Znaczenie odbicia lustrzanego.

Znaczenie Odbicia Lustrzanego
Importance of the mirror image
Grzegorz Mlostoń
Zakład Związków Heteroorganicznych
Uniwersytet Łódzki
PRZYKŁADY CZĄSTECZEK ORGANICZNYCH NIEZBĘDNYCH DLA
PRAWIDŁOWEGO ODBIORU WRAśEŃ WZROKOWYCH
NH2
HO
N
H
O
11-cis-retinal
serotonina
(jeden z podstawowych
neurotransmiterów
w organiźmie ludzkim)
(absorbuje swiatło w procesie patrzenia)
WYBRANE PRZYKŁADY „FINE CHEMICALS”
O
N
N
S
NH
N
OH
N
O
HO
N
*
O
O
O
chiralny
atom
węgla
HO
OH
Sidenafil (Viagra)
Witamina C (kwas askorbinowy)
(brak centrów chiralnych)
(cząsteczka chiralna)
Prawdziwa Nauka to fizyka;
wszystko inne jest tylko zbieraniem
znaczków (pocztowych).
Science is physics; everything else
is postage stamps collecting
.
(Ernest Rutherford)
Lewis Carrol to pseudonim angielskiego pisarza i
matematyka Charla Ludwiga Dodgsona, ur. 27
stycznia 1832 roku.
Jest on szczególnie znany jako autor opowieści ‘Alicja
w krainie czarów’ (Alice’s Adventures in Wonderland;
opublikowanej po raz pierwszy w 1865 r.).
Carrol wymyślił swój pseudonim poprzez
przetłumaczenie swoich imion na Łacinę ‘Cardus
Lodovicus’ i następnie utworzenie angielskiego
równowaŜnika ‘Lewis Carrol’.
Znaczenia odbicia lustrzanego
Lord Kelwin
•Figurę geometryczną lub grupę punktów
określam jako chiralną wtedy, jeŜeli
posiada ona odbicie lustrzane, które nie
moŜe być na nią nałoŜone. Dwie
jednakowe rozmiarami prawe ręce są
podobne homochiralnie. Dwie jednakowe
rozmiarami ręce, prawa i lewa są
podobne heterochiralnie. … KaŜdy obiekt
chiralny i jego odbicie lustrzane wykazują
podobieństwo heterochiralne.
*I call any geometrical figure, or
group of points, chiral, and say that
it has chirality if its image in a plane
mirror, ideally realized, cannot be
brought to coincide with itself. Two
equal and similar right hands are
homochirally similar.
similar.
Definicja chiralności Lorda Kelvina
‘Chiralność’ – grafika szwajcarskiego artysty Hansa Erniego
Motywy roślinne na kolumnach prawosławnej cerkwi w
Zagorsku (Rosja)
Muszla ślimaka Pyramidula pusilla:
odwrócona (z lewej strony) i
normalna (z prawej strony)
Muszla ślimaka Pseudalinda fallax;
odwrócona (z lewej strony) i normalna
(z prawej strony)
L- i D- kwarc
STRUKTURA HELISY α PRZYKŁADOWEGO POLIPEPTYDU.
WIĄZANIA WODOROWE OZNACZONE SĄ LINIĄ PRZERYWANĄ
POLIMER DNA NIE
JEST POJEDYŃCZYM
ŁAŃCUCHEM
(HELISĄ), LECZ
STANOWIĄ GO DWA
ŁAŃCUCHY UŁOśONE
W FORMĘ
PODWÓJNEJ HELISY.
WIELKIE NAZWISKA W HISTORII STEREOCHEMII
Odkrywca
czynności
optycznej
Rozdzielił
enancjomery
Zaproponował
tertaedryczną
strukturę
atomu węgla
Zidentyfikował
16 aldoheksoz
Twórca reguł
nazewnictwa
R/S & Z/E
TETRAEDRYCZNA STRUKTURA CZĄSTECZKI METANU
FORMY ENANCJOMERYCZNE α−AMINOKWASU
Sposoby Przedstawiania Struktur Enancjomerycznych
Projekcja Fischera
System R-, S(Reguły Ingolda Cahna i Preloga)
Preloga)
NATURA JEST HOMOCHIRALNA !
płaszczyzna lustrzana
CHO
H * OH
CH2OH
Aldehyd D-(+)-glicerynowy
CHO
HO *
H
CH2OH
Aldehyd L(-)-glicerynowy
L
Naturalnie Występujące α-Aminokwasy
NaleŜą do Szeregu LLCOOH
H2N
COOH
COOH
H
H2N
H2N
H
H
SH
N
H
(L)-fenyloalanina
(L)-tryptofan
(L)-cysteina
Naturalnie Występujące Węglowodany (Cukry)
NaleŜą do Szeregu DDCHO
H * OH
* H
HO
H *
H
OH
* OH
CHO
H * OH
H * OH
H
* OH
CH2OH
CH2OH
D-(+)-glukoza
D-(-)-ryboza
H3C
CH3
N H
CH3
CH3
CO2CH3
OH
CH3
O
H
H
CH3
Witamina A (brak centrów chiralnych)
CH3 OH
CH3
H
O
Kokaina (4 centra chiralne)
ilość stereoizomerów 24 = 16
O
H
N
H
O
H
O
Testosteron (6 centrów chiralnych)
ilość stereoizomerów 26 = 64)
O
N
H
Barbital (Veronal)
cząsteczka wysoce
symetryczna (brak centrów
chiralnych)
ILE CENTRÓW
CHIRALNYCH
ZAWIERAJĄ
CZĄSTECZKI
PRZEDSTAWIONYCH
ZWIĄZKÓW
?
W ilu
postaciach
występują ?
Pamiętaj –
liczba stereostereoizomerów
= 2n)
Pionier w zakresie
mikrobiologii
W swojej pracy odnoszącej się do
badań chemicznych, dokonał
rozdziału enancjomerycznych
form kwasu winowego. Rozt
Roztwór
kwasu winowego uzyskanego z
osadów po fermentacji wina
skręcał płaszczyznę światła
spolaryzowanego.
Kwas winowy uzyskany na drodze
syntezy nie wykazywał takiej
właściwości.
Louis Pasteur
(27.12.1822 – 28.09.1885)
Kryształy Winianu Sodowo-Amonowego
COO- Na +
H
OH
HO
H
+
- NH
COO
4
Polarymetr
Pomiar Skręcalności
Polarymetr słuŜy do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny światła
spolaryzowanego, które przeszło przez badany roztwór
Światło emitowane ze źródła przechodzi przez polaryzator i następnie,
kąt skręcenia jest mierzony przez drugi polaryzator
Kąt skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego określa tzw.
skręcalność optyczną (optical rotation)
Inwersja
Sacharozy;
Cukier
Inwertowany
Sacharoza (disacharyd nie redukujący)
Inwersja Sacharozy; Cukier Inwertowany
Sacharoza
D-Glukoza
[α]D = +66.5
[α]D = +52.7
D-Fruktoza
[α]D = -92.4
Cukier Inwertowany
Enzymy - Inwertazy
[α]D = -20.5
Mutarotacja Glukozy
Czysta α-D-glukopiranoza – skręcalność właściwa [α]D = 112.2o
Czysta β- D-glukopiranoza – skręcalność właściwa [α]D = 18.7o
Mutarotacja Glukozy
Forma α−
Forma β−
W stanie równowagi roztwór wodny D-glukozy zawiera
35,5% formy α ([α]D = +112.2) i 64,5% formy β ([α]D = +18.7)
i wykazuje skręcalność właściwą [α]D = +52,6
Płaszczyzna aktywna enzymu oddziaływuje
tylko z jednym enancjomerem
Dwa niesławne pestycydy p,p’-DDT and p,p’-DDD są
powaŜnym zagroŜeniem dla środowiska naturalnego
Cl
Cl
H
H
Cl
Cl
CHCl2
CCl3
p,p'-DDD
p,p'-DDT
Cl
Cl
Cl
H
H
*
Cl
CCl3
o,p'-DDT
*
CHCl2
o,p'-DDD
Limonen
(R)
(S)
*
*
H
H
zapach pomarańczy
zapach cytryn
Karwon
O
O
(R)
*
[α](S)
D
*
H
H
smak mięty
smak kminku
Talidomid
O
O
NH
O
(R)
O
O
*
H
NH
*
N
O
deformujący płód (teratogen)
N
H
O
uspokajający
O
(S)
AKTYWNOŚĆ
BIOLOGICZNA
WIELU
ZWIĄZKÓW
ZALEśY OD
KONFIGURACJI
CENTRÓW
CHIRALNOŚCI
O
N
Na Przykład ... Talidomid
O O
Talidomid ma jedno centrum asymetryczne;
występuje w postaci dwóch enancjomerów.
(-)-talidomid
“potencjalny mutagen”
(+)-talidomid
“skuteczny lek”
O
N
H
O
Na Przykład ... Karwon
Karwon posiada jedno centrum asymetryczne,
występuje w postaci dwóch stereoizomerów
(enancjomerów) !
(-)-karwon
„zapach mięty”
(+)-karwon
“zapach kminku”
AMFETAMINA – FORMY ENANCJOMERYCZNE
Związki enancjomeryczne
Bioaktywność
Leki
Amfetamina
Izomer d- jest silnym środkiem
działającym na centralny układ
nerwowy, izomer l- nie wykazuje
takiego działania
Epinetryna
Izomer l- jest 10 razy bardziej
aktywny jako środek rozszerzający
naczynia krwionośne, niŜ izomer d-.
Witaminy
Bioaktywność
Kwas askorbinowy
(witamina C)
Izomer (+) jest skutecznym środkiem
przeciw szkorbutowi; izomer (-) nie
posiada takich właściwości
Insektycydy
Bermetrina
Izomer d- jest o wiele bardziej
toksyczny dla insektów niŜ izomer l.
Diels-Alder
Mukayama aldol
aldehyde allylation
hydrogenation
alkene isomerization
Heck reaction
X
X
P
P
X = OH BINOL
X = PPh2 BINAP
hydrogenation
hydrophosphination
hydroacylation
hydrosilylation
Bayer-Villiger oxidation
MeDuPhos
Ph Ph
alkene reduction
imine reduction
alkene carbometallation
zigler-Natta polymerization
M
Me
Me
O
OH
OH
O
Diels-Alder
aldehyde alkylation
ester alalcoholysis
iodolactonization
Ph Ph
Brintziger's ligand
TADDOLate ligand
O
O
N
N
N
t-Bu
M
t-Bu
O
t-Bu
O
t-Bu
Salen complexes
epoxidation
epoxide ring-opening
Diels-Alder
imine cyanation
conjugate addition
N
t-Bu
Diels-Alder
Mukayama aldol
conjugate addition
cyclopropanation
t-Bu aziridination
Bis(oxazoline)
OMe
N
OH
dihydroxylation
acylation
heterogenous hydrogenation
phase transfer catalysis
N
Cinchonina alkaloid derivatives
POPULARNE
LIGANDY DO
SYNTEZY
ASYMETRYCZNEJ
O
C
H
H
ligand
+
Et2Zn
benzen
OH
HO
Et
Et
(R)-
Ligand :
HO
HO
O
S
O
S
Wyd.
N
(S)-
ee :
Me
Me
50 %
N
H
Pr
H
50 %
i
99 %
97 %
99 %
93 %
95 %
94 %
H
HO
O
S
N
Pr i
Me
HO
O
S
N
H
M. Rachwalski et al. T etr ahedron: Asymmetry 2009, 20, 2311 - 2314
Przykład
Syntezy
Asymetrycznej
W podsumowaniu
•Obiekty chiralne pozostają w relacji przedmiotu oraz jego odbicia
lustrzanego.
•Związki chemiczne wykazujące chiralność występują w postaci
izomerów przestrzennych (stereoizomerów), zwanych izomerami
optycznymi.
•Najczęstszą przyczyną występowania izomerów optycznych jest
obecność węgla asymetrycznego tworzącego centrum stereogeniczne
cząsteczki.
•Izomery optyczne (enancjomery) wykazują te same cechy fizykochemiczne oraz taką samą reaktywność wobec związków achiralnych,
lecz róŜnią się kierunkiem skręcenia płaszczyzny światła
spolaryzowanego [enancjomer (+) lub enancjomer (-)].
•Czystość optyczną (nadmiar enacjomeryczny) związku optycznie
czynnego moŜna ustalić, m. in. na podstawie pomiaru
polarymetrycznego (o ile znana jest wartość [α]D dla czystego
enancjomeru).
•Izomery optyczne (enancjomery) związków biologicznie czynnych
wykazują na ogół zróŜnicowaną aktywność biologiczną.