2,3-dichlorobutanem. Związkami mezo są również cis-1,2- oraz cis-1,3-dipodstawione cykloheksany (jeżeli podstawniki są identyczne). Mają one konfiguracje R,S centrów stereogenicznych. Jest to ogólna reguła! Ich diastereoizomery trans są chiralne, więc występują w postaci par enancjomerów o konfiguracjach R,R i S,S. Natomiast wszystkie 1,4-dipodstawione cykloheksany (z jednakowymi podstawnikami, z różnymi podstawnikami, cis lub trans) nie posiadają w ogóle centrów stereogenicznych! Para cis/trans stanowi w tym przypadku parę achiralnych diastereoizomerów. Istnienie związku (związków) mezo w zbiorze izomerów konfiguracyjnych cząsteczki o n centrach stereogenicznych obniża maksymalną możliwą liczbę izomerów konfiguracyjnych (równą 2 n ). W przypadku 2 niezależnych centrów stereogenicznych możliwe jest istnienie 4 izomerów konfiguracyjnych

13 W cząsteczce 2,3-dichlorobutanu centra stereogeniczne są jednak równocenne chemicznie: zestawy podstawników przy każdym z nich są identyczne. Istnieje taka kombinacja konfiguracji centrów stereogenicznych, która daje achiralną cząsteczkę (zamiast pary enancjomerów). Ostatecznie istnieją tylko 3 izomery konfiguracyjne 2,3-dichlorobutanu o konfiguracjach centrów stereogenicznych: 2R,3R i 2S,3S (para enancjomerów) oraz 2R,3S(równoważne 2S,3R), czylizwiązek mezo. 5.5 Reguły Cahna-Ingolda-Preloga (CIP) Reguły Cahna-Ingolda-Preloga (CIP) pozwalają uporządkować podstawniki zgodnie z malejącą ważnością (priorytetem). Jest to potrzebne wtedy, kiedy chcemy określić konfigurację absolutną E/Z wokół wiązania podwójnego lub R/S wokół centrum chiralności (centrum stereogenicznego). W odniesieniu do konfiguracji wiązania podwójnego zostało to omówione w Paczce_03: Alkeny i dieny. Addycja elektrofilowa i rodnikowa. W przypadku centrum chiralności porównujemy kolejno napotkane w poszczególnych podstawnikach atomy. Podstawowe reguły CIP przedstawiają się następująco: 1. Pierwszeństwo posiada atom, który ma większą liczbę atomową (nie masę atomową!): C jest przed H, Cl jest przed O, Br jest przed Cl, itd. 2. Jeżeli porównujemy różne izotopy danego pierwiastka, pierwszeństwo ma ten o większej masie atomowej: D (deuter) jest przed H (protem), 13 C jest przed 12 C, itd. 3. Jeżeli atomy w pierwszej kolejności (I sferze koordynacyjnej oznaczonej pomarańczowymi kółkami na rysunku poniżej po lewej stronie) są identyczne, należy przesunąć się do II sfery koordynacyjnej (sfery otoczone na zielono po lewej stronie rysunku) i porównać zestawy atomów. W razie potrzeby postępuje się tak do momentu, w którym zestawy atomów stają się różne. Poniżej przedstawiono sposób określenia konfiguracji (R)-2-bromobutanu: Rysunek CO_05_W_G.png Ostateczna kolejność podstawników jest następująca: Br > C 2 H 5 > CH 3 > H. Najmniej ważny podstawnik (w omawianym przypadku atom wodoru H) umieszczamy z tyłu rysunku i obserwujemy, czy od podstawnika najważniejszego (Br) do drugiego (C 2 H 5 ) i trzeciego (CH 3 ) poruszamy się zgodnie, czy niezgodnie z ruchem wskazówek zegara. W naszym przypadku poruszamy się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, więc konfiguracja omawianej cząsteczki jest R

14 UWAGA: wolna para elektronowa ma zawsze najniższy możliwy priorytet (Patrz przykłady w Rozdziale 5.4). 4. Wiązania wielokrotne rozpisuje się tak, jak gdyby pękły (pozostawiając wiązanie pojedyncze), a na ich końcach pojawiły się atomy, z którymi były połączone (są to atomy wirtualne, zapisywane w nawiasach). Ilustrują to podane poniżej przykłady: Rysunek CO_05_W_H.png Atomy w nawiasach (wirtualne) mają tę cechę, że nie odchodzą od nich żadne dalsze wiązania. 5.6 Porównanie własności enancjomerów. Określanie czynności optycznej Enancjomery mają identyczne właściwości achiralne, takie jak: temperatura topnienia, temperatura wrzenia lub gęstość.uwaga: Własności mieszaniny racemicznej są odmienne od własności pojedynczego enancjomeru. Dotyczy to na przykład temperatury topnienia. Enancjomery zachowują się identycznie w achiralnym otoczeniu, na przykład mają tę samą rozpuszczalność w optycznie nieczynnym rozpuszczalniku. Dają identyczne widma IR, NMR, UV-Vis i MS. Ulegają też reakcji z achiralnymi cząsteczkami z jednakową szybkością. Enancjomery zachowują się odmiennie w otoczeniu chiralnym, na przykład znaki skręcalności właściwej enancjomerów są przeciwne (chociaż bezwzględne wartości skręcalności właściwej są identyczne dla obu enancjomerów). W naszym otoczeniu znajdziemy jednak bardzo liczne układy, które są chiralne: są to na przykład wszelkie organizmy żywe. W takich warunkach właściwości enancjomerów są różne, nawet do tego stopnia, że mogą różnić się na przykład zapachem: (S)-(+)-karwon ma zapach kminku, a (R)-( )-karwon mięty, lub działaniem farmakologicznym: (S)-warfaryna działa 5- krotnie silniej przeciwzakrzepowo od (R)-warfaryny. Symbole (+) lub ( ), czasami umieszczane w nazwach enancjomerów, oznaczają znak skręcania kąta płaszczyzny światła spolaryzowanego przez ich roztwory. W warunkach chiralnych enancjomery dają się rozdzielić. Skręcalność właściwą [α] danego związku czynnego optycznie podaje się na ogół dla określonych warunków: określonego stężenia związku w określonym rozpuszczalniku, oraz temperatury pomiaru i długości faliλ światła spolaryzowanego. Na ogół wartości skręcalności właściwej podaje się dla temperatury pokojowej oraz dla długości fali D sodu (589,3 nm). Warunki 20 pomiaru zaznacza się przy symbolu skręcalności właściwej, np.: [α ] D. Skręcalność właściwa jest liczbą bezwymiarową (nie kątem!), określoną wzorem:

15 [ ] t α λ = α c l gdzie: α wartość skręcalności próbki w, t temperatura pomiaru w C λ długość fali światła spolaryzowanego w nm c stężenie związku w g/cm 3 (uwaga: nietypowa jednostka!), l długość rurki polarymetrycznej w dm (uwaga: nietypowa jednostka!). Skręcalność właściwa danego związku zależy od temperatury, rozpuszczalnika i stężenia roztworu (podanego na ogół w g/100cm 3 jednostka inna niż we wzorze!). Uwaga: ściśle rzecz ujmując linia D sodu składa się z dwóch linii (dublet sodowy), leżących blisko siebie (o długościach emitowanych fal: 589,592 nm oraz 588,995 nm). Długości tych fal odpowiadają energiom przejść elektronowych pomiędzy termami wzbudzonymi atomów sodu 2 P 3/2 i 2 P 1/2 a termem podstawowym 2 S 1/ Reakcje stereoselektywne i stereospecyficzne UWAGA: Rozdział niniejszy stanowi przypomnienie zagadnień, omówionych w Paczce _03: Alkeny i dieny. Addycja elektrofilowa i rodnikowa Spójrzmy na poniższy rysunek, przedstawiający trzy proste reakcje chemiczne: reakcję A, reakcję B i reakcję C:

16 Rysunek CO_05_W_I.png W reakcji A addycji HCl do but-2-enu (niezależnie od konfiguracji wiązania podwójnego), jest generowane centrum stereogeniczne. Mogą więc powstać dwa enancjomeryczne produkty: (R)-2- bromobutan i (S)-2-bromobutan. Pierwszym etapem reakcji jest przyłączenie protonu do wiązania podwójnego cząsteczki substratu z utworzeniem karbokationu przy atomie węgla C2 (lub C3). Wiązanie, które było podwójne w cząsteczce substratu jest teraz wiązaniem pojedynczym, dlatego nie ma znaczenia, czy reakcji poddano izomer E czy Z alkenu. Jon bromkowy Br może przyłączyć się do atomu węgla karbokationu (o hybrydyzacji sp 2 ) od dowolnej strony z jednakowym prawdopodobieństwem, bowiem karbokation ma płaszczyznę symetrii. W efekcie powstaje równomolowa mieszanina enancjomerów produktu czyli mieszanina racemiczna. Jest to przykład ogólnej reguły, która mówi, że z optycznie nieczynnych substratów pod wpływem optycznie nieczynnych reagentów w achiralnym środowisku musi powstać optycznie

17 nieczynny produkt. Ponieważ mieszanina racemiczna zawiera taką samą liczbę cząsteczek każdego z enancjomerów, więc jest optycznie nieczynna. Warto zauważyć, że omawiana reakcja nie jest ani stereoselektywna (powstają w niej wszystkie możliwe izomery konfiguracyjne produktu w jednakowych ilościach), ani stereospecyficzna (jej wynik nie zależy od konfiguracji substratu). W reakcji B aldol, powstały w procesie kondensacji aldehydu benzoesowego oraz octanu etylu w środowisku zasadowym, ulega w warunkach kwaśnych dehydratacji do cynamonianu etylu. Mechanizm reakcji (E1cA) dopuszcza powstanie wiązania podwójnego zarówno o konfiguracji E, jak i konfiguracji Z. Efekty steryczne powodują jednak, że powstaje wyłącznie produkt o konfiguracji E. Omawiana reakcja jeststereoselektywna (powstaje w niej mniejsza niż maksymalnie możliwa liczba izomerów konfiguracyjnych), ale nie jest stereospecyficzna (jej wynik nie zależy od konfiguracji substratu). Z obydwu enancjomerów, wchodzących w skład aldolu, który jest mieszaniną racemiczną, powstaje ten sam izomer E związku α,β-nienasyconego. Innym przykładem jest reakcja Wittiga: substraty nie posiadają izomerów konfiguracyjnych, ale powstają z nich, w zależności od podstawników: albo w przewadze alken o konfiguracji E, albo w przewadze alken o konfiguracji Z. Stereoselektywność reakcji nie musi być całkowita i wyrażany ją wtedy w %. Wreszcie reakcja C, czyli przyłączenie bromu do cynamonianu metylu (o konfiguracji E) daje wyłącznie mieszaninę racemiczną produktów o konfiguracji 2R,3S i 2S,3R pozostałe możliwe stereoizomery produktu o konfiguracji 2R,3R i 2S,3S nie powstają. Przyłączenie bromu do (Z)-cynamonianu metylu (może on być otrzymany w reakcji innej niż reakcja B) daje wyłącznie mieszaninę racemiczną produktów o konfiguracji 2R,3R i 2S,3S pozostałe możliwe stereoizomery produktu o konfiguracji 2R,3S i 2S,3R nie powstają [Wilson, M. A. Tetrahedron Lett. 1975, 16, ]. Reakcja ta jest zarówno stereoselektywna, jak i stereospecyficzna. Podsumowując: Reakcja stereoselektywna to reakcja, w której następuje przewaga w tworzeniu się jednego stereoizomeru produktu (lub części stereoizomerów produktu) nad innymi jego stereoizomerami. Reakcja stereospecyficzna to reakcja w której substraty różniące się jedynie konfiguracją dają produkty, które są stereoizomerami. Reakcja stereospecyficzna musi być stereoselektywna, ale reakcja stereoselektywna nie musi być stereospecyficzna. Problem stereospecyficzności i stereoselektywności reakcji został bardziej szczegółowo opisany i wyjaśniony w Paczce 03: alkeny i dieny. Substytucja elektrofilowa i rodnikowa. 5.8 Prochiralność W Rozdziale 5.6 opisano różnice we właściwościach enancjomerów. W wielu przypadkach, szczególnie organizmów żywych, mogą one być znaczące. Jak pokazano w Rozdziale 5.7, możliwe jest generowanie centrum stereogenicznego lub centrów stereogenicznych w trakcie pojedynczej reakcji chemicznej z odpowiedniego substratu

18 Jeżeli w takiej reakcji mogą powstawać chiralne cząsteczki produktu z substratu o cząsteczkach achiralnych, to substrat taki nazywamy prochiralnym. Przykładem może być elektrofilowe przyłączenie HBr do cząsteczki but-1-enu lub wolnorodnikowe bromowanie butanu: Rysunek CO_05_W_J.png W przypadku obydwu reakcji z achiralnych cząsteczek (but-1-enu lub butanu) powstają chiralne cząsteczki 2-bromobutanu. Obie omawiane reakcje są niestereoselektywne, więc produkt jest mieszaniną racemiczną. W poprzednim akapicie omówiono pojęcie prochiralności w odniesieniu do cząsteczek. Pojęcie prochiralności możemy również odnieść do niektórych podstawników lub fragmentów cząsteczek. Centrum stereogeniczne może być zasadniczo generowane na dwóch drogach: 1. Przez substytucję jednego z czterech podstawników przy atomie o hybrydyzacji sp 3 innym podstawnikiem, w wyniku czego atom ma po tej wymianie zestaw czterech różnych podstawników (w omawianym przykładzie zamiana Cabc 2 Cabcd). W przykładzie podanym na rysunku jeden z atomów wodoru grupy CH 2 cząsteczki butanu zostaje w reakcji bromowania wolnorodnikowego zastąpiony atomem bromu, w wyniku czego zestaw podstawników przy tym atomie węgla zmienia się z: (C 2 H 5, CH 3, H, H) na (C 2 H 5, CH 3, H, Br). Taki atom (a nie identyczne przed wymianą atomy lub grupy przy nim!) również nazywamy prochiralnym. Jest on centrum prochiralności. 2. Przez addycję podstawnika do atomu o hybrydyzacji sp 2 z trzema różnymi podstawnikami, w wyniku czego ma on po tym przyłączeniu zestaw zestaw czterech różnych podstawników (w omawianym przykładzie zamiana Cabc Cabcd). W przykładzie podanym na rysunku do atomu węgla C2 but-1-enu zostaje w reakcji bromowodorowania elektrofilowego przyłączony atom bromu, w wyniku czego zestaw podstawników przy tym atomie węgla zmienia się z: (C 2 H 5, CH 2, H) na (C 2 H 5, CH 3, H, Br). Taki atom węgla również nazywamy prochiralnym. UWAGA: Ściśle rzecz biorąc prochiralny jest cały fragment cząsteczki Cabc złożony z trygonalnego atomu węgla o hybrydyzacji sp 2 razem z podstawnikami Reguły CIP w przypadkach prochiralnych atomów lub prochiralnych fragmentów cząsteczek. Enancjotopowość Zastąpienie jednego z dwóch atomów wodoru przy atomie węgla C2 cząsteczki butanu atomem bromu prowadzi do powstania jednego z dwóch enancjomerów 2-bromobutanu (w takim przypadku mówimy, że te atomy wodoru są enancjotopowe). Można je odróżnić, nadając jednemu z nich, powiedzmy H b, priorytet przed H a. Kolejność podstawników została zmieniona z: C 2 H 5 > CH 3 > H = H na: C 2 H 5 > CH 3 > H b > H a i powstała cząsteczka o konfiguracji R, więc atom H b jest pro-r. Jeżeli zaś nadamy atomowi wodoru H a priorytet względem H b, to kolejność podstawników będzie się przedstawiać następująco: C 2 H 5 > CH 3 > H a > H b. Powstanie cząsteczka o konfiguracji S, więc atom H a jest pro-s

19 Rysunek CO_05_W_K.png Podobnie postępujemy z każdą parą identycznych podstawników przy prochiralnym tetragonalnym atomie o hybrydyzacji sp 3. Jeszcze prostsza jest sprawa opisania prochiralnego fragmentu cząsteczki but-1-enu. Przy atomie węgla C2, do którego przyłącza się atom bromu znajdują się trzy podstawniki: grupa CH 2 związana podwójnym wiązaniem, grupa C 2 H 5 i atom wodoru. Ich kolejność, zgodnie z regułami CIP jest następująca: =CH 2 > C 2 H 5 > H. Strona cząsteczki, po której układają się one zgodnie z ruchem wskazówek zegara to strona (lico) Re cząsteczki, a strona przeciwna to strona (lico) Si. Rysunek CO_05_W_L.png Ponieważ w wyniku reakcji przyłączenia HBr do but-2-enu powstają enancjomery 2-bromubutanu, więc lica Re i Si są enancjotopowe. Nie należy sądzić, że po reakcji w której wymianie uległ atom pro-r albo przyłączenie nastąpiło od strony Re cząsteczki musi powstać centrum stereogeniczne o konfiguracji R i na odwrót, że po wymianie atomu pro-s albo przyłączeniu od strony Si cząsteczki musi powstać centrum stereogeniczne o konfiguracji S. Konfiguracja powstającego centrum stereogenicznego wynika z kolejności podstawników przy nim po reakcji, a ta kolejność zależy od tego gdzie (w sensie ważności określanej regułami CIP) pomiędzy pozostałymi podstawnikami znajdzie się podstawnik, który pojawił się w wyniku substytucji lub addycji. W omawianych przypadkach substytucja atomu wodoru H b (pro-r) atomem Br prowadzi do (R)-2-bromobutanu, ale przyłączenie atomu bromu od strony Re cząsteczki alkenu prowadzi do (S)-2-bromobutanu:

20 Rysunek CO_05_W_M.png Konfigurację powstającego centrum stereogenicznego należy zawsze sprawdzić Prochiralność w cząsteczkach chiralnych. Diastereotopowość Jak powiedziano w Rozdziale pojęcie prochiralności można odnieść do atomu tetragonalnego o hybrydyzacji sp 3 lub trygonalnego o hybrydyzacji sp 2. Tak rozumiana prochiralność nie wyklucza chiralności całej cząsteczki. Jeśli reakcję elektrofilowego przyłączenia HBr, omawianą w Rozdziałach 5.8 i 5.8.1, poprowadzimy na chiralnych cząsteczkach, na przykład 4-metyloheks-1-enu: Rysunek CO_05_W_N.png to otrzymamy 2-bromo-4-metyloheksan, którego cząsteczki zawierają dwa centra stereogeniczne. Wybierzmy do reakcji cząsteczkę 4-metyloheks-1-enu o konfiguracji R. Przyłączenie atomu bromu od lica Re cząsteczki doprowadzi do powstania cząsteczki (2S,4R)-2-bromo-4-metyloheksanu, a od strony Si cząsteczki (2S,4R)-2-bromo-4-metyloheksanu. Analogicznie z (S)-4-metyloheks-1-enu może powstać (2S,4S)- lub (2R,4S)-2-bromo-4-metyloheksan:

21 Rysunek CO_05_W_O.png W reakcji dowolnego enancjomeru 4-metyloheks-1-enu mogą powstać dwa diastereoizomery 2-bromo-4-metyloheksanu. Strony Re i Si w cząsteczce 4-metyloheks-1-enu są diastereotopowe (podobnie jak atomy wodoru każdej z grup CH 2 tej cząsteczki). Pozostaje odpowiedzieć na pytanie, czy w reakcji przyłączenia HBr do 4-metyloheks-1-enu diastereoizomery 2-bromo-4-metyloheksanu tworzą się w równych czy różnych ilościach. Prawdopodobieństwo przyłączenia się jonu bromkowego do powstającego z 4-metyloheks-1-enu karbokationu nie jest jednakowe od strony Re i od strony Si. Ilość diastereoizomerów produktu, w których atom bromu znajduje się od przeciwnej strony niż grupa metylowa będzie inna niż tych, w których znajdują się one po tej samej stronie. Reakcja ta jest całkowicie diastereoselektywna (ponieważ z dowolnego enancjomeru 4- metyloheks-1-enu powstają tylko dwa z czterech możliwych diastereoizomerów 2-bromo-4- metyloheksanu) i całkowicie diastereospecyficzna (ponieważ z alkenu o konfiguracji cząsteczek R powstają wyłącznie cząsteczki o konfiguracji 2R,4R i 2S,4R, a z alkenu o konfiguracji cząsteczek S powstają wyłącznie cząsteczki o konfiguracji 2R,4S i 2S,4S), ale tylko częściowo enancjoselektywna i częściowo enancjospecyficzna (jedna z par enancjomerów powstaje w przewadze, ale nie jest to przewaga 100%, a konfiguracja cząsteczek enancjomerów zależy od konfiguracji cząsteczek wyjściowego alkenu). Wpływ konfiguracji istniejącego w cząsteczce substratu centrum stereogenicznego na konfigurację nowopowstającego centrum stereogenicznego w cząsteczce produktu nazywamy indukcją asymetryczną

22 Problem stereospecyficzności i stereoselektywności reakcji został bardziej szczegółowo opisany i wyjaśniony w Paczce 03: alkeny i dieny. Substytucja elektrofilowa i rodnikowa. Kraków, 5 grudnia 2011 Dr Bartosz Trzewik