IZOMERIA

IZOMERIA

OPTYCZNA

OPTYCZNA

CHIRALNOŚĆ

C

CH

3

COOH

H

H

płaszczyzn

a

symetrii

CH

3

CH

2

COOH

kwas propanowy

(achiralny)

C

CH

3

COOH

OH

H

BRAK

płaszczyzn

y

symetrii

CH

3

CHCOOH

OH

kwas mlekowy

(chiralny)

Cząsteczki, które nie są identyczne ze swoimi odbiciami lustrzanymi i
w związku z tym istnieją w dwóch formach enancjomerycznych
nazywane są

chiralnymi

.

Cząsteczka mająca płaszczyznę symetrii jest identyczna ze swym
odbiciem lustrzanym i jest achiralna (niechiralna)

H

3

C

CH

3

Cl

(b)

H

3

C

CH

3

Cl

*

(a)

OH

Cl

*

*

(c)

Struktury chiralne: (a), (c)
achiralna: (b)

Najczęstszą (chociaż nie jedyną) przyczyną

chiralności

cząsteczek

organicznych jest obecność atomów węgla związanych z czterema
różnymi podstawnikami np. centralny atom węgla kwasu mlekowego.
Taki atom węgla nazywany jest

centrum asymetrii

lub

centrum

stereogenicznym

.

C

H

X

Z

Y

kwas mlekowy: cząsteczka o ogólnym wzorze
CHXYZ

C

H

CH

3

OH

COOH

C

H

COOH

HO

H

3

C

C

H

HOOC

OH

CH

3

lustro

kwas (+)–

mlekowy

[α]

D

= +3,82

o

kwas (–)–mlekowy

[α]

D

= –3,82

o

Enancjomer

– stereoizomer, którego cząsteczka nie jest identyczna ze

swoim odbiciem lustrzanym

C

H

COOH

HO

H

3

C

C

H

CH

3

HO

HOOC

C

H

COOH

HO

H

3

C

C

OH

COOH

H

H

3

C

niezgodnoś

ć

niezgodnoś

ć

niezgodnoś

ć

niezgodnoś

ć

Początek XIX w – Jean Baptiste Biot – niektóre związki organiczne
skręcają płaszczyznę spolaryzowanego światła
1849 – L. Pasteur – badania nad krystalicznymi solami kwasu
winowego

Rysunek kryształów winianu sodowo-amonowego wykonany na podstawie
oryginalnych szkiców Pasteura. Jeden z kryształów jest „prawy” a drugi „lewy”

winian

sodowo–

amonowy

C
C

COO



Na

+

COO



NH

4

+

H

HO

OH
H

AKTYWNOŚĆ OPTYCZNA
SKRĘCALNOŚĆ WŁAŚCIWA [α]

Schemat polarymetru. Światło spolaryzowane w płaszczyźnie przechodzi przez
roztwór cząsteczek związku optycznie czynnego, który skręca płaszczyznę
polaryzacji

źródło

światła

rurka pomiarowa

zawierająca

związek

organiczny

polaryzator

analizator

obserwator

α

[α]

D

=

α
[stopnie
]

l [dm] • c
[g/cm

3

]

α – obserwowana
skręcalność
l – długość drogi
optycznej
c – stężenie

Związki optyczne, które skręcają płaszczyznę polaryzacji w lewo
(przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) nazywają się lewoskrętnymi
(–), natomiast związki, które skręcają płaszczyznę polaryzacji w prawo
(zgodnie z ruchem wskazówek zegara) nazywają się prawoskrętnymi
(+)

OKREŚLANIE KONFIGURACJI R I S

Ustalanie pierwszeństwa podstawników wokół centrum
stereogenicznego

C

CH

2

HO

C H

O

H

OH

*

C

C

C

H

O

6

6

8

1

?

?

najważniejsz

y

najmniej

ważny

C

C

C

H

O

O

O

najmniej

ważny

1

8

8

8

6

6

najważniejsz

y

C

C

C

H

O

O

O

H

najmniej

ważny

1

8

8

8,
8

6

6

najważniejsz

y

1

drugi w kolejności

trzeci w kolejności

Przypisywanie centrum stereogenicznemu konfiguracji R lub S

C

CH

2

HO

C H

O

H

OH

*

1

2

3

4

C

CH

2

C

H

O

H

HO

OH

*

1

2

3

4

umieść grupę
najmniej ważną pod
powierzchnią kartki

przeciwnie do kierunku

ruchu wskazówek zegara

(S)

OKREŚLANIE KONFIGURACJI R I S

Przypisywanie konfiguracji stereogenicznemu atomowi węgla. Określa się
ważność czterech grup i cząsteczkę porównuje się z dłonią ustawioną tak, by
kciuk wskazywał kierunek od atomu węgla do grupy najmniej ważnej (4).
(a)Jeśli palce prawej dłoni zaginają się w kierunku malejącej ważności (1 → 2 → 3)
pozostałych trzech grup, to centrum stereogeniczne ma konfigurację (R),
(b)Jeśli palce lewej dłoni zaginają się w kierunku malejącej ważności(1 → 2 → 3)
pozostałych trzech grup, to centrum stereogeniczne ma konfigurację (S)

(a

)

C

1

2

3

4

(b

)

C

1

2

3

4

prawa ręka

konfiguracja R

lewa ręka

konfiguracja S

kwas (R)-(–)-mlekowy

prawa ręka

1

C

H

HOOC

OH

CH

3

2

3

4

kwas (S)-(+)-mlekowy

lewa ręka

1

C

H

HOOC

HO

H

3

C

2

3

4

Określanie konfiguracji kwasu (R)-(–)-mlekowego i kwasu
(S)-(+)-mlekowego

PROJEKCJA FISCHERA

Na przykład kwas (R)-mlekowy można narysować w następujący
sposób:

projekcja Fischera

C

W

X

Z

Y

przyciśnij

C

W

X

Z

Y

W

Z

Y

X

C

COOH

CH

3

H

HO

C

H

COOH

CH

3

OH

=

projekcja Fischera

kwas (R)-mlekowy

H

COOH

CH

3

OH

wiązania ponad

płaszczyzną

wiązania

pod

płaszczyzną

obraz

trójwymiarowy

Projekcję Fischera można obrócić w płaszczyźnie o 180

o

, ale nie o 90

o

ani 270

o

.

C

H

COOH

CH

3

OH

H

COOH

CH

3

OH

=

obrót

180

o

HO

CH

3

COOH

H

=

C

H

CH

3

COOH

HO

kwas (R)-mlekowy

kwas (R)-mlekowy

C

H

COOH

CH

3

OH

H

COOH

CH

3

OH

kwas (R)-mlekowy

=

obrót

o 90

o

OH

H

3

C

COOH

H

=

C

COOH

H

OH

H

3

C

kwas (S)-mlekowy

obrót

o 90

o

Dozwolone jest umiejscowienie jednej z grup w projekcji Fishera i
rotacja pozostałych w prawo lub w lewo.

H

COOH

CH

3

OH

pozostaw w

miejscu

taki sam jak

HO

H

COOH

CH

3

OH

CH

2

CH

3

H

3

C

H

HO

CH

3

CH

2

CH

3

H

CH

3

CH

2

CH

3

OH

H

A

B

C

HO

CH

3

CH

2

CH

3

H

OH

CH

2

CH

3

H

3

C

H

CH

2

CH

3

CH

3

OH

H

pozostaw CH

3

obróć trzy
pozostałe
grupy w
prawo

pozostaw CH

2

CH

3

obróć trzy
pozostałe
grupy w
prawo

B

A

CH

3

CH

2

CH

3

OH

H

obróć trzy
pozostałe
grupy w lewo

pozostaw CH

3

obrót

180

o

C

H

3

C

OH

CH

2

CH

3

H

CH

2

CH

3

OH

H

3

C

H

nie A

Znak skręcalności (+) lub (–) nie jest powiązany z oznaczeniem R, S

Przypisanie konfiguracji (-) aldehydowi glicerynowemu i (+) alaninie.
Tak się składa, że oba związki mają konfigurację S, chociaż jeden jest
lewoskrętny, a drugi prawoskrętny

aldehyd (S)-glicerynowy

[(S)-(–)-

dihydroksypropanal]

[α]

D

= – 8,7

o

(S)-alanina

[kwas(S)-(+)-2-aminopropanowy]

[α]

D

= + 8,7

o

1

C

H

CH

2

OH

OHC

HO

2

3

4

1

C

H

COOH

H

2

N

H

3

C

2

3

4

KONFIGURACJA D I L

CH

2

CH

3

OH

H

C

H

O

OH

H

C

H

O

H

OH

H

OH

CH

2

OH

OH

H

C

H

O

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

C

O

CH

2

OH

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

D-gliceroaldehyd

[(R)-(+)-

gliceroaldehyd]

D-fruktoza

D-ryboza

D-glukoza

Niektóre z naturalnie występujących D-cukrów. Grupa hydroksylowa
na centrum stereogenicznym najdalszym od grupy karbonylowej
znajduje się po prawej stronie, gdy cząsteczkę przedstawi się w
projekcji Fischera

L-gliceroaldehyd

[(S)-(–)-

gliceroaldehyd]

CH

2

OH

HO

H

C

H

O

HO

H

C

OH

H

H

HO

H

HO

CH

2

OH

H

O

D-glukoza

L-glukoza

(nie występuje w naturze)

OH

H

C

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

H

O

lustro

Projekcje Fischera L-alaniny i D-alaniny

lustro

C H

CH

3

COOH

H

2

N

C

H

CH

3

COOH

NH

2

*

*

*

C

H

CH

3

COOH

NH

2

C

H

CH

3

COOH

NH

2

*

=

ZWIĄZKI MEZO

Stereoizomery kwasu winowego (związki z dwoma centrami
stereogenicznymi)

C

C

COOH

COOH

OH

H

HO

H

1

2

3

4

C

C

COOH

COOH

H

HO

H

OH

4

3

2

1

lustro

2R, 3R

2S, 3S

C

C

COOH

COOH

OH

H

H

OH

4

3

2

1

C

C

COOH

COOH

H

HO

HO

H

4

3

2

1

lustro

mezo

płaszczyzn

a symetrii

2S, 3R

2R, 3S

Związki, które są achiralne, ale zawierają centra stereogeniczne
nazywamy związkami

mezo

Kwas winowy istnieje w trzech formach izomerycznych: dwie
enancjomeryczne i jedna mezo

C

C

COOH

COOH

OH

H

H

OH

1

2

3

4

C

C

COOH

COOH

H

HO

HO

H

1

2

3

4

obrót

o 180

o

2R, 3S

2S, 3R

identyczn

e

Diastereoizomery

– stereoizomery, które nie są enancjomerami

Cztery stereoizomery kwasu 2-amino-3-hydroksybutanowego (treoniny)

C

C

COOH

CH

3

NH

2

H

H

OH

C

C

COOH

CH

3

H

2

N

H

H

HO

C

C

COOH

CH

3

NH

2

H

HO

H

C

C

COOH

CH

3

H

2

N

H

OH

H

lustro

lustro

enancjomery

enancjomery

Zależności między czterema stereoizomerami treoniny

Stereoizomer

Enancjomeryczny z

Diastereoizomeryczny z

2

R

,3

R

2

S

,3

S

2

R

,3

S

i 2

S

,3

R

2

S

,3

S

2

R

,3

R

2

R

,3

S

i 2

S

,3

R

2

R

,3

S

2

S

,3

R

2

R

,3

R

i 2

S

,3

S

2

S

,3

R

2

R

,3

S

2

R

,3

R

i 2

S

,3

S

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE

STEREOIZOMERÓW

Niektóre właściwości stereoizomerów kwasu winowego

Stereoizome

r

Temperatura

topnienia [

o

C]

[

α

]

D

[stopnie]

Gęstość

[g/cm

3

]

Rozpuszczalność

w 20

o

C [g/100ml

H

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

ENANCJOMERY

ENANCJOMERY

mają

takie

same

właściwości

fizykochemiczne np. temperatury wrzenia i topnienia,
rozpuszczalność moment dipolowy itd.
Dają takie same widma NMR, poza przypadkami z
zastosowaniem rozpuszczalników optycznie czynnych. Nie
można ich rozdzielić metodami chromatograficznymi, poza
przypadkami

zastosowania

kolumn

z

wypełnieniem

chiralnym.

DIASTEREOIZOMERY

DIASTEREOIZOMERY

mają różne właściwości fizyko-

chemiczne, dają różne widma NMR, można je rozdzielić
metodami

chromatograficznymi

bez

konieczności

stosowania kolumn chiralnych.

MIESZANINY RACEMICZNE I ICH ROZDZIELANIE

Mieszanina racemiczna (racemat) jest to mieszanina równomolowych
(1:1) ilości enancjomerów związku chiralnego.
Oznaczamy ją symbolem (±).

C

COOH

CH

3

HO

H

C

COOH

CH

3

HO

H

(R)

(S)

+

racemiczny kwas

mlekowy

(50% R, 50%S)

CH

3

NH

2

C

COO



H

3

N

+

CH

3

CH

3

HO

H

C

COO



H

3

N

+

CH

3

CH

3

HO

H

lustro

enancjomery

sól R

sól S

racemiczna sól amoniowa

(50% R, 50%S)

Reakcja racemicznego kwasu mlekowego z metyloaminą prowadząca
do racemicznej mieszaniny soli amoniowych

Reakcja racemicznego kwasu mlekowego z (R)-1-fenyloetyloaminą
prowadząca do mieszaniny diastereoizomerycznych soli amoniowych

C

COOH

CH

3

HO

H

C

COOH

CH

3

HO

H

(R)

(S)

+

racemiczny kwas

mlekowy

(50% R, 50%S)

diastereoizomer

y

sól R,R

sól S,S

(R)-1-

fenylo-

etyloamina

H

CH

3

NH

2

C

COO



CH

3

HO

H

C

COO



CH

3

HO

H

+

C

NH

3

H

H

3

C

C

NH

3

H

H

3

C

STEREOIZOMERY

STEREOIZOMERY

– takie same połączenia między atomami,

ale różna geometria.

C

COOH

OH

H

H

3

C

C

COOH

HO

H

CH

3

kwas (R)–mlekowy

kwas (S)–mlekowy

Enancjomery

(stereoizomery
nienakładalne, są
odbiciami
lustrzanymi)

Diastereoizomery

(stereoizomery
nienakładalne, nie są
odbiciami lustrzanymi)

C

C

COOH

CH

3

H

H

NH

2

OH

kwas 2R,3R-2-amino-

3-hydroksymasłowy

kwas 2R,3S-2-amino-

3-hydroksymasłowy

C

C

COOH

CH

3

H

HO

NH

2

H

Diastereoizomery cis-
trans

(podstawniki po tej samej
stronie lub po przeciwnych
stronach wiązania
podwójnego lub pierścienia)

trans-2-buten

cis-2-buten

C C

CH

3

H

3

C

H

H

C C

H

H

3

C

H

CH

3

trans-1,3-

dimetylocyklopentan

cis-1,3-

dimetylocyklopentan

CH

3

H

H

3

C

H

H

H

H

3

C

CH

3

CZĄSTECZKI Z WIĘCEJ NIŻ DWOMA CENTRAMI STEREOGENICZNYMI

Pojedyncze centrum stereogeniczne – dwa stereoizomery (jedna para
enancjomerów)
Dwa centra stereogeniczne w cząsteczce – najwyżej cztery
stereoizomery (dwie pary enancjomerów)
n centrów stereogenicznych w cząsteczce – najwyżej 2

n

stereoizomerów (2

n-1

par enancjomerów)

Cholesterol zawiera 8 centrów stereogenicznych – teoretyczna
możliwość istnienia 2

8

= 256 stereoizomerów (128 par

enancjomerów)
W naturze istnieje jeden stereoizomer cholesterolu

H

HO

CH

3

H

H

CH

3

H

H

cholesterol

(8 centrów

stereogenicznych)

STEREOCHEMIA REAKCJI A PROBLEM CHIRALNOŚCI

Wiele reakcji chemicznych daje produkty zawierające centra
stereogeniczne, jednak

reakcja między dwoma

achiralnymi

partnerami zawsze prowadzi do produktów nieczynnych optycznie:

mieszaniny

racemicznej

lub formy

mezo

Stereochemia reakcji addycji HBr do 1-butenu. Achiralny produkt
pośredni – karbokation jest atakowany równie łatwo od dołu jak i z
góry, dając racemiczną mieszaninę produktów

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

H―Br

1-buten

pośredni

karbokation

(achiralny)

+

CH

3

CH

2

C

H

CH

3

C

Br

CH

3

H

CH

3

CH

2

C

Br

CH

3

H

CH

3

CH

2

Br

―

Br

―

(S)-2-

bromobutan

(50%)

(R)-2-

bromobutan

(50%)

od dołu

od

góry

Reakcja między

achiralnym

reagentem (np HBr) a reagentem

chiralnym

prowadzi do nierównej ilości diastereogenicznych

produktów

Stereochemia reakcji addycji HBr do alkenu, (R)-4-metylo-1-heksenu. Tworzy się
mieszanina diastereoizomerycznych produktów 2R,4R oraz 2S,4R w
nierównoważnych ilościach, ponieważ atak na produkt pośredni – chiralny
karbokation nie jest równie prawdopodobny z obu stron

C

H

3

C H

H

CH

3

Br

―

C C

H

3

C H

H

H

H

H

―Br

H

3

C H

H

CH

3

Br

H

3

C H

Br

CH

3

H

+

z góry

od dołu

(2S,4R)-2-bromo-4-metyloheksan

(2R,4R)-2-bromo-4-metyloheksan

a) Jeden z enancjomerów łatwo się dopasowuje do chiralnego

receptora i wywołuje właściwy mu efekt biologiczny

b) drugi enancjomer nie może się dopasować do tego samego

receptora