Stereochemia Jak przedstawiamy cząsteczkę z węglem tetraedrycznym: 2 wiązania leżą w płaszczyźnie kartki ( linia prosta ) 1 wiązanie wychodzi do przodu, przed kartkę ( linia pogrubiona ) 1 wiązanie wychodzi do tyłu, za kartkę ( linia przerywana ) 1
2 W przeciwieństwie do cząsteczek 3 X i 2 XY, cząsteczka XYZ nie jest identyczna ze swoim odbiciem lustrzanym. Nie da się nałożyć modelu cząsteczki na model jej odbicia w lustrze. To są dwie różne cząsteczki: Y Z Z Y X X X X Y Z Z Y
ząsteczka, która nie jest identyczna ze swoim odbiciem lustrzanym, stanowi specjalny rodzaj stereoizomeru, zwanego enancjomerem ( od greckiego enantio przeciwny ). ząsteczki, które nie są identyczne ze swoimi odbiciami lustrzanymi i w związku z tym istnieją w dwóch formach enancjomerycznych, nazywane są chiralnymi. ( od greckiego cheir ręka). Nie można nałożyć cząsteczki chiralnej i jej odbicia lustrzanego (enancjomeru) w taki sposób, by wszystkie atomy się pokrywały. ząsteczka nie może być chiralna, jeśli ma płaszczyznę symetrii. Mówimy, że taka cząsteczka jest achiralna (niechiralna). 3
Najczęstszą (chociaż nie jedyną) przyczyną chiralności cząsteczek organicznych jest obecność w nich atomu węgla związanego z czterema różnymi podstawnikami. Takie atomy węgla nazywane są centrami asymetrii (również asymetryczny atom węgla). Zaznaczamy je gwiazdką * entrum stereogeniczne - miejsce w cząsteczce (niekoniecznie atom), przy którym zamiana miejscami dwóch podstawników prowadzi do powstania stereoizomeru (R,S i E,Z) 4
3 3 2 6 1 2 2 5 2 4 3 2 2 1 3 2 2 2 2 2 2 4 5 6 2 3 4 3 5
x 33 3 3 x 33 3 3 3 3 33 3 3 6
Pamiętaj : atomy węgla grup - 2 -, - 3, = i nie mogą być centrami chiralności. 7
α źródło światła polaryzator rurka pomiarowa analizator obserwator Oprócz określenia wielkości kąta skręcenia α, oznacza się również jego kierunek. Z punktu widzenia obserwatora pewne związki optycznie czynne skręcają płaszczyznę polaryzacji w prawo (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) i nazywane są prawoskrętnymi jak na rysunku. Inne skręcają w lewo (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) i nazywane są lewoskrętnymi. 8
Zgodnie z konwencją skręcenie w prawo oznaczamy znakiem plus ( + ) / dawniej d /, a skręcenie w lewo znakiem minus ( - ) / dawniej l /. 9
Skręcalność właściwa α t λ = α c l gdzie: α = zmierzony kąt skręcenia c = stężenie roztworu ( g/cm 3 ) lub gęstość ( g/cm 3 ) l = długość drogi optycznej (dm) długość rurki polarymetrycznej t = temperatura λ = długość światła 10
Konfiguracja absolutna R, S Aby określić dokładnie budowę przestrzenną cząsteczki przyjęto pewną konwencję. Określamy ważność wszystkich 4 podstawników zgodnie z regułami pierwszeństwa IP = ahna-ingolda-preloga. ząsteczkę ustawiamy tak aby 4, najmniej ważny podstawnik był skierowany do tyłu. 4 4 11
3 4 2 1 1 R 3 2 S 4 Rectus (łac.) prawy (uczciwy) Sinister (łac.) lewy 12
Reguły ahna Ingolda Preloga IP Reguła pierwszeństwa 1. Ustaw atomy bezpośrednio przyłączone do węgla w kolejności ich liczb atomowych. Np.: 53 35 17 16 15 9 8 7 6 1 I > Br > l > S > P > F > O > N > > > para elektronowax 13
53 35 17 16 15 9 8 7 6 1 I > Br > l > S > P > F > O > N > > 3 l O 1 l 2 O 3 3 4 I 2 3 S N 2 1 I 2 S 3 N 2 4 2 3 14
Reguła pierwszeństwa 2. Jeżeli atomy bezpośrednio przyłączone do węgla nie różnią się liczbą atomową, należy rozważyć drugie, trzecie,..., kolejne atomy, aż do momentu, kiedy napotka się różnicę. - 3-2 3 mniej ważny ważniejszy - 2 2 3-2 2 O O mniej ważny ważniejszy 15
2 2 2 Br 2 2 O Br O mniej ważny ważniejszy 3 2 l 3 l mniej ważny 3 N 2 3 N 2 ważniejszy 16
Reguła pierwszeństwa 3. Atomy przyłączone wiązaniami wielokrotnymi są równoważne z odpowiednią liczbą atomów przyłączonych wiązaniami pojedynczymi. O O O 2 N jest równoważne x N N N O O N N N 17
3 OO O kwas mlekowy kwas 2-hydroksypropanowy O 3 OO - 3 -OO - -O 3 2 4 1 3 1 O 4 3 OO 2 4 podstawnik skierowany do nas 18
o zrobić aby 4 (najmniej ważny podstawnik) znalazł się z tyłu? 1. Obrót wokół wiązania 3 3 O 1 OO 2 4 3 3 3 3 3 O OO 4 OO 2 O 1 R 19
2. Dwukrotna zamiana miejscami dwóch podstawników 1 O 4 3 3 OO 2 1 O 4 3 3 OO 3 3 4 O OO 1 2 2 3 3 4 O OO 2 1 R 1 O 4 3 3 OO 2 3 2 3 OO 4 4 O OO 2 O 3 3 1 1 R 20
Inne sposoby przedstawiania cząsteczki w przestrzeni. skierowane do tyłu od nas obserwator skierowane do nas 21
Inne sposoby przedstawiania cząsteczki w przestrzeni. 3 O OO obserwator O O- i - OO 3 skierowane do nas -OO i 3 skierowane do tyłu (od nas) OO OO O O 3 3 Projekcja Fischera 22
Projekcja Fischera Tetraedryczny atom węgla jest przedstawiany w projekcji Fischera przez dwie prostopadłe przecinające się linie. Linie poziome przedstawiają wiązania wystające przed płaszczyznę kartki, a linie pionowe przedstawiają wiązania idące do tyłu, w głąb kartki. Najdłuższy łańcuch węglowy powinien być umieszczony na linii pionowej. Węgiel numerowany 1 w nazwie wg systematyki IUPA powinien być na górze. 23
Projekcja Fischera 3 (O)OO 3 2 1 OO OO 3 3 OO OO O O 3 3 24
Dozwolone są tylko dwa rodzaje przekształceń: 1. Projekcję Fischera można obrócić w płaszczyźnie o 180 o : O OO 3 OO 3 3 O O O 3 OO OO 2. Dozwolona jest dwukrotna zamiana podstawników miejscami: OO OO 1 O O 3 O 3 OO 3 2 3 4 S 25 4 podstawnik skierowany do tyłu
Przypisywanie konfiguracji R, S projekcjom Fischera: 1. Ustal kolejność ważności podstawników: 2 OO 2 OO 1 O 4 1 O 4 3 3 3 3 Ponieważ 4 podstawnik jest na linii poziomej czyli jest skierowany do nas, rzeczywista konfiguracja jest przeciwna: S 26
Drugi sposób: 2 OO 1 O 4 3 3 Za pomocą dozwolonych przekształceń ustaw grupę najmniej ważną (4), jako dolną grupę w projekcji Fischera (skierowaną do tyłu) O OO 3 O OO 3 O 1 OO 2 3 3 4 S 27
Konfiguracja względna D i L 2 O O O aldehyd glicerynowy 2,3-dihydroksypropanal 2 enancjomery (+) d i (-) l O O 2 O O O 2 O (+) (-) d l D-glicerynowy L-glicerynowy 28
2 N OO 3 OO N 2 2 O L-alanina D-seryna O 2 O O 2 O 2 O O O 2 O L-erytruloza D-erytruloza 29
Ważne: To, że dany związek ma konfigurację R czy D nie oznacza, że znak skręcalności będzie (+). Znak skręcalności (+) lub (-) nie jest powiązany z oznaczeniem R, S, D czy L. 30
L-alanina jest prawoskrętna (+) OO 2 N 3 L-alanina 3 OO N 2 4 2 OO N 2 3 1 3 S - alanina Prawidłowe zapis: kwas (S)-(+)-2-aminopropanowy 31
aldehyd L-glicerynowy jest lewoskrętny (-) kwas L-glicerynowy jest prawoskrętny (+) O O 2 O O OO 2 O (-) (+) L L S S Prawidłowe pełne zapisy: (S)-(-) 2,3-dihydroksypropanal i kwas (S) (+) 2,3-dihydroksypropanowy 32
ząsteczki optycznie czynne nie posiadające tetraedrycznego węgla. 1 2 3 allen sp 2 sp sp 2 skierowane do tyłu skierowane do nas w płaszczyźnie kartki 33
ząsteczki optycznie czynne nie posiadające tetraedrycznego węgla. X1 2 3 Y allen sp 2 sp sp 2 X Y X Y cząsteczka optycznie czynna brak płaszczyzny symetrii 34
ząsteczki optycznie czynne nie posiadające tetraedrycznego węgla. X X X Y X Z Y X Z T Y 3 3 1,3-dimetyloallen 35
3 3 3 1,1,3-trimetyloallen płaszczyzna symetrii 3 3 3 cząsteczka nie jest optycznie czynna jest achiralna 36
Inne chiralne cząsteczki: 37
ząsteczki z większą liczbą centrów stereogenicznych ząsteczka z n centrami stereogenicznymi ma najwyżej 2 n stereoizomerów O 3 3 3 3 3 holesterol ma 8 centrów chiralności Teoretycznie możliwych jest 2 8 = 256 stereoizomerów. Tylko jeden występuje w przyrodzie. O 38
Diastereoizomery Diastereoizomery są stereoizomerami, które nie są wzajemnymi odbiciami lustrzanymi. Diastereoizomerami są np.: izomery geometryczne cis-trans czy E Z. Diasteroizomerami są również izomery optyczne różniące się konfiguracją na niektórych centrach stereogenicznych. Jeżeli różnią się konfiguracją na wszystkich centrach są wówczas enancjomerami. 39
OO N 2 O 3 treonina 3 (O)(N 2 )OO 2 2 = 4 stereoizomery I II III IV OO 2 N O 3 OO N 2 O 3 OO 2 N O 3 2R,3R 2S,3S 2R,3S 2S,3R enancjomery enancjomery I i III, I i IV, II i III oraz II i IV są diastereoizomerami. Spośród czterech stereoizomerów treoniny, tylko izomer 2S,3R (IV) występuje naturalnie w organizmach roślin i zwierząt. 40
Związki mezo OO (O) (O) OO kwas winowy 2 2 = 4 I II III IV O OO O OO O OO O OO OO O O OO O O OO OO płaszczyzna symetrii 2R,3R 2S,3S enancjomery 2R,3S 2S,3R związek mezo Związki, które są achiralne, ale zawierają centra chiralności, nazywane są związkami mezo. Tak więc kwas winowy istnieje w trzech formach izomerycznych: dwie enancjomeryczne i jedna mezo. 41
O OO O OO O OO O OO OO O O OO 2R, 3R 2S, 3S 2R, 3S kwas L-winowy D-winowy mezo-winowy 42
Mieszanina racemiczna równomolowa mieszanina dwóch enancjomerów (racemat). Oznaczamy ją symbolem ( ± ) lub dawniej dl. Mieszaniny racemiczne mają zawsze sumaryczną skręcalność równą 0. Nierównomolowe mieszaniny enancjomerów wykazują wypadkową skręcalność: Jeżeli jeden z enancjomerów ma np. skręcalność właściwą [α] = - 50 o to jego enancjomer będzie miał skręcalność właściwą [α] = + 50 o. Mieszanina 60% (-) i 40% (+) będzie wykazywała skręcalność właściwą: 0,6 (-50) + 0,4(+50) = -30 + 20 = -10 o 43
Nadmiar enancjomeryczny (ang. enantiomeric excess, skrót ee) stosunek różnicy zawartości poszczególnych enancjomerów do sumy ich zawartości w określonej mieszaninie wyrażony w procentach. Powszechnie przyjęto że wartość ee jest zawsze dodatnia, więc jeśli izomer R znajduje się w przewadze to wzór przyjmie wartość: ee = [R] - [S] [R] + [S] x 100% zaś gdy izomer S jest w przewadze, wzór wygląda następująco: ee = [S] - [R] [S] + [R] x 100% gdzie [S], [R] - liczba moli lub stężenie molowe w mieszaninie, odpowiednio izomeru S i R. 44
Właściwości fizyczne stereoizomerów Enancjomery mają wszystkie właściwości fizyczne identyczne (te same tt, tw., rozpuszczalności, gęstości itp.). Różnią się jedynie znakiem skręcalności światła spolaryzowanego w płaszczyźnie. Natomiast diastereoizomery są zasadniczo innymi związkami i mają odmienne właściwości fizyczne. Jeszcze inne są właściwości mieszaniny racemicznej. Mimo, że są to mieszaniny enancjomerów, racematy często zachowują się tak, jakby były czystymi związkami, odmiennymi od każdego z enancjomerów. 45
Niektóre właściwości stereoizomerów kwasu winowego Stereoizomer Temp. topnienia [ o ] [ α ] D Gęstość {g/cm 3 ] Rozpuszczalność w 20 o [g/100ml 2 O] ( + ) 168-170 + 12 1,7598 139,0 ( - ) 168-170 -12 1,7598 139,0 mezo 146-148 0 1,6660 125,0 ( ± ) 206 0 1,7880 20,6 (+) to 2R,3R kwas L-winowy (-) to 2S,3S kwas D-winowy 46
Rozdzielanie mieszanin racemicznych Wykorzystuje się reakcję z optycznie czynnym substratem. Mieszanina racemiczna (±) reagując ze związkiem np. (+) daje dwa produkty: [(+)(+)] i [(-)(+)]. R S + R R R S R 47
R S + R R R S R R R S R R + R S + R Te dwa produkty są diastereoizomerami, są więc różnymi związkami o różnych właściwościach chemicznych i fizycznych. Można je rozdzielić stosując normalne techniki laboratoryjne np krystalizację, destylację. Po rozdzieleniu diastereoizomerów, przeprowadzamy reakcje, aby otrzymać z powrotem chiralny reagent i rozdzielone enancjomery. 48
hiralność a biologia O 3 O 3 3 2 3 2 (+) - karwon kminek (-) - karwon mięta 2 N O OO 2 N OO N O N 3 3 L-asparagina smak gorzki (S)-asparagina D-asparagina smak słodki (R)-asparagina 49
O O N O N O O N O O N O (R)-(+)-Thalidomide lek. o działaniu uspokajającym isłabo nasennym (S)-(-)-Thalidomide działanie teratogenne O O l ( 3 ) 3 N N N l N N N ( 3 ) 3 (R,R) paklobutrazol środek grzybobójczy (S,S) paklobutrazol regulator wzrostu roślin 50
OO OO 3 3 3 O (S)-naproksen lek przeciwzapalny 3O (R)-naproksen toksyczny dla wątroby O O l O N O l 2 l O N O l 2 (R,R)-chloramfenikol antybiotyk (S,S)-chloramfenikol nieaktywny w stosunku do bakterii 51
O 3 3 2 O 2 2 3 3 3 2 O 2 2 3 O 1 O 2 2 3 2 2 3 3 3 4 - R 4 podstawnik skierowany do tyłu 52
Metopren substancja imitująca juwenilny hormon owadzi jest stosowany u zwierząt domowych przeciw pchłom. Działa on przez zapobieganie rozwojowi jaj i larw pchły. Forma aktywna metoprenu jest optycznie czynna. Wskaż centrum chiralności (gwiazdka) i określ jego konfigurację (R,S). Koniecznie zaznacz kolejność podstawników. 3 O 3 O O 53
3 O 3 O O S ponieważ 4 podstawnik jest skierowany do nas 3 3 3 O 2 2 2 2 3 3 O O( 3 ) 2 3 O 2 O( 3 ) 2 1 3 3 O 2 2 2 2 3 3 3-4 54
Zanacz czy poniższe pary związków to enancjomery, diastereoizomery czy ten sam związek. Zanacz konfigurację R, S na każdym centrum asymetrii. 3 3 O Br i Br O 2 O 3 3 Br 1 enancjomery 4 R 4 podstawnik skierowany do tyłu 55
Zanacz czy poniższe pary związków to enancjomery, diastereoizomery czy ten sam związek. Zanacz konfigurację R, S na każdym centrum asymetrii. OO 3 O i O 3 OO O 3 OO 1 obrót o 180 o : 3 3 O OO 2 4 ten sam związek R 4 podstawnik skierowany do nas 56
Zanacz czy poniższe pary związków to enancjomery, diastereoizomery czy ten sam związek. Zanacz konfigurację R, S na każdym centrum asymetrii. Br Br i Br Br płaszczyzna symetrii związek mezoten sam związek 57
Zanacz czy poniższe pary związków to enancjomery, diastereoizomery czy ten sam związek. Zanacz konfigurację R, S na każdym centrum asymetrii. O O O l i O O O l O R O O l R i O O S O l S enancjomery 58