II. Stereochemia

II. Stereochemia
II. Stereochemia
1) Informacje ogólne
Izomery są to związki, które maja identyczne wzory sumaryczne ale różnią się sposobem lub
kolejnością powiązania atomów lub rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. rozróżnia się
izomerię strukturalną, powszechnie znaną jako konstytucyjną, oraz izomerię przestrzenną
tzw. stereoizomerię
Izomerię konstytucyjną można podzielić na podgrupy
a) izomeria szkieletowa, która polega na różnej budowie szkieletu węglowego cząsteczek
Przykład:
H3C
CH3
jest izomerem
CH3
b) izomeria położenia (położenia podstawnika), w której łańcuch węglowodorowy posiadał
podstawnik położony w różnych miejscach. Tego typu izomeria dotyczy również położenia
wiązania wielokrotnego
Przykład:
CH3
CH3
H3C
CH3
H3C
jest izomerem
CH3
Cl
Cl
CH3
jest izomerem
CH3
c) izomeria funkcjonalna (metameria) - jest to izomeria spowodowana obecnością różnych
grup funkcyjnych
Przykład
H3C
OH
jest izomerem
H3C
O
CH3
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
1
II. Stereochemia
W obrębie tego typu izomerii możemy mieć również do czynienie z tzw. tautomerią, o której
można mówić w sytuacji, gdy związek w stanie równowagi chemicznej występuje w dwóch
odmianach izomerycznych istotnie różniących się strukturą. Zmiany struktury zachodzą w
wyniku migracji najczęściej atomu wodoru z jednego miejsca do drugiego w obrębie jednej
cząsteczki.
Przykład:
Tautomeria keto-enolowa
O
OH
H
H
CH3
C
H
CH3
C
H
H
Tautomeria amido-imidowa
O
H
N
OH
CH3
N
H
CH3
H
Izomeria przestrzenna (stereoizomeria) dotyczy różnego przestrzennego rozmieszczenia
atomów lub grup atomów w cząsteczkach związków o tej samej konstytucji, zatem
stereoizomery to związki o takiej samej budowie konstytucyjnej, ale różniące sie ułożeniem
przestrzennym atomów. Według klasycznego podziału izomerię przestrzenną można podzielić
na podgrupy :
1) izomeria geometryczna - jest to rodzaj izomerii, w przypadku której atomy lub grupy
atomów są różnie położone względem wybranej płaszczyzny (wokół podwójnego wiązania
lub pierścienia cyklicznego.
Przykład:
H
H
Br
H
H
Br
jest stereoizomerem
Br
Br
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
2
II. Stereochemia
2) izomeria optyczna - jest to rodzaj stereoizomerii spowodowany chiralną budową
cząsteczki.
Przykład:
CH3
CH3
Br
H
jest stereoizomerem
C
C
N
Br
N
H
3) izomeria konformacyjna - występowanie cząsteczek izomerycznych (izomerów
konformacyjnych) różniących się przestrzennym rozmieszczeniem atomów lub grup atomów
wynikającym z obrotu wokół wiązań, zwykle pojedynczych wiązań wegiel-wegiel.
Przykład:
H
Br
H
Br
H
Br
H
Br
jest stereoizomerem
H
H
H
H
2) Stereoizomeria
Izomeria cis-trans
Izomer cis to taki związek, w którym atomy lub grupy atomów leżą po tej samej stronie
płaszczyzny odniesienia. Natomiast izomer trans to związek, w którym atomy lub grupy leżą
po przeciwnej stronie płaszczyzny odniesienia. Tego typu izomeria dotyczy głównie
związków cyklicznych lub związków zawierających nienasycone wiązanie (ale nie
terminalne). Ważnym elementem rozpatrywania typu izomerii jest płaszczyzna odniesienia,
względem której rozpatrywane atomu lub grupy atomów leżą. W związkach cyklicznych
płaszczyzna odniesienia jest to ta płaszczyzna, w której leży szkielet pierścienia. W
związkach z podwójnym wiązaniem (C=C, N=N, C=N itp.) płaszczyzna odniesienia
przechodzi przez podwójnie związane atomy i jest prostopadła do płaszczyzny, w której leżą
te atomy oraz atomy bezpośrednio z nimi związane
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
3
II. Stereochemia
H
Br
H
H
OH
OH
Br
H
Uwaga: tego typu terminologię stosuje sie tylko w omawianych powyżej przypadkach.
Wszelkie ich odstępstwa np.: wiązanie podwójne terminalne lub, gdy podwójne wiązanie jest
łącznikiem z pierścieniem, należy stosować terminologię E-Z i określać izomery stosując
regułę pierwszeństwa, którą opisano poniżej.
Reguła pierwszeństwa (reguła Cahna-Ingolda-Preloga (CIP))
Według reguły tej w pierwszym rzędzie rozpatruje się atomy bezpośrednio związane z
centrum stereochemicznym. Ich starszeństwo jest zgodne z uszeregowaniem według
malejącej liczby atomowej (dla różnych izotopów starszeństwo posiada izotop o najwyższej
masie). Wolna para elektronowa jest traktowana jako atom o liczbie atomowej 0. Jeżeli nie
można rozstrzygnąć starszeństwa w oparciu o atomy bezpośrednio związane z centrum należy
rozpatrywać kolejne atomy aż do osiągnięcia różnicowania.
Jeżeli występuje wiązanie wielokrotne na drodze do kolejnych atomów, należy je zastąpić
odpowiednią do jego krotności liczbą wiązań pojedynczych czyli: każdy atom stojący przy
wiązaniu wielokrotnym musi po przekształceniu posiadać odpowiadającą temu wiązaniu ilość
wiązań pojedynczych: C=O jest tożsame z 2 x C-O, a C≡N jest tożsame z 3 x C-N.
Izomeria E-Z
W przypadku izomerii Z-E wzajemne położenie podstawników określa się na podstawie
reguły pierwszeństwa. Przedrostki Z i E (pisane kursywą i w nawiasach, a za nawiasem
umieszczamy łącznik z nazwa związku (E)-) pochodzą od niemieckich słów "Z-zusammen" razem i "E entgegen" - przeciwnie. Na podstawie reguł pierwszeństwa ustalamy atomy lub
podstawniki preferowane i określamy ich względne położenie. Jeżeli oba te podstawniki
znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny odniesienia, stosuje się przedrostek Z, gdy po
przeciwnej stronie - przedrostek E. Jeśli cząsteczka zawiera kilka wiązań podwójnych,
wówczas przedrostki poprzedzają odpowiadające im lokanty (a dokładnie niższy z dwóch
lokantów rozpatrywanego wiązania). przedrostki E i Z wraz z lokantami umieszcza sie na
początku pełnej nazwy związku (kwas (Z)- gdyż izomeria dotyczy łańcucha, a nie kwasowej
grupy, ale (Z)-oksym, gdyż dotyczy ugrupowania oksymowego).
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
4
II. Stereochemia
CH3
H3C
(E)-3,4-dimetyloheks-3-en
H3C
CH3
CH3
H3C
(Z)-3-bromo-4-metyloheks-3-en
H3C
Br
w przypadku izomerii E-Z i cis-trans dopuszcza sie odstępstwa od reguł numeracji, co
skutkuje prawem do niższych lokantów izomerów Z przed E i izomerów cis przed trans, a w
szczególnych wypadkach skutkuje również wyborem jako rdzeń krótszego łańcucha o
izomerii Z nad łańcuchem o izomerii E.
Względna stereochemia w związkach cyklicznych
W związkach cyklicznych ważne jest określenie względnego położenia podstawników w
pierścieniu i w tym celu stosuje sie przedrostki cis i trans. Oba te przedrostki definiują, które
grupy znajdują sie nad płaszczyzną, a które pod płaszczyzną odniesienia. Tego typu opis jest
na tyle klarowny, że nie wprowadza sie terminologii E/Z jednak ważne jest zachowanie
zasady, że każdy z podstawników wraz z atomem wodoru musi zajmować jedną pozycję w
pierścieniu.
Cl
H
H
Cl
trans-1,2-dichlorocyklohekan
W przypadku określania absolutnej stereochemii optycznie czynnych związków cyklicznych
(monocyklicznych) stosuje sie regułę pierwszeństwa i opis przy użyciu przedrostków R i S,
Względna stereochemia może również być opisane według tej metody, ale opis dokonuje się
przy użyciu przedrostków R* i S*.
Ważne: ten typ opisu eliminuje stosowanie przedrostków cis/trans.
Cl
H
H
Cl
(1R*,2R*)-1,2-dichlorocyklohekan
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
5
II. Stereochemia
W związkach cyklicznych dopuszczalne, poza położeniem kilku podstawników w
każdorazowo innym atomie pierścienia, jest połączenie jednego atomu pierścienia z dwoma
różnymi podstawnikami. W takiej sytuacji, by określić względne położenie podstawników
należy wybrać podstawnik odniesienia i wyboru tego dokonuje się według reguły wyboru
grupy głównej (podstawnik o najniższym lokancie wyrażony w nazwie związku w postaci
przyrostka [] lub stosując regułę pierwszeństwa (doboru dokonuje sie w przypadku pary
podstawników posiadających najniższy lokant). Podstawnik odniesienia opisuje sie
przedrostkiem r (reference substituent) z łącznikiem przed numerem odpowiadającemu
położeniu podstawnika w pierścieniu cyklicznym (lokantem). Relacje pozostałych
podstawników względem podstawnika odniesienia określa się jako c (cis) lub t (trans) z
łącznikiem i lokantem podstawnika, którego położenie określamy.
H3C
OH
1,t-3-dimetylocykloheksan-r-1-ol
H
CH3
Chiralność i konfiguracja absolutna
Chiralność– cecha przejawiająca się w tym, że cząsteczka wyjściowa i jej odbicie lustrzane
nie są identyczne i, podobnie jak wszystkie inne obiekty chiralne, nie można ich nałożyć na
siebie np.: poprzez obrót w przestrzeni. Zatem każda cząsteczka asymetryczna jest chiralna, a
substancja składająca się z takich cząsteczek jest optycznie czynna.
Atom asymetryczny - jest to atom, który znajduje sie w centrum chiralności, czyli jest
połączony z czterema różnymi atomami lub grupami atomów i jest usytuowany w środku
chiralnej struktury tetraedru.
W cząsteczce może być więcej niż jedno centrum chiralne, a centra te mogą mieć różną lub
identyczną konstytucję i tę samą lub przeciwną chiralność.
Cząsteczki stanowiące wzajemne odbicie lustrzane nazywamy enancjomerami (np,: aldehyd
(S)- lub (R)-glicerynowy. Enancjomery, których konfiguracja absolutna jest nieznana można
rozróżnić w oparciu o pomiar skręcalności światła, i wówczas opisuje sie je jako lewoskrętne
(-) lub prawoskrętne (+) (nie stosuje sie wtedy oznaczenia d lub l w miejsce (+) i (-).
Stereoizomery, które nie stanowią wzajemnego odbicia nazywamy diastereoizomery. Związki
te mogą być chiralne lub achiralne.
Nazwę związku chiralnego o znanej konfiguracji absolutnej tworzy sie zgodnie z regułami
opisanymi w części "Nomenklatura związków organicznych", a utworzoną nazwę uzupełnia
się o przedrostek R (rectus - prawoskrętny) lub S (sinister - lewoskrętny). lewo lub
prawoskrętność określa się stosujac regułę pierwszeństwa (CIP).
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
6
II. Stereochemia
Określanie konfiguracji absolutnej
po pierwsze należy określić kolejność podstawników zgodnie z regułą pierwszeństwa (CIP)
po drugie tak ustawić model cząsteczki aby oko obserwatora patrzyło na węgiel chiralny a za
nim usytuowany był atom lub grupa atomów o najmniejszej liczbie atomowej spośród
wszystkich analizowanych atomów lub grup atomów powiązanych z chiralnym atomem.
po trzecie nalezy określić konfiguracje R jeśli atomy lub grupy atomów są uszeregowane w
kolejności 1, 2, 3 zgodnie ze wskazówkami zegara, a w kolejności 1, 2, 3 nie zgodnie ze
wskazówkami zegara konfigurację S.
Br
H
1
Br 1
4
H
3
4
2
CH3
NO 2
3
2
CH3
NO 2
Br
1
2
3
CH3
NO 2
S
Br
1
inny stereoizomer
NO 2 2
3
CH3
R
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
7
II. Stereochemia
Wzór stereochemiczny
wiązania rysowane zwykłą kreską leżą w płaszczyźnie kartki, pogrubiony klin oznacza
wiązanie wychodzące przed płaszczyznę, klin kreskowany – za płaszczyznę
CH3
Br
NH2
H
Wzór Fischera
wzór ten jest wzorem projekcji, w której wiązania rysowane w poziomie oznaczają wiązania
wychodzące przed płaszczyznę kartki natomiast wiązania rysowane w pionie – za
płaszczyznę kartki
NH2
NH2
Br
H
CH3
H
Br
CH3
Rysując wzór Fischera należy:
 umieścić łańcuch główny związku w pionie
 u góry wzoru powinien znaleźć się fragment posiadający niższe lokanty łańcucha
głównego związku
 wzorów Fischera nie wolno obracać – może to spowodować zmianę konfiguracji
centrum chiralnego
Konformacje i konformery
Konformerem (lub izomerem konformacyjnym) nazywa sie cząsteczkę w jednym ze
stabilnych konformacji (struktury) charakteryzujących się lokalnym minimum energii
wewnętrznej. Izomeria konformacyjna – obrót wokół wiązania pojedynczego.
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
8
II. Stereochemia
Kąt torsyjny – w układzie czterech atomów a-b-c-d gdzie atomy a i d nie leżą w jednej linii
z atomami b i c, wiązania pomiędzy atomami a i b oraz c i d, zrzutowane na płaszczyznę
prostopadłą do wiązania b-c tworzą kąt, określany mianem kąta torsyjnego
a
d
c
a
d
b
konformacje w projekcji Newmana
H
CH3
H
H
H
H
H
H
CH3
antyperiplanarna (naprzemianległa)
kąt torsyjny ± 180o
CH3 CH
3
H
H
H
H
H
synperiplanarna (naprzeciwległa)
kąt torsyjny 0o
konformacje klinalne:
H
H
H
CH3
H
H
CH3
H
H
CH3
H
antyklinalna kąt torsyjny ± 120o
H
H
CH3
H
H
synklinalna kąt torsyjny ± 60o
Wybór podstawnika odniesienia do określenia konformacji:
- trzy podstawniki identyczne – podstawnikiem odniesienia jest ten o najmniejszym kącie
torsyjnym w stosunku do podstawnika odniesienia przy sąsiadującym atomie,
- dwa podstawniki takie same, trzeci od nich różny – podstawnikiem odniesienia jest ten
trzeci inny od pozostałych niezależnie od jego rodzaju,
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
9
II. Stereochemia
- wszystkie podstawniki różne – wybór podstawnika odniesienia reguluje reguła
pierwszeństwa.
Przykładu zapisów: (2S,3S)-3-hydroksybutylo-2-amina
H2N
H NH 2
CH3
OH
H
H
CH3
H3C
CH3
OH
CH3
H
S
H
NH 2
OH
H
Newman
konikowy
H3C
CH3
H2N
H
S
Fischer
H
OH
CH3
H3C
CH3
H
H
NH 2
OH
Dr inż. Karolina Wieszczycka nomenklatura związków organicznych – materiały dydaktyczne
10