Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
STEREOIZOMERIA
2 godz.
1.
Izomery – definicja i klasyfikacja
1.1.
Konstytucyjne - związki różniące się sposobem połączenia atomów w cząsteczce
(tj. różna budowa szkieletu węglowego lub inne rozmieszczenie grup
funkcyjnych); na przykładzie 5-etylo-2,3-dimetyloheptanu i 2,2,4,4,5-
pentametyloheksanu oraz kwasu 3-hydroksybutanowego i kwau 3-hydroksy-2-
metylopropanowego
1.2.
Stereoizomery – związki o identycznym połączeniu atomów w cząsteczce, ale o
różnym ich rozmieszczeniu w przestrzeni
•
Enancjomery – para niekładalnych na siebie stereoizomerów mających się do
siebie jak przedmiot i jego lustrzane odbicie
•
Diastereoizomery – stereoizomery nie będące enancjomerami
2.
Chiralność na przykładzie przedmiotów codziennego użytku
2.1.
Obiekty chiralne - obiekty nienakładalne na swoje odbicie lustrzane: ręka,
nożyczki, samochód, śruba
2.2.
Obiekty achiralne - obiekty nakładalne na swoje odbicie lustrzane; krzesło
3.
Chiralność i enancjomeria w związkach organicznych na przykładzie cis-1,2-
dichlorocyklopentanu (związek achiralny) oraz trans-1,2-dichlorocyklopentan
(związek chiralny)
4.
Elementy symetrii występujące w związkach organicznych
4.1.
Płaszczyzna symetrii w cis-1,2-dimetylocyklopropanie (związek achiralny)
4.2.
środek symetrii w 1,2-dietylo-3,4-dimetylocyklobutanie (związek achiralny)
4.3.
Brak płaszczyzny symetrii i środka symetrii w trans-1,2-dimetylocyklopropanie
(związek chiralny)
5.
Pojęcie asymetrycznego atomu węgla (centrum asymetrii), jako jednego z
czynników powodujących chiralność związków organicznych
•
Asymetryczny atom węgla (C*) - atom węgla w stanie hybrydyzacji sp
3
związany z czterema różnymi podstawnikami (nazywany także centrum
asymetrii).
6.
Określanie czy dany związek jest chiralny na przykładzie 2-chlorobutanu; na
modelach i wzorach przestrzennych:
1
CH
3
CH
CH
2
CH
3
Cl
*
CH
3
CH
CH
2
CH
3
Cl
*
A
(związek macierzysty)
B
(odbicie lustrzane)
B
po obrocie o 60
°
wokół wiązania C-Cl
B
po obrocie o 120
°
wokół wiązania C-Cl
2-chlorobutan
A
i
B
nie nakładają się na siebie,
są to enancjomery.
Wniosek – związek posiadający asymetryczny
atom węgla może występować w postaci dwóch
enancjomerów.
Cl
H
5
H
2
C
H
3
C
Cl
H
C
2
H
5
CH
3
Cl
CH
3
2
H
5
C
H
Cl
H
H
3
C
2
H
5
C
Cl
H
5
H
2
C
H
3
C
Cl
H
C
2
H
5
CH
3
Cl
CH
3
2
H
5
C
H
Cl
H
H
3
C
2
H
5
C
60°
60°
Cl
H
H
3
C
Cl
H
H
3
C
5
H
2
C
A
B
5
H
2
C
Cl
H
H
3
C
Cl
H
H
3
C
5
H
2
C
A
B
5
H
2
C
CH
3
F
NH
2
H
1
3
4
2
F > N > C > H
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
7.
Czynność optyczna związków organicznych
7.1.
Zasada działania polarymetru
7.2.
Enancjomer prawoskrętny (+) – skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w
prawo; kierunek obrotu analizatora w celu przywrócenia zaciemnienia pola
widzenia jest zgodny ze wskazówkami zegara
7.3.
Enancjomer lewoskrętny (
−
)
−
skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w
lewo; kierunek obrotu analizatora w celu przywrócenia zaciemnienia pola widzenia
jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara
7.4.
Enancjomery skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego o ten sam kąt, ale w
przeciwnych kierunkach
7.5.
Mieszanina racemiczna (lub racemat) – równomolowa mieszanina enancjomerów
nie skręca płaszczyzny światła spolaryzowanego
8.
Przykłady enancjomerów wybranych związków organicznych:
8.1.
(-)-2-Aminopropan-1-ol i (+)-2-aminopropan-1-ol
8.2.
Kwas (-)-mlekowy i kwas (+)-mlekowy
8.3.
Kwas (-)-migdałowy i kwas (+)-migdałowy
9.
Konfiguracja absolutna związków organicznych - opis przestrzennego
rozmieszczenia podstawników wokół centrum asymetrii (informacja niezbędna do
skonstruowania prawidłowej nazwy związku chiralnego)
9.1.
Sposób określania konfiguracji absolutnej opracowany przez Cahna, Ingolga i
Preloga
•
Krok 1: ustalenie kolejności podstawników, postępując zgodnie z regułami
pierwszeństwa
Reguła 1: jeżeli wszystkie cztery atomy połączone z centrum
asymetrii są różne, to pierwszeństwo grup zależy od liczb
atomowych tych atomów, przy czym priorytet ma atom o większej
liczbie atomowej; na przykładzie 1-amino-1-fluoroetanu (F > N > C
> H); jeżeli dwa atomy są izotopami tego samego pierwiastka, to
pierwszeństwo na atom o większej liczbie masowej (T > D > H).
Reguła 2: jeżeli względnego pierwszeństwa dwóch grup nie można
ustalić na podstawie reguły 1, to należy przeprowadzić podobne
porównanie następnych atomów w tych grupach (jeżeli i to nie
przyniesie rozstrzygnięcia, to należy przesunąć się jeszcze dalej od
centrum chiralności); na przykładzie 1-bromo-3-etylo-4-
metylopentanu [-CH(CH
3
)
2
> -CH
2
CH
2
Br > -CH
2
CH
3
> H].
2
CH
2
CH
2
Br
CH
3
CH
2
CH(CH
3
)
2
H
3
2
4
1
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
•
Krok 2: zorientowanie cząsteczki w taki sposób, aby podstawnik o najniższym
pierwszeństwie był jak najbardziej oddalony od obserwatora, a następnie
przesuwanie się według malejącego pierwszeństwa od podstawnika o
najwyższym pierwszeństwie w stronę kolejnych podstawników:
Jeżeli wykonuje się obrót zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek
zegara, to taką konfigurację oznacza się literą R (rectus-prawy); na
przykładzie kwasu (R)-2-aminopropanowego i (R)-1,3-
dibromobutanu;
Jeżeli wykonuje się obrót przeciwnie do ruchu wskazówek zegara,
to taką konfigurację oznacza się literą S (sinister-lewy); na
przykładzie kwasu (S)-2-aminopropanowego i (S)-1,3-
dibromobutanu.
9.2.
Umiejętność zorientowania cząsteczki w taki sposób, aby podstawnik o najniższym
pierwszeństwie był jak najdalej oddalony od obserwatora; na przykładzie kwasu
(S)-(+)-mlekowego i (S)-(+)-2-aminopropan-1-olu:
9.3.
Prezentacja konfiguracji absolutnej na wzorach rzutowych Fischera na przykładzie
kwasu (R)-mlekowego i zastrzeżenia co do obrotu wzoru Fischera
3
COOH
CH
3
NH
2
H
3
2
4
1
(R)
COOH
CH
3
H
2
N
H
3
2
4
1
(S)
CH
2
CH
2
Br
Br
CH
3
H
1
2
4
3
(R)
CH
2
CH
2
Br
Br
H
3
C
H
1
2
4
3
(S)
(A)
(A) po obrocie wokół wiązania
C-CO
2
H w lewo
kwas (S)-(+)-mlekowy
CO
2
H
H
3
C
H
O H
(S)
CO
2
H
H O
H
3
C
H
2
3
1
60°
1
2
3
4
CO
2
H
H
3
C
H
O H
(S)
CO
2
H
H O
H
3
C
H
2
3
1
60°
1
2
3
4
(A)
(A) po obrocie wokół
wiązania C-N w lewo
(A’) po obrocie wokół
C-CH
3
w prawo
(S)-(+)-2-aminopropan-1-ol
(A’)
H
H
3
C
C H
2
O H
NH
2
C H
3
H O H
2
C
H
N H
2
CH
3
H
2
N
CH
2
O H
H
(S)
1
2
3
4
1
2
3
2
3
1
60°
60°
H
H
3
C
C H
2
O H
NH
2
C H
3
H O H
2
C
H
N H
2
CH
3
H
2
N
CH
2
O H
H
(S)
1
2
3
4
1
2
3
2
3
1
60°
60°
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
•
Wzór rzutowy Fischera można obracać o 180° lub 360° - konfiguracja
absolutna jest zachowana; na przykładzie obrotu wzoru rzutowego Fischera (S)-
mlekowego:
•
Obrót wzoru rzutowego Fischera o 90° lub 270° powoduje zmianę konfiguracji
absolutnej na przeciwną - uzyskany wzór przedstawia przeciwny enancjomer;
na przykładzie obrotu wzoru rzutowego Fischera kwasu
(R)-mlekowego:
10.
Związki chiralne posiadające dwa asymetryczne atomy węgla
10.1.
2,3-Dibromobutan
•
Przedstawienie stereoizomerów (na wzorach rzutowych Fischera)
•
Wskazanie enancjomerów oraz diastereoizomeru (formy mezo), który posiada
płaszczyznę symetrii i nakłada się na swoje odbicie lustrzane; nie skręca
płaszczyzny światła spolaryzowanego
10.2.
Przykłady związków mezo: cis-cyklopentano-1,2-diol, cis-1,2-dibromocykloheksan
oraz kwas mezo-winowy
4
kwas (R)-mlekowy
kwas (S)-mlekowy
COOH
(S)
CH
3
H
HO
COOH
(S)
CH
3
H
HO
obrót o 90°
OH
(R)
H
COOH
H
3
C
OH
(R)
H
COOH
H
3
C
kwas (S)-mlekowy
COOH
(S)
CH
3
H
HO
COOH
(S)
CH
3
H
HO
COOH
(S)
CH
3
H
OH
COOH
(S)
CH
3
H
OH
obrót o 180°
kwas (S)-mlekowy