Biostereochemia-01

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU CHEMIA
BIOORGANICZNA I BIOSTEREOCHEMIA
35%
BIOSTEREOCHEMIA
35%
CHEMIA BIOORGANICZNA
30%
SEMINARIUM
ELEMENTY SKŁADOWE OCENY
ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU CHEMIA
BIOORGANICZNA I BIOSTEREOCHEMIA
< 50%
niedostateczna
50 – 59%
odpowiedź ustna
60 – 75%
dostateczna
76 – 82%
dostateczna plus
83 – 88%
dobra
89 – 94%
dobra plus
95 – 98%
≥99%
bardzo dobra
celująca
ZASADY ZALICZENIA
BIOSTEREOCHEMII oraz CHEMII
BIOORGANICZNEJ
Egzamin pisemny z każdej części oceniany od 0 – +35 pktów
Obowiązkowa obecność na zajęciach
Dopuszczalne są trzy usprawiedliwione nieobecności na wykładach
UWAGA
Każdy egzamin pisemny musi być zaliczony na co najmniej 15 pkt
Wystąpienie na wybrany temat w ramach seminarium
Obowiązkowa obecność na zajęciach
-10 – +15 pkt
ELEMENTY SKŁADOWE OCENY
ZASADY ZALICZENIA SEMINARIUM
zawartość merytoryczna wystąpienia
5pkt
szata graficzna i wizualizacja wystąpienia
10pkt
aktywność w dyskusji
LITERATURA DO BIOSTEREOCHEMII
I. Z. SIEMION
Biostereochemia
G. HALLAS
Stereochemia związków organicznych
M. NOGRADI
Stereochemia – podstawy i zastosowanie
E. L. ELIEL
Stereochemistry of Organic Compounds
J. Jacques, A. Collet,
Enantiomers, Racemates, and
and S. H. Wilen
Resolutions
JEDNOZNACZNY OPIS CZĄSTECZKI:
konstytucja
długość wiązań oraz wielkość kątów walencyjnych
parametry geometryczne
konfiguracja
Promień van der Waalsa (r)
jest to odległość odpowiadająca minimum energetycznemu
dla dwóch (zbliżających się) atomów, które jednak nie
tworzą wiązania
geometrię pojedynczego atomu opisuje
promień van der Waalsa – r
r
Promień van der Waalsa (r)
jest to odległość odpowiadająca minimum energetycznemu
dla dwóch (zbliżających się) atomów, które jednak nie
tworzą wiązania
r
geometrię pojedynczego atomu opisuje
promień van der Waalsa – r
dla cząsteczki H2
Cząsteczki dwuatomowe, np. CO, O2:
• dwa promienie van der Waalsa (rA rB )
• długość wiązania (d)
d < rA + rB
rB
d
rA
Cząsteczki trójatomowe liniowe (CO2 ) lub kątowe (H2O):
• trzy promienie van der Waalsa (rA,rB,rC )
• dwie długości wiązań (dAB, dBC)
• kąt walencyjny (θ )
B
dAB
A
θ
dBC
C
O
Cząsteczki czteroatomowe liniowe (HC≡CH), płaskie
lub o kształcie piramidy (NH3):
H
H
• cztery promienie van der Waalsa (rA,rB,rC,rD )
• trzy długości wiązań (dAB, dBC , dBD)
• trzy kąty walencyjne (θ1, θ2, θ3 )
• kąt torsyjny (φ )
B
dBD
A
φ
φ
A
C
B/C
dAB
B
D
D
A
θ 3 dBC
D
θ1
θ2
C
IZOMERY
związki o takim samym
wzorze sumarycznym
IZOMERY KONSTYTUCYJNE
STEREOIZOMERY
izomery różniące się sposobem
połączenia atomów ze sobą
związki o takiej samej konstytucji; różnią się
rozmieszczeniem atomów w przestrzeni
DIASTEREOIZOMERY
stereoizomery nie będące
enancjomerami
ENANCJOMERY
stereoizomery, między którymi
zachodzi relacja przedmiot – jego
odbicie lustrzane
DIASTEREOIZOMERY
ENANCJOMERY
stereoizomery nie będące
enancjomerami
stereoizomery, między którymi
zachodzi relacja przedmiot – jego
odbicie lustrzane
Cl
Cl
H
Z- i E-2-buten
Br
F
H
F
OH
HO
OH
HO
cis- i trans-1,4-cykloheksanodiol
IZOMERY GEOMETRYCZNE
IZOMERY OPTYCZNE
Br
KONSTYTUCJA – sposób połączenia atomów ze sobą w danej
cząsteczce
Dla cząsteczek o jednakowych wzorach i
konstytucji może być niezbędne podanie
konfiguracji, np. dla dwóch enancjomerów
KONFIGURACJA – przestrzenne (trwałe) ułożenie atomów (grup)
w cząsteczce
KONFIGURACJA
przestrzenne (trwałe) ułożenie atomów (grup) w cząsteczce
Cl
*
*
Cl
*
*
Cl
Cl
trans- i cis-1,2-dichlorocyklopropan
Konfiguracja pomaga w rozróżnianiu stereoizomerów
geometrycznych i izomerów optycznych
Stereoizomery konfiguracyjne oraz konformacyjne
Cl
Br
*
*
Cl
*
*
Cl
Cl
Br
Br
Br
trans- i cis-1,2-dichlorocyklopropan
cis-1,3-dibromocykloheksan
KONFORMACJA określone położenie atomów cząsteczki w
przestrzeni, które może się zmieniać w wyniku inwersji pierścienia lub
obrotu wokół wiązań pojedynczych
stereoizomery pozostające w równowadze dynamicznej,
zdolne do wzajemnego przekształcania się poprzez
wyginanie wiązań, inwersję pierścienia lub obrót wokół
wiązań pojedynczych.
konformacja
CH3
CH3
CH3
a nie
konfiguracja
CH3
enancjomery
podobieństwa:
energia wewnętrzna jest równa – odległości między
atomami są identyczne
diastereoizomery
temperatury topnienia i wrzenia,
widma IR, NMR i UV,
nie są enancjomerami;
momenty dipolowe,
różne wszystkie właściwości fizyczne
i chemiczne
gęstość,
wartość bezwzględna skręcalności α,
różnica:
-[α]
+[α]
Cl
H
Cl
Cl
H
Cl
H
H
DIASTEREOIZOMERY
(IZOMERY GEOMETRYCZNE)
Br
Br
COOH
OH
OH
COOH
COOH
HO
OH
COOH
DIASTEREOIZOMERY
(IZOMERY KONFIGURACYJNE)
DIASTEREOIZOMERY
(IZOMERY KONFORMACYJNE)
BARIERA ENERGETYCZNA
A
A
B B
A
A
B B
IZOMERY KONFIGURACYJNE I KONFORMACYJNE
katalitycznej izomeryzacji alkanów
H3C
CH CH3
600°C
katalizator
CH3CH2CH2CH3
NIE MOŻNA ROZRÓŻNIĆ IZOMERÓW
KONSTYTUCYJNYCH
H3C
ALE
CH3
CH3
-240°C
MOŻNA ROZRÓŻNIĆ KONFORMERY
τ1/2 = 7 dni
CH3
=/
∆G = 13kJ/mol
CH3
ATROPOIZOMERIA
należy podawać jaką techniką i w jakich warunkach
stwierdzono występowanie stereoizomerów
I
I
I
I
I
I
I
I
200°C
CO2H
Br
/
∆G= = 125kJ/mol
CO2H
CO2H
CO2H
CO2H
CO2H
Br
20°C
CO2H
Br
/
∆G= = 75kJ/mol
Br
CO2H
Względne przekształcanie stereoizomerów może odbywać się poprzez:
• rotacja wewnętrzna
• rozrywanie wiązań, np. racemizacja czy epimeryzacja
Br
Cl
Br
H
I
S
Br
+
+
-H
+H
+H+
-H+
Cl
I
R
Cl
• oscylacje
b
b
a
a
b
e
a
d
d
e
e
d
np. inwersja amin
b
b
a
N
d
b
a
a
d
enacjomery
N
d
I
H
KONFORMACJE ALKANÓW
H
H H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
H
H
H
θ = 0°
0°
H
θ = 180°
180°
θ
kąt torsyjny
KONFORMACJE - różne układy przestrzenne w cząsteczkach, które mogą się
wzajemnie w siebie przekształcać w wyniku swobodnego obrotu wokół wiązania
pojedynczego
ANTIPERIPLANARNA
SYNPERIPLANARNA
PROJEKCJE NEWMAN’A
θ = 0°
0°
θ = 180°
180°
NAPRZEMIANLEGŁA
NAPRZECIWLEGŁA
KONFORMACJE ETANU
θ = 300°
300°
θ = 360°
360°
θ = 60°
60°
θ = 240°
240°
θ = 120°
120°
ANTIPERIPLANARNA
SYNPERIPLANARNA
θ = 0°
0°
θ = 180°
180°
NAPRZEMIANLEGŁA
NAPRZECIWLEGŁA
NIE MOGĄ BYĆ ROZDZIELONE
KONFORMACJE BUTANU
CH3
CH3
11kJ/mol
2 × 6kJ/mol
HH
H3C H
HH
HH
4kJ/mol
ST
M
OR
NF
KO
16 kJ/mol
A
>
SZ
EJ
NI
IL
AB
2 × 4kJ/mol
19 kJ/mol
H
CH3
J
AC
A
KONFORMACJE BUTANU
SYNPERIPLANARNA
ANTYKLINALNA
ANTYKLINALNA
typu Gauche
ANTIPERIPLANARNA
SYNKLINALNA
ANTIPERIPLANARNA
KONFORMACJE ALKANÓW
ω
KONFORMACJA
0°°
360°°
synperiplanarna
(naprzeciwległa)
60°°
synklinalna (ukośna),
typu Gauche
120°°
antyklinalna
180°°
antiperiplanarna
(naprzemianległa)
STEREOCHEMIA CYKLOALKANÓW
Labilność konformacyjna – zależy od liczby członów w pierścieniu
Dwa typy izomerii przestrzennej – geometryczna i optyczna
przekształcenia konformacyjne
izomeria geometryczna
izomeria optyczna
pierścienie małe – 3- i 4-członowe
pierścienie normalne – 5- do 7-członowe
pierścienie średnie – 8- do 11-członowe
makropierścienie zawierające więcej niż 11-członów
Typy naprężeń w pierścieniach
Naprężenia Baeyera – tzw. naprężenia kątowe, związane ze zmianą kątów
walencyjnych
E1 = Kθα2
α
gdzie α – kąt odchyleń wiązań walencyjnych od ich położenia
tetraedrycznego
dla odchylenia o wielkości
2°° naprężenia wynoszą 0.33 kJ/mol
10°° naprężenia wynoszą 9.00 kJ/mol
20°° naprężenia wynoszą 34.00 kJ/mol
Typy naprężeń w pierścieniach
Naprężenia wiązań – zmiana odległości międzyatomowych (rozciąganie lub
skracanie wiązań chemicznych)
C
C
E2 = kdx
C
d
gdzie d – przesunięcie atomu od jego położenia normalnego
x>1
Typy naprężeń w pierścieniach
Naprężenia Pitzera (torsyjne) – wymuszone odchylenie od najbardziej
korzystnej konformacji naprzemianległej
E3 = 5.87 × (1 – cos ω)
ω
gdzie ω – odchylenie kąta dwuściennego od jego wartości w
najkorzystniejszym położeniu naprzemianległym
>
Typy naprężeń w pierścieniach
Naprężenia Preloga – wzajemne odpychanie zbliżonych do siebie atomów na
skutek działania wewnątrzcząsteczkowych sił van der Waalsa
C
E4 = 4.19 × (104-2r – 49.2 × r-6)
H
r
C
C
H
gdzie r – odległość między niezwiązanymi atomami, najczęściej wodoru
CH3
CH3
>
CH3
CH3
Naprężenia pierścieniowe cykloalkanów
E = E1 + E2 + E3 + E4
n
Ciepło
spalania
kJ/mol
spalania na
grupę CH2
kJ/mol
Naprężenia
pierścienia
kJ/mol
cyklopropan
3
2091.0
697.5
115
cyklobutan
4
2744.0
686.2
110
cyklopentan
5
3220.0
664.0
27
cykloheksan
6
3952.0
658.6
0
cykloheptan
7
4636.7
662.3
27
cyklooktan
8
5310.3
663.6
42
cyklononan
9
5981.0
664.4
54
cyklodekan
10
6635.8
663.6
50
cyklopentadekan
15
9984.7
659.0
6
ALKANY NIEROZGAŁĘZIONE
658.6
MODEL WALSH’A CYKLOPROPANU
Charakter wiązań wodór – węgiel sp2 potwierdzają m. in.
częstotliwość drgań rozciągających C – H
3100 – 3070 cm-1
cyklopropan
H
3100 – 3000 cm-1
stała sprzężenia spinowo-spinowego między jądrami 13C – H
cyklopropan
162 Hz
benzen
159 Hz
cyklobutan
etan
136 Hz
125 Hz
MODEL WALSH’A CYKLOPROPANU
Charakter wiązań wodór – węgiel sp2 potwierdzają m. in.
„sprzężenie” z układami π-elektronowymi
O
H
C
C
H
O
H
H
stabilizacja odpowiednio zorientowanych względem grupy cyklopropylowej
jonów karboniowych
CH3
+
C
CH3
CH3
+
CH3
CH3
+
C
C
254.4
280.6
CH3
δ C [ppm]
329.2
CH3
MODEL WALSH’A CYKLOPROPANU
Charakter wiązań wodór – węgiel sp2 potwierdzają m. in.
postulowany prąd kołowy
O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
δ Η 9.28 ppm
δ Η −2.29 ppm
Me H
Me
δ Η 7.42 ppm
H
H
H
H
H
H
O
δ Η 0.29 ppm
H
H
δ Η 6.91 ppm
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
88°
H
H
H
H
H
cyklopentan
koperta
H
cykoheptan
krzesło
H
H
cyklooktan
korona
łódka
ODDZIAŁYWANIA
TRANSANULARNE
O
OH
OH
H2, Ni
+
O
1,6-cyklodekanodion
OH
OH
Stereochemia związków cyklicznych
R1
R2
R1
R1
R1
R2
R2
cis-(±
±)
trans-(±
±)
σ
R
R
mezo-
R2
Stereochemia związków cyklicznych
σ
R
R
.I
R
R, R1 – achiralne
R
σ
R1
R
R1
R
.I
R
R
σ
R1σ
R1
σ
R
R1
R
R1
R1
R1
R
R
R1
BRAK IZOMERÓW OPTYCZNYCH
w przyrodzie występuje pięć stereoizomerów kwasu truksylowego
kwas 2,4-difenylo-1,3-cyklobutanodikarboksylowy
R
R
R1
Stereochemia związków cyklicznych
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
(±
±)
IZOMERY OPTYCZNE
R
σ
R
R
σ
R
R
R
R
R
R
R
R
σ
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
FORMY MEZO-
R
R
R
R
.IR
R
.I
R
R
R
R
R
w przyrodzie występują inozyty
(cykloheksanoheksaole)
Analiza konformacyjna związków
pierścieniowych – cykloheksanu
odległość C3 i C6 – 0.18 nm < suma promieni van
der Waalsa atomów wodoru 0.24 nm
‘oddziaływania podstawników
w pozycji drążka flagowego’
2
3
1
H
6
3
H
6
2
3
4
1
2
4
ax
6
1,2
5
4
5
1
3,6
eq
4,5
1,2
4,5
3
B
–
–
–
P
–
+
+
S
–
+
–/+
Analiza konformacyjna związków
pierścieniowych – cykloheksanu
Analiza konformacyjna związków
pierścieniowych – cykloheksanu
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
bardziej stabilny
o 1.8 kcal/mol
H
Różnice entalpii swobodnej pomiędzy konformacjami aksjalną i ekwatorialną
monopodstawionych cykloheksanów
podstawnik
różnica entalpii
swobodnej
kJ/mol
Br
2.1
OH
3.3
Me
7.1
Et
7.5
i-Pr
8.8
t-Bu
23.0
Dwupodstawione cykloalkany – izomeria
geometryczna cis/trans
CH3
CH3
H3C
H3C
Właściwości fizyczne cis- i trans-dipodstawionych cyklopentanów
izomer
temp. topnienia
[°°C]
temp. wrzenia
[C°°]*
1,2-dimetylo-
cis
-50.1
130.0760
1,2-dimetylo-
trans
-89.4
123.7760
1,3-dimetylo-
cis
-75.6
120.1760
1,3-dimetylo-
trans
-90.1
123.5760
1,2-dichloro-
cis
- 6.0
93.522
1,2-dichloro-
trans
-7.0
74.716
Dwupodstawione cykloheksany
Konformacje dimetylocykloheksanów
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
H
H
H
H
H
CH3
H3C
H
H
H
H
H
CH3
H
H
cis - izomer
trans - izomer
1,2-dimetylocykloheksan
ax eq lub eq ax
ax ax lub eq eq
1,3-dimetylocykloheksan
ax ax lub eq eq
ax eq lub eq ax
1,4-dimetylocykloheksan
ax eq lub eq ax
ax ax lub eq eq
Pierścienie zawierające układ nienasycony
5
q-ax
q-eq
3
6
q-eq
q-ax
4
BARIERA INWERSJI
22.2 kJ/mol
Br
C
C
Br
Br 2/CCl4
Br
Br
R
C
C
R
X
C
C
X
NAPRĘŻENIA A(1,2)
A(1,2) występują w
1,6-dipodstawionych cykloheksenach
Pierścienie zawierające układ nienasycony
ATAK AKSJALNY
tBu
Nu
tBu
O
+
OH
tBu
+
Nu-H
Nu
OH
E
A
ATAK
EKWATORIALNY
Me
tBu
O
Me
O
Me
ax OH
eq OH
ax OH
eq OH
LiAlH4
90%
25%
LiAlH(tBuO)3
90%
4 – 12%
LiBH(sec-Bu)3
93%
99.8%
Pierścienie zawierające układ nienasycony
atak aksjalny
tBu
Nu
tBu
O
+
OH
tBu
+
Nu-H
Nu
OH
atak ekw atorialny
A
E
Reakcja 4-tert-butylocykloheksanonu z związkami metaloorganicznymi
atak ‘ekwatorialny’
HC≡
≡CNa
12%
CH3Li
65%
CH3MgI
53%
CH3CH2MgI
71%
(CH3)2CHMgBr
82%
(CH3)3CMgCl
100%
Pierścienie zawierające układ nienasycony
R
X
NAPRĘŻENIA A(1,3)
R
R
X
R
A(1,3) występują w 2-podstawionych
metylenocykloheksanach, pochodnych
cykloheksanonów – enaminach,
hydrazonach, itp.
N
NMe2
N
Me
Me
1.i-Pr 2NLi
2. MeI
tBu
NMe2
N
iPr
1.i-Pr 2NLi
2. MeI
eq
O
Me
ax
N
tBu
NaIO4
pH 7
iPr
1.i-Pr 2NLi
2. MeI
Me
Me
Me
N
tBu
Me
Me
iPr
EFEKT ANOMERYCZNY
X
O
O
X
δ−
C
X
δ−
δ−
C
H
X: O-arylo, O-acylo, atom halogenu, itp
δ−
X
δ−
C
C
H
δ−
EFEKT ANOMERYCZNY
6
O
2
O
N
N
3
N
N
δ−
δ−
3
C
3
N
EFEKT ANOMERYCZNY
δ−
6C
N
C
H
δ−
6C
N
H
N
ODWROTNY EFEKT
ANOMERYCZNY
δ−
3
C
δ−
N
δ−
6C
H
+ NH
3
6
C
H
δ−
C
N
+
NH
EFEKT ANOMERYCZNY
O
O
Cl
Cl