CO_05_W: Stereochemia

CO_05_W: Stereochemia
UWAGA: W tej części kursu „CO_05: Stereochemia” zawarto materiały i przykłady rozszerzające
zagadnienia zawarte w podręcznikach:
1. H. Hart, L. E. Craine, D. J. Hart, Ch. M. Hadad „Chemia organiczna. Krótki kurs”,
Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2008, rozdziały: 1.8-1.9, 2.8-2.11, 3.5, 5 (zakres
podstawowy)
2. J. McMurry „Chemia organiczna”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007, rozdz. 4,
6.5-6.6, 9, 25.2-25.4 (zakres rozszerzony – fragmenty oznaczone gwiazdką: *)
SPIS TREŚCI:
5.
5.1
5.1.1
5.1.2
Izomeria
Rodzaje izomerów
Izomeria konstytucyjna
Stereoizomeria
5.1.2.1
Izomery konformacyjne
5.1.2.2
Izomery konfiguracyjne
5.1.2.2.1
Enancjomery
5.1.2.2.2
Diastereoizomery
5.2
Podsumowanie definicji
5.3
Reguły formalnego ustalania rodzaju izomerii
5.4
Źródła stereoizomerii. Stereoelementy
5.4.1
Związki mezo
5.5
Reguły Cahna-Ingolda-Preloga (CIP)
5.6
Porównanie własności enancjomerów. Określanie czynności optycznej
5.7
Reakcje stereoselektywne i stereospecyficzne
5.8
Prochiralność
5.8.1
Reguły CIP w przypadkach prochiralnych atomów lub prochiralnych fragmentów
cząsteczek. Enancjotopowość
5.8.2
Prochiralność w cząsteczkach chiralnych. Diastereotopowość
-1-
5. Izomeria
Izomeria to wzajemna zależność pomiędzy cząstkami, które mają ten sam wzór sumaryczny, ale nie są
identyczne. Takie cząstki nazywamy izomerami.
5.1
Rodzaje izomerów
Rodzaje izomerów są przedstawione poniżej:
-2-
-3-
Rysunek CO_05_W_A.png
UWAGA: Terminy izomeria optyczna i izomery optyczne są przestarzałe i ich stosowanie jest
obecnie zdecydowanie niepolecane. Również pojęcia izomerii geometrycznej i izomerów
geometrycznych zostały wycofane z użycia i zastąpione przez określenia cis/trans (dla układów
cyklicznych) i E/Z (dla zaznaczenia izomerii podstawników przy wiązaniu podwójnym).
Terminy: izomeria i izomery mogą odnosić się do:
– pojedynczych cząsteczek, które porównujemy (wykorzystując np. modele)
– zbiorów cząsteczek, na przykład próbek substancji
Rozróżnienie pomiędzy tymi dwoma aspektami izomerii jest szczególnie ważne przy rozpatrywaniu
stereoizomerii.
5.1.1 Izomeria konstytucyjna
Izomery konstytucyjne mają ten sam wzór sumaryczny, ale różnią się układem wiązań. Taki sam
skład procentowy cząsteczek nie jest warunkiem wystarczającym wystąpienia izomerii. Na
przykład zarówno eten (C2H4), jak cyklobutan (C4H8) mają ten sam skład (składają się z takiej
samej ilości węgla i wodoru), ale ich wzory sumaryczne są różne.
Różnice w budowie cząsteczek izomerów konstytucyjnych są najłatwiejsze do zauważenia. Ich
właściwości fizyczne i chemiczne są odmienne w stopniu wynikającym z tych różnic. Można
rozpatrzyć to zagadnienie na przykładzie izomerycznych cząsteczek o wzorze sumarycznym
C4H10O. 2-Metylopropan-1-ol i butan-1-ol różnią się niewiele (oba są alkoholami 1°), 2metylopropan-1-ol i 2-metylopropan-2-ol w nieco większym stopniu (różnice w budowie ich
cząsteczek są większe), a wszystkie wymienione alkohole mają własności fizyczne i właściwości
chemiczne odmienne od eteru dietylowego, który należy do innej klasy związków, będąc w
stosunku do wymienionych alkoholi przykładem izomeru funkcyjnego.
Wynikiem różnic we właściwościach izomerów konstytucyjnych jest możliwość łatwego na ogół
rozdziału ich mieszanin na składniki.
Zestawienie niektórych własności fizycznych wymienionych związków zawiera tabela poniżej.
Związek
t. t. [°C]
t. wrz.760 [°C]
ρ25 [g·cm–1]
n D25
Butan-1-ol
–89
118
0,81
1,3974
2-Metylopropan-1-ol
–108
108
0,80
1,3938
2-Metylopropan-2-ol
26
82
0,78
1,3849
Nazwa
-4-
Eter dietylowy
–117
35
0,71
1,3496
Tabela CO_05_W_C
W niektórych prostych przypadkach można opisać izomerię konstytucyjną jako: izomerię
szkieletu węglowego (przykładem jest para związków: butan-1-ol i 2-metylopropan-1-ol) lub
izomerię położenia grupy funkcyjnej (przykładem jest para związków: 2-metylopropan-1-oli2metylopropan-2-ol).
5.1.2 Stereoizomeria
Przyczyną różnic w budowie izomerów o tym samym układzie wiązań jest różne ułożenie
przestrzenne atomów w ich cząsteczkach. Własności fizyczne i właściwości chemiczne
stereoizomerów są na ogół bardziej zbliżone niż izomerów konstytucyjnych.
5.1.2.1 Izomery konformacyjne
W warunkach, w których na ogół rozpatrujemy zachowanie się cząsteczek, większość z nich może
się swobodnie obracać wokół swoich wiązań pojedynczych. Nie oznacza to obrotu całej cząsteczki
w przestrzeni, ale obrót jednej jej części wokół drugiej. W naszych rozważaniach możemy przyjąć,
że różniących się od siebie konformacji danej cząsteczki może istnieć bardzo wiele.
Rysunek CO_05_W_Da.png
Na rysunku powyżej przedstawiono kilka prostych cząsteczek organicznych w różnych
konformacjach. Oczywiście cząsteczka metanu (a) może występować tylko w jednej konformacji,
ale już cząsteczka etanu (b) może przyjmować różne konformacje wskutek obrotu obu grup CH3
względem siebie.
Konformerami nazywamy te konformacje cząsteczki, które odpowiadają jej lokalnemu minimum
energetycznemu. W przypadku butanu (c) tylko struktura III przedstawia konformer będący
konformacją synklinalną cząsteczki butanu. Struktury I i II to konformacje niebędące
konformerami.
-5-
Rotamery to konformery, które można w siebie przeprowadzić przez obrót wokół jednego
wiązania pojedynczego. Dlatego konformery cis-1-chloro-4-metylocykloheksanu (d) nie mogą być
nazwane rotamerami.
Niektórzy autorzy do konformerów zaliczają również struktury powstałe poprzez inwersję
podstawników ułożonych piramidalnie przy atomach trójwiązalnych (na przykład podstawników
przy atomie azotu w aminach). Przykładem jest cząsteczka N-metyloetyloaminy (e).
Zgodnie z definicją konformery mogą w warunkach, w których są rozważane, łatwo w siebie
przechodzić, stąd ich rozdzielenie jest niemożliwe. Dlatego konformery są różnymi ułożeniami
przestrzennymi cząsteczek tego samego związku. Obecność różnych konformerów danego związku
daje się jednak stwierdzić metodami spektroskopowymi, na przykład spektroskopią IR i NMR.
W powszechnym użyciu termin „izomery” nie obejmuje konformerów. Aby zaakcentować, że
mamy na myśli struktury izomeryczne, które mogą w siebie przechodzić w wyniku obrotu lub
obrotów wokół wiązań pojedynczych, musimy używać określenia izomery konformacyjne.
Istnieją również związki, których cząsteczki nie mogą w siebie przechodzić wskutek obrotu
wokół wiązania pojedynczego i mogą być rozdzielone na izomery konfiguracyjne. Przykładem sa
odpowiednio podstawione bifenyle, które mogą być rozdzielone na enancjomery. Takie związki
nazywamy atropoizomerami.
Rysunek CO_05_W_Db.png
Przyczyną zahamowania swobodnej rotacji wokół wiązania pojedynczego w atropoizomerach jest
zbyt duża zawada steryczna (przestrzenna) pomiędzy podstawnikami, w omawianym przypadku
pomiędzy parami podstawników: –NO2 i –COOH lub –COOH i –COOH lub –NO2 i –NO2
5.1.2.2 Izomery konfiguracyjne
Przypomnijmy, że stereoizomery mają ten sam układ wiązań w cząsteczkach, ale różne
przestrzenne ułożenie atomów. Jeżeli izomery w danych warunkach nie mogą w siebie wzajemnie
przechodzić przez obrót lub obroty, ani inwersję podstawników przy atomie trójwiązalnym, to są
izomerami konfiguracyjnymi. Izomery konfiguracyjne dzielimy na dwa rozłączne zbiory:
enancjomery i diastereoizomery.
5.1.2.2.1 Enancjomery
Istnieją cząsteczki, których odbicia lustrzane są na nie nienakładalne. Mówimy, że cząsteczki takie
są chiralne, a parę: cząsteczka i jej odbicie lustrzane nazywamy parą enancjomerów.Można inaczej
powiedzieć, że cząsteczki pary enancjomerów (form enancjomerycznych) są nienakładalnymi
odbiciami lustrzanymi. Słowo „nienakładalnymi” jest bardzo istotne, bo odbicie lustrzane posiada
każda cząsteczka.
-6-
Jeśli porównujemy dwie cząsteczki (np. ich modele), które są odbiciami lustrzanymi, musimy
sprawdzić, czy na pewno nie dają się na siebie nałożyć. W tym celu możemy:
– obracać całe cząsteczki
– zmieniać ich konformacje
Jeżeli cząsteczek nie uda się nałożyć na siebie, to są one enancjomerami.
Rysunek CO_05_W_E.png
Przedstawione na powyższym rysunku odbicia lustrzane cząsteczki 2-bromobutanu (a) nie dają się
na siebie nałożyć i są enancjomeryczne. Podobnie jest w przypadku (b). Żadna zmiana konformacji,
ani obroty całych cząsteczek nie doprowadzą do ich nałożenia – wzory przedstawiają parę
enancjomerów (2R,3R) i (2S,3S) 2,3-dibromobutanu. Symbole R i S oznaczają konfiguracje
absolutne centrów stereogenicznych (patrz Rozdział 5.2).
W przypadku (c) okazuje się, że zmiany konformacji cząsteczek, a następnie obrót jednej z nich
prowadzi do ich nałożenia – odbicie lustrzane cząsteczki (2R,3S)-dibromobutanu jest na nią
nakładalne. Inaczej mówiąc, ta cząsteczka nie jest chiralna i nie posiada enancjomeru.
-7-
Enancjomery w achiralnym otoczeniu (to znaczy takim, w którym zamiana stron: prawej i lewej
nie ma znaczenia dla przebiegu eksperymentu) nie różnią się żadnymi własnościami fizycznymi ani
właściwościami chemicznymi (są nierozróżnialne). Wyjątkiem jest skręcanie płaszczyzny drgań
światła spolaryzowanego: próbki obu enancjomerów o tym samym stężeniu skręcają tę płaszczyznę
w takich samych warunkach (w takim samym rozpuszczalniku, przy tej samej temperaturze i dla tej
samej długości fali) o kąt identycznej wartości, ale o przeciwnym znaku.
Każda cząsteczka próbki enancjomeru jest optycznie czynna i ma swój maleńki udział w wartości
tego skręcenia. Jeśli próbka składa się z jednakowej (równomolowej) ilości cząsteczek pary
enancjomerów, to ich oddziaływania na światło spolaryzowane znoszą się wzajemnie i płaszczyzna
drgań pozostaje niezmieniona – mieszanina taka jest optycznie nieczynna (chociaż składa się z
optycznie czynnych cząsteczek!). Nazywamy ją mieszaniną racemiczną.
5.1.2.2.2 Diastereoizomery
Izomery konfiguracyjne, które nie są enancjomerami, muszą być diastereoizomerami.
Diastereoizomery nie muszą być optycznie czynne (patrz schemat w Rozdziale 5.1) – wystarczy, że
nie są odbiciami lustrzanymi.
5.2
Podsumowanie definicji
Stereoizomery to izomery o tym samym układzie wiązań, różniące się ułożeniem atomów w
przestrzeni.
Izomery konformacyjne (konformery) to stereoizomery, które w danych warunkach mogą
przechodzić w siebie bez zrywania wiązań.
Izomery konfiguracyjne to stereoizomery, które w danych warunkach nie przechodzą w siebie
bez zrywania wiązań.
Enancjomeryto izomery konfiguracyjne stanowiące nienakładalne odbicia lustrzane.
Diastereoizomery to izomery konfiguracyjne inne niż enancjomer.
Związek mezo to achiralny element zbioru izomerów konfiguracyjnych, zawierającego również
elementy chiralne (na przykład achiralny stereoizomer cząsteczki posiadającej dwa centra
stereogenne z identycznymi zestawami podstawników) (patrz Rozdział 5.4.1).
Mieszanina racemiczna to równomolowa mieszanina enancjomerów.
5.3
Reguły formalnego ustalania rodzaju izomerii
Różnice budowy cząsteczek, wyróżniające różne rodzaje izomerów opisane w Rozdziale 5.1 pozwalają
na ułożenie algorytmu, który pozwala ustalić, z jakimi izomerami mamy do czynienia w konkretnym
przypadku. Wykorzystamy do rozważań następujące pary cząsteczek: (para A), (2R,3S)-2,3dibromobutanu (dwa różne konformery B), (2R,3R)-2,3-dibromobutanu i 2,2-dibromobutanu (para C),
(2R,3S)-2,3-dibromobutanu (dwie identyczne cząsteczki D) oraz (2R,3R)- i (2S,3S)-2,3-dibromobutanu
(para E).
Dwie cząsteczki mogą po prostu być identyczne (para D). Wystarczy dowolną z cząsteczek (2R,3S)2,3-dibromobutanu z pary D obrócić o 180° wokół osi z, aby możliwe była jej nałożenie na drugą
cząsteczkę.
Najłatwiej jest chyba zauważyć izomerię konstytucyjną, wynikającą z różnego układu wiązań (to
znaczy sposobu połączenia atomów z uwzględnieniem krotności wiązań chemicznych) w
porównywanych cząsteczkach (para C). W cząsteczce (2R,3R)-2,3-dibromobutanu atomy bromu znajdują
się przy sąsiednich (czyli wicynalnych) atomach węgla, podczas gdy w cząsteczce 2,2-dibromobutanu –
przy jednym i tym samym atomie węgla (czyli są położone geminalnie).
Jeżeli cząsteczki o identycznym układzie wiązań nie są identyczne (nie wystarczą obroty całych
cząsteczek, aby nałożyć je na siebie), to ciągle mogą być konformerami cząsteczek jednego związku (para
-8-
B). Aby je nałożyć, wystarczy w każdej cząsteczce z pary B dokonać obrotu podstawników przy atomie
węgla C2 względem podstawników przy atomie węgla C3 (obrotu wokół wiązania pojedynczego C2–C3),
na przykład tak, aby w każdej z cząsteczek grupy CH3 przy obu atomach węgla C2 i C3 były skierowane
na dół. Wystarczy następnie obrócić w całości jedną z cząsteczeko 180° wokół osi z, aby nałożyć obie
cząsteczki na siebie.
Rysunek CO_05_W_Fa.png
Jeżeli porównywane cząsteczki stereoizomerów: nie są konformerami, to znaczy że są izomerami
konfiguracyjnymi. Można łatwo ustalić, czy są to enancjomery czy diastereoizomery. Bardzo ważne jest,
aby sprawdzić, czy na pewno:
-9-
– w żadnej konformacji
– i w żadnym ułożeniu przestrzennym
cząsteczek nie daje się nałożyć na siebie!
Jeżeli po takim sprawdzeniu okaże się, że para cząsteczek jest parą wzajemnych nienakładalnych
odbić lustrzanych to jest to para enancjomerów (para E). Jeżeli zaś cząsteczki nie dają się ułożyć tak, żeby
stanowiły odbicia lustrzane, pozostaje wniosek, że jest to para diastereoizomerów (para A). Izomery
konfiguracyjne, które nie sąenancjomerami, muszą być diastereoizomerami.
Można zauważyć, że obecność w cząsteczce niewłaściwej (refleksyjnej, lustrzanej) osi obrotu,
−
−
wliczając w to środek symetrii i≡ S1 ≡ 1 oraz płaszczyznę symetrii σ ≡ S2≡ 2 wyklucza jej chiralność
(wyklucza istnienie enancjomerów). Jeśli zaś cząsteczka posiada jedynie właściwe osi symetrii, wliczając
w to operację tożsamościową E≡ 1, to cząsteczka taka jest chiralna (posiada enancjomer). Widać tu
możliwość powiązania informacji wyniesionych z kursu Krystalografia z kursem Chemia organiczna!
Wskazówki:
Podczas poszukiwania płaszczyzny symetrii w cząsteczce należy posługiwać się uśrednioną
konformacją cząsteczki:przykładowo należy rozważać płaskie pierścienie cykloheksanu, mimo że w
rzeczywistości przyjmują one konformacje krzesłowe.
Wystarczy, aby tylko jedna konformacja cząsteczki była achiralna, żeby cząsteczka była achiralna.
Jeśli żadna z konformacji cząsteczek łańcuchowych lub uśrednionych konformacji cząsteczek
pierścieniowych nie posiada środka lub płaszczyzny symetrii, to cząsteczka jest chiralna. Chiralność może
być powodowana obecnością odpowiedniego stereoelementu w cząsteczce. Zwykle jest to atom węgla
stereogeniczny lub więcej takich atomów.
Uwaga: Może się zdarzyć, że cząsteczka posiada więcej niż jeden atom, stanowiący centrum
chiralności, ale jest achiralna! Jest to cząsteczka związku mezo (patrz Rozdział 5.4.1).
5.4
Źródła stereoizomerii. Stereoelementy
Na ogół w cząsteczce daje się rozpoznać elementy (stereoelementy), które powodują, że może mieć
ona stereoizomery. W chemii organicznej w większości przypadków może to być:
– odpowiednio podstawione wiązanie podwójne, prowadzące do istnienia diastereizomerów E/Z
– atom z takim zestawem podstawników, że wzajemna zamiana dwóch z nich prowadzi do
powstania stereoizomerów
– łańcuch czterech atomów (lub sztywnych grup), taki że obrót wokół centralnego wiązania,
połączona ze znakiem kąta torsyjnego w obrębie tych czterech atomów (lub grup) prowadzi do
innego stereoizomeru
Zostaną teraz omówione wymienione poniżej stereoelementy:
Jeśli podstawniki przy obu końcach wiązania podwójnego są parami różne, to możliwe jest istnienie
diastereoizomerów E/Z. Przykładami są cząsteczki (Z)-but-2-enu i (E)-but-2-enu (patrz Schemat w
Rozdziale 5.1). Atomy połączone wiązaniem podwójnym najczęściej są atomami węgla lub azotu. W
przypadku atomów azotu podstawnikiem może być jego wolna para elektronowa. Ponieważ wiązanie
podwójne ze swoim czterema podstawnikami leży na jednej płaszczyźnie, cząsteczki posiadające tylko
(jeden lub więcej) stereoelement tego typu są achiralne. Przykłady diastereoizomerów E/Z są
przedstawione poniżej:
- 10 -
Rysunek CO_05_W_Fb.png
Zagadnienie diastereoizomerii E/Z zostało bardziej szczegółowo opisane w Paczce CO_03: Alkeny i
dieny. Substytucja elektrofilowa i rodnikowa.
Innym przykładem stereoelementu jest atom z takim zestawem podstawników, że wzajemna
zamiana dwóch z nich prowadzi do powstania stereoizomerów. Jeśli jest to atom węgla (lub innego
pierwiastka, na przykład azotu) o niepłaskiej hybrydyzacji – na przykład sp3 (tetragonalnej) z
czterema różnymi podstawnikami, zamiana taka prowadzi do powstania enancjomeru (patrz
przykłady na schemacie w Rozdziale 5.1 i przykład (a) na rysunku w Rozdziale 5.1.2.2.1). Jednym
z podstawników może być wolna para elektronowa, jeżeli inwersja tej pary jest zahamowana.
Przykłady par enancjomerów są przedstawione poniżej:
Rysunek CO_05_W_Fc.png
- 11 -
Nawet tak mała różnica, jak pomiędzy atomami wodoru (H) i deuteru (D) w cząsteczkach (R)- i (S)-butan1-olu deuterowanych na atomie węgla C1 wystarczy, aby wykazywały one czynność optyczną.
UWAGA: Na ogół w cząsteczkach amin wolna para elektronowa azotu ulega zbyt szybkiej inwersji,
aby umożliwić istnienie enancjomerów.
Zamiana pary podstawników przy atomie nie musi prowadzić do powstania enancjomeru. Przykładami są diastereoizomery
PCl2F3 oraz cis- i trans-diaminadichloroplatyna(II):
Rysunek CO_05_W_Fd.png
Ostatnim stereoelementem, który zostanie omówiony, jest łańcuch czterech atomów (lub
sztywnych grup), taki że obrót wokół centralnego wiązania, połączony ze znakiem kąta torsyjnego
w obrębie tych czterech atomów (lub grup) prowadzi do innego stereoizomeru.
Stereoelement taki występuje w cząsteczce odpowiednio podstawionego bifenylu (Rozdział
5.1.2.1).
5.4.1 Związki mezo
Definicja IUPAC mówi, że: związek mezo stanowi achiralny element zestawu izomerów
konfiguracyjnych danego związku; zestaw ten musi zawierać również chiralne izomery
konfiguracyjne (jedną lub więcej par enancjomerów).
Najczęściej związek mezo zawiera dwa lub więcej atomów węgla stanowiących centra
chiralności. W przypadku obecności dwóch atomów węgla stanowiących centra chiralności w
cząsteczce związku mezozestawy podstawników przy tych atomach węgla muszą być identyczne.
Cząsteczka związku mezo posiada płaszczyznę symetrii, więc nie może być chiralna. Związek mezo
oczywiście nie jest aktywny optycznie i nie posiada enancjomeru!
Jednym z najprostszych przykładów związku mezo jest (2R,3S)-2,3-dichlorobutan (patrz rysunki
w Rozdziałach 5.1.2.2.1 i 5.3). Można go również nazwać mezo-2,3-dichlorobutanem.
Związkami mezo są również cis-1,2- oraz cis-1,3-dipodstawione cykloheksany (jeżeli
podstawniki są identyczne). Mają one konfiguracje R,S centrów stereogenicznych. Jest to ogólna
reguła! Ich diastereoizomery trans są chiralne, więc występują w postaci par enancjomerów o
konfiguracjach R,R i S,S. Natomiast wszystkie 1,4-dipodstawione cykloheksany (z jednakowymi
podstawnikami, z różnymi podstawnikami, cis lub trans) – nie posiadają w ogóle centrów
stereogenicznych! Para cis/trans stanowi w tym przypadku parę achiralnych diastereoizomerów.
Istnienie związku (związków) mezo w zbiorze izomerów konfiguracyjnych cząsteczki o n
centrach stereogenicznych obniża maksymalną możliwą liczbę izomerów konfiguracyjnych (równą
2n). W przypadku 2 niezależnych centrów stereogenicznych możliwe jest istnienie 4 izomerów
konfiguracyjnych.
- 12 -
W cząsteczce 2,3-dichlorobutanu centra stereogeniczne są jednak równocenne chemicznie: zestawy
podstawników przy każdym z nich są identyczne. Istnieje taka kombinacja konfiguracji centrów
stereogenicznych, która daje achiralną cząsteczkę (zamiast pary enancjomerów). Ostatecznie
istnieją tylko 3 izomery konfiguracyjne 2,3-dichlorobutanu o konfiguracjach centrów
stereogenicznych: 2R,3R i 2S,3S (para enancjomerów) oraz 2R,3S(równoważne 2S,3R),
czylizwiązek mezo.
5.5
Reguły Cahna-Ingolda-Preloga (CIP)
Reguły Cahna-Ingolda-Preloga (CIP) pozwalają uporządkować podstawniki zgodnie z malejącą
ważnością (priorytetem). Jest to potrzebne wtedy, kiedy chcemy określić konfigurację absolutną
E/Z wokół wiązania podwójnego lub R/S wokół centrum chiralności (centrum stereogenicznego). W
odniesieniu do konfiguracji wiązania podwójnego zostało to omówione w Paczce_03: Alkeny i
dieny. Addycja elektrofilowa i rodnikowa.
W przypadku centrum chiralności porównujemy kolejno napotkane w poszczególnych
podstawnikach atomy. Podstawowe reguły CIP przedstawiają się następująco:
1. Pierwszeństwo posiada atom, który ma większą liczbę atomową (nie masę atomową!):
C jest przed H, Cl jest przed O, Br jest przed Cl, itd.
2. Jeżeli porównujemy różne izotopy danego pierwiastka, pierwszeństwo ma ten o większej
masie atomowej:
D (deuter) jest przed H (protem), 13C jest przed 12C, itd.
3. Jeżeli atomy w pierwszej kolejności (I sferze koordynacyjnej – oznaczonej pomarańczowymi
kółkami na rysunku poniżej po lewej stronie) są identyczne, należy przesunąć się do II sfery
koordynacyjnej (sfery otoczone na zielono po lewej stronie rysunku) i porównać zestawy
atomów. W razie potrzeby postępuje się tak do momentu, w którym zestawy atomów stają się
różne.
Poniżej przedstawiono sposób określenia konfiguracji (R)-2-bromobutanu:
Rysunek CO_05_W_G.png
Ostateczna kolejność podstawników jest następująca: Br > C2H5> CH3> H. Najmniej ważny
podstawnik (w omawianym przypadku atom wodoru H) umieszczamy z tyłu rysunku i
obserwujemy, czy od podstawnika najważniejszego (Br) do drugiego (C2H5) i trzeciego (CH3)
poruszamy się zgodnie, czy niezgodnie z ruchem wskazówek zegara. W naszym przypadku
poruszamy się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, więc konfiguracja omawianej cząsteczki jest
R.
- 13 -
UWAGA: wolna para elektronowa ma zawsze najniższy możliwy priorytet (Patrz przykłady w
Rozdziale 5.4).
4. Wiązania wielokrotne rozpisuje się tak, jak gdyby pękły (pozostawiając wiązanie
pojedyncze), a na ich końcach pojawiły się atomy, z którymi były połączone (są to atomy
wirtualne, zapisywane w nawiasach). Ilustrują to podane poniżej przykłady:
Rysunek CO_05_W_H.png
Atomy w nawiasach (wirtualne) mają tę cechę, że nie odchodzą od nich żadne dalsze wiązania.
5.6
Porównanie własności enancjomerów. Określanie czynności optycznej
Enancjomery mają identyczne właściwości achiralne, takie jak: temperatura topnienia, temperatura
wrzenia lub gęstość.Uwaga: Własności mieszaniny racemicznej są odmienne od własności pojedynczego
enancjomeru. Dotyczy to na przykład temperatury topnienia.
Enancjomery zachowują się identycznie w achiralnym otoczeniu, na przykład mają tę samą
rozpuszczalność w optycznie nieczynnym rozpuszczalniku. Dają identyczne widma IR, NMR, UV-Vis i
MS. Ulegają też reakcji z achiralnymi cząsteczkami z jednakową szybkością.
Enancjomery zachowują się odmiennie w otoczeniu chiralnym, na przykład znaki skręcalności
właściwej enancjomerów są przeciwne (chociaż bezwzględne wartości skręcalności właściwej są
identyczne dla obu enancjomerów).
W naszym otoczeniu znajdziemy jednak bardzo liczne układy, które są chiralne: są to na
przykład wszelkie organizmy żywe. W takich warunkach właściwości enancjomerów są różne,
nawet do tego stopnia, że mogą różnić się na przykład zapachem: (S)-(+)-karwon ma zapach
kminku, a (R)-(–)-karwon – mięty, lub działaniem farmakologicznym: (S)-warfaryna działa 5krotnie silniej przeciwzakrzepowo od (R)-warfaryny. Symbole (+) lub (–), czasami umieszczane w
nazwach enancjomerów, oznaczają znak skręcania kąta płaszczyzny światła spolaryzowanego przez
ich roztwory. W warunkach chiralnych enancjomery dają się rozdzielić.
Skręcalność właściwą [α] danego związku czynnego optycznie podaje się na ogół dla
określonych warunków: określonego stężenia związku w określonym rozpuszczalniku, oraz
temperatury pomiaru i długości faliλ światła spolaryzowanego. Na ogół wartości skręcalności
właściwej podaje się dla temperatury pokojowej oraz dla długości fali D sodu (589,3 nm). Warunki
20
pomiaru zaznacza się przy symbolu skręcalności właściwej, np.: [α ]D .
Skręcalność właściwa jest liczbą bezwymiarową (nie kątem!), określoną wzorem:
- 14 -
[α ]tλ =
α
c⋅l
gdzie:
α – wartość skręcalności próbki w °,
t– temperatura pomiaru w °C
λ – długość fali światła spolaryzowanego w nm
c – stężenie związku w g/cm3 (uwaga: nietypowa jednostka!),
l– długość rurki polarymetrycznej w dm (uwaga: nietypowa jednostka!).
Skręcalność właściwa danego związku zależy od temperatury, rozpuszczalnika i stężenia roztworu
(podanego na ogół w g/100cm3 – jednostka inna niż we wzorze!).
Uwaga: ściśle rzecz ujmując linia D sodu składa się z dwóch linii (dublet sodowy), leżących blisko siebie (o
długościach emitowanych fal: 589,592 nm oraz 588,995 nm). Długości tych fal odpowiadają energiom przejść
elektronowych pomiędzy termami wzbudzonymi atomów sodu 2P3/2 i 2P1/2 a termem podstawowym 2S1/2.
5.7
Reakcje stereoselektywne i stereospecyficzne
UWAGA: Rozdział niniejszy stanowi przypomnienie zagadnień, omówionych w Paczce _03: Alkeny i dieny. Addycja
elektrofilowa i rodnikowa
Spójrzmy na poniższy rysunek, przedstawiający trzy proste reakcje chemiczne: reakcję A, reakcję B
i reakcję C:
- 15 -
Rysunek CO_05_W_I.png
W reakcji A – addycji HCl do but-2-enu (niezależnie od konfiguracji wiązania podwójnego), jest
generowane centrum stereogeniczne. Mogą więc powstać dwa enancjomeryczne produkty: (R)-2bromobutan i (S)-2-bromobutan.
Pierwszym etapem reakcji jest przyłączenie protonu do wiązania podwójnego cząsteczki
substratu z utworzeniem karbokationu przy atomie węgla C2 (lub C3). Wiązanie, które było
podwójne w cząsteczce substratu jest teraz wiązaniem pojedynczym, dlatego nie ma znaczenia, czy
reakcji poddano izomer E czy Z alkenu.
Jon bromkowy Br– może przyłączyć się do atomu węgla karbokationu (o hybrydyzacji sp2) od
dowolnej strony z jednakowym prawdopodobieństwem, bowiem karbokation ma płaszczyznę
symetrii.
W efekcie powstaje równomolowa mieszanina enancjomerów produktu czyli mieszanina
racemiczna. Jest to przykład ogólnej reguły, która mówi, że z optycznie nieczynnych substratów
pod wpływem optycznie nieczynnych reagentów w achiralnym środowisku musi powstać optycznie
- 16 -
nieczynny produkt. Ponieważ mieszanina racemiczna zawiera taką samą liczbę cząsteczek każdego
z enancjomerów, więc jest optycznie nieczynna.
Warto zauważyć, że omawiana reakcja nie jest ani stereoselektywna (powstają w niej wszystkie
możliwe izomery konfiguracyjne produktu w jednakowych ilościach), ani stereospecyficzna (jej
wynik nie zależy od konfiguracji substratu).
W reakcji B aldol, powstały w procesie kondensacji aldehydu benzoesowego oraz octanu etylu w
środowisku zasadowym, ulega w warunkach kwaśnych dehydratacji do cynamonianu etylu.
Mechanizm reakcji (E1cA) dopuszcza powstanie wiązania podwójnego zarówno o konfiguracji E,
jak i konfiguracji Z. Efekty steryczne powodują jednak, że powstaje wyłącznie produkt o
konfiguracji E.
Omawiana reakcja jeststereoselektywna (powstaje w niej mniejsza niż maksymalnie możliwa
liczba izomerów konfiguracyjnych), ale nie jest stereospecyficzna (jej wynik nie zależy od
konfiguracji substratu). Z obydwu enancjomerów, wchodzących w skład aldolu, który jest
mieszaniną racemiczną, powstaje ten sam izomer E związku α,β-nienasyconego.
Innym przykładem jest reakcja Wittiga: substraty nie posiadają izomerów konfiguracyjnych, ale
powstają z nich, w zależności od podstawników: albo w przewadze alken o konfiguracji E, albo w
przewadze alken o konfiguracji Z.
Stereoselektywność reakcji nie musi być całkowita i wyrażany ją wtedy w %.
Wreszcie reakcja C, czyli przyłączenie bromu do cynamonianu metylu (o konfiguracji E) daje
wyłącznie mieszaninę racemiczną produktów o konfiguracji 2R,3S i 2S,3R – pozostałe możliwe
stereoizomery produktu o konfiguracji 2R,3R i 2S,3S nie powstają.
Przyłączenie bromu do (Z)-cynamonianu metylu (może on być otrzymany w reakcji innej niż
reakcja B) daje wyłącznie mieszaninę racemiczną produktów o konfiguracji 2R,3R i 2S,3S –
pozostałe możliwe stereoizomery produktu o konfiguracji 2R,3S i 2S,3R nie powstają [Wilson, M.
A. Tetrahedron Lett. 1975, 16, 1037-1040]. Reakcja ta jest zarówno stereoselektywna, jak i
stereospecyficzna.
Podsumowując:
Reakcja stereoselektywna to reakcja, w której następuje przewaga w tworzeniu się jednego
stereoizomeru produktu (lub części stereoizomerów produktu) nad innymi jego stereoizomerami.
Reakcja stereospecyficzna to reakcja w której substraty różniące się jedynie konfiguracją dają
produkty, które są stereoizomerami.
Reakcja stereospecyficzna musi być stereoselektywna, ale reakcja stereoselektywna nie musi być
stereospecyficzna.
Problem stereospecyficzności i stereoselektywności reakcji został bardziej szczegółowo opisany
i wyjaśniony w Paczce 03: alkeny i dieny. Substytucja elektrofilowa i rodnikowa.
5.8
Prochiralność
W Rozdziale 5.6 opisano różnice we właściwościach enancjomerów. W wielu przypadkach,
szczególnie organizmów żywych, mogą one być znaczące. Jak pokazano w Rozdziale 5.7, możliwe
jest generowanie centrum stereogenicznego lub centrów stereogenicznych w trakcie pojedynczej
reakcji chemicznej z odpowiedniego substratu.
- 17 -
Jeżeli w takiej reakcji mogą powstawać chiralne cząsteczki produktu z substratu o cząsteczkach
achiralnych, to substrat taki nazywamy prochiralnym. Przykładem może być elektrofilowe
przyłączenie HBr do cząsteczki but-1-enu lub wolnorodnikowe bromowanie butanu:
Rysunek CO_05_W_J.png
W przypadku obydwu reakcji z achiralnych cząsteczek (but-1-enu lub butanu) powstają chiralne
cząsteczki 2-bromobutanu. Obie omawiane reakcje są niestereoselektywne, więc produkt jest
mieszaniną racemiczną.
W poprzednim akapicie omówiono pojęcie prochiralności w odniesieniu do cząsteczek. Pojęcie
prochiralności możemy również odnieść do niektórych podstawników lub fragmentów cząsteczek.
Centrum stereogeniczne może być zasadniczo generowane na dwóch drogach:
1. Przez substytucję jednego z czterech podstawników przy atomie o hybrydyzacji sp3 innym
podstawnikiem, w wyniku czego atom ma po tej wymianie zestaw czterech różnych
podstawników (w omawianym przykładzie zamiana Cabc2 → Cabcd). W przykładzie
podanym na rysunku jeden z atomów wodoru grupy CH2 cząsteczki butanu zostaje w reakcji
bromowania wolnorodnikowego zastąpiony atomem bromu, w wyniku czego zestaw
podstawników przy tym atomie węgla zmienia się z: (C2H5, CH3, H, H) na (C2H5, CH3, H,
Br). Taki atom (a nie identyczne przed wymianą atomy lub grupy przy nim!) również
nazywamy prochiralnym. Jest on centrum prochiralności.
2. Przez addycję podstawnika do atomu o hybrydyzacji sp2 z trzema różnymi podstawnikami, w
wyniku czego ma on po tym przyłączeniu zestaw zestaw czterech różnych podstawników (w
omawianym przykładzie zamiana Cabc → Cabcd). W przykładzie podanym na rysunku do
atomu węgla C2 but-1-enu zostaje w reakcji bromowodorowania elektrofilowego
przyłączony atom bromu, w wyniku czego zestaw podstawników przy tym atomie węgla
zmienia się z: (C2H5, CH2, H) na (C2H5, CH3, H, Br). Taki atom węgla również nazywamy
prochiralnym.
UWAGA: Ściśle rzecz biorąc prochiralny jest cały fragment cząsteczki Cabc złożony z trygonalnego atomu
węgla o hybrydyzacji sp2 razem z podstawnikami.
5.8.1 Reguły CIP w przypadkach prochiralnych atomów lub prochiralnych
fragmentów cząsteczek. Enancjotopowość
Zastąpienie jednego z dwóch atomów wodoru przy atomie węgla C2 cząsteczki butanu atomem
bromu prowadzi do powstania jednego z dwóch enancjomerów 2-bromobutanu (w takim przypadku
mówimy, że te atomy wodoru są enancjotopowe).
Można je odróżnić, nadając jednemu z nich, powiedzmy Hb, priorytet przed Ha. Kolejność
podstawników została zmieniona z: C2H5 > CH3 > H = H na: C2H5 > CH3 > Hb > Ha i powstała
cząsteczka o konfiguracji R, więc atom Hb jest pro-R. Jeżeli zaś nadamy atomowi wodoru Ha
priorytet względem Hb, to kolejność podstawników będzie się przedstawiać następująco: C2H5 >
CH3 > Ha > Hb. Powstanie cząsteczka o konfiguracji S, więc atom Ha jest pro-S.
- 18 -
Rysunek CO_05_W_K.png
Podobnie postępujemy z każdą parą identycznych podstawników przy prochiralnym tetragonalnym
atomie o hybrydyzacji sp3.
Jeszcze prostsza jest sprawa opisania prochiralnego fragmentu cząsteczki but-1-enu. Przy atomie
węgla C2, do którego przyłącza się atom bromu znajdują się trzy podstawniki: grupa CH2 związana
podwójnym wiązaniem, grupa C2H5 i atom wodoru. Ich kolejność, zgodnie z regułami CIP jest
następująca: =CH2 > C2H5 > H. Strona cząsteczki, po której układają się one zgodnie z ruchem
wskazówek zegara to strona (lico) Re cząsteczki, a strona przeciwna to strona (lico) Si.
Rysunek CO_05_W_L.png
Ponieważ w wyniku reakcji przyłączenia HBr do but-2-enu powstają enancjomery 2-bromubutanu,
więc lica Re i Si są enancjotopowe.
Nie należy sądzić, że po reakcji w której wymianie uległ atom pro-R albo przyłączenie nastąpiło
od strony Re cząsteczki musi powstać centrum stereogeniczne o konfiguracji R i na odwrót, że po
wymianie atomu pro-S albo przyłączeniu od strony Si cząsteczki musi powstać centrum
stereogeniczne o konfiguracji S. Konfiguracja powstającego centrum stereogenicznego wynika z
kolejności podstawników przy nim po reakcji, a ta kolejność zależy od tego gdzie (w sensie
ważności określanej regułami CIP) pomiędzy pozostałymi podstawnikami znajdzie się podstawnik,
który pojawił się w wyniku substytucji lub addycji. W omawianych przypadkach substytucja atomu
wodoru Hb (pro-R) atomem Br prowadzi do (R)-2-bromobutanu, ale przyłączenie atomu bromu od
strony Re cząsteczki alkenu prowadzi do (S)-2-bromobutanu:
- 19 -
Rysunek CO_05_W_M.png
Konfigurację powstającego centrum stereogenicznego należy zawsze sprawdzić.
5.8.2 Prochiralność w cząsteczkach chiralnych. Diastereotopowość
Jak powiedziano w Rozdziale 5.8.1 pojęcie prochiralności można odnieść do atomu tetragonalnego
o hybrydyzacji sp3 lub trygonalnego o hybrydyzacji sp2. Tak rozumiana prochiralność nie wyklucza
chiralności całej cząsteczki.
Jeśli reakcję elektrofilowego przyłączenia HBr, omawianą w Rozdziałach 5.8 i 5.8.1,
poprowadzimy na chiralnych cząsteczkach, na przykład 4-metyloheks-1-enu:
Rysunek CO_05_W_N.png
to otrzymamy 2-bromo-4-metyloheksan, którego cząsteczki zawierają dwa centra stereogeniczne.
Wybierzmy do reakcji cząsteczkę 4-metyloheks-1-enu o konfiguracji R. Przyłączenie atomu bromu
od lica Re cząsteczki doprowadzi do powstania cząsteczki (2S,4R)-2-bromo-4-metyloheksanu, a od
strony Si – cząsteczki (2S,4R)-2-bromo-4-metyloheksanu. Analogicznie z (S)-4-metyloheks-1-enu
może powstać (2S,4S)- lub (2R,4S)-2-bromo-4-metyloheksan:
- 20 -
Rysunek CO_05_W_O.png
W reakcji dowolnego enancjomeru 4-metyloheks-1-enu mogą powstać dwa diastereoizomery
2-bromo-4-metyloheksanu. Strony Re i Si w cząsteczce 4-metyloheks-1-enu są diastereotopowe
(podobnie jak atomy wodoru każdej z grup CH2 tej cząsteczki).
Pozostaje odpowiedzieć na pytanie, czy w reakcji przyłączenia HBr do 4-metyloheks-1-enu
diastereoizomery 2-bromo-4-metyloheksanu tworzą się w równych czy różnych ilościach.
Prawdopodobieństwo przyłączenia się jonu bromkowego do powstającego z 4-metyloheks-1-enu
karbokationu nie jest jednakowe od strony Re i od strony Si. Ilość diastereoizomerów produktu, w
których atom bromu znajduje się od przeciwnej strony niż grupa metylowa będzie inna niż tych, w
których znajdują się one po tej samej stronie.
Reakcja ta jest całkowicie diastereoselektywna (ponieważ z dowolnego enancjomeru 4metyloheks-1-enu powstają tylko dwa z czterech możliwych diastereoizomerów 2-bromo-4metyloheksanu) i całkowicie diastereospecyficzna (ponieważ z alkenu o konfiguracji cząsteczek R
powstają wyłącznie cząsteczki o konfiguracji 2R,4R i 2S,4R, a z alkenu o konfiguracji cząsteczek S
powstają wyłącznie cząsteczki o konfiguracji 2R,4S i 2S,4S), ale tylko częściowo
enancjoselektywna i częściowo enancjospecyficzna (jedna z par enancjomerów powstaje w
przewadze, ale nie jest to przewaga 100%, a konfiguracja cząsteczek enancjomerów zależy od
konfiguracji cząsteczek wyjściowego alkenu). Wpływ konfiguracji istniejącego w cząsteczce
substratu centrum stereogenicznego na konfigurację nowopowstającego centrum stereogenicznego
w cząsteczce produktu nazywamy indukcją asymetryczną.
- 21 -
Problem stereospecyficzności i stereoselektywności reakcji został bardziej szczegółowo opisany
i wyjaśniony w Paczce 03: alkeny i dieny. Substytucja elektrofilowa i rodnikowa.
Kraków, 5 grudnia 2011
Dr Bartosz Trzewik
- 22 -