x bella x AA

STEREOCHEMIA
ORGANICZNA
Sławomir Jarosz
Wykład 3
Konfiguracja względna
Ułożenie grup (atomów) względem siebie
cis
trans
Konfiguracja absolutna
Bezwzględne ułożenie atomów w przestrzeni
trans
trans
cis
W jaki sposób wyznaczyć
konfigurację absolutną cząsteczki
Jakimi metodami można określić bezwzględne
ułożenie atomów w przestrzeni
W roku 1874 van’t Hoff i Le Bell stwierdzili, że modele A oraz B są na
siebie nienakładalne; jeden skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego
w lewo a drugi w prawo o ten sam kąt.
a
b
B
c
d
a
c
Ale: który
jest który ????
b
d
A
Są dwie możliwości oznaczania
konfiguracji absolutnej
1. Obliczenia kwantowo - mechaniczne
W roku 1934 udało się W. Kuhnowi skorelować polaryzowalność
wiązania ze skręcalnością optyczną
Trudności obliczeniowe jednak spowodowały, że dopiero w roku
1952 opublikowano pierwsze obliczenia skręcalności optycznej
trans-2,3-epoksybutanu.
Ten związek można skorelować z kwasem winowym
2. rentgenografia
O
H
O
Me
H
Me
związek chiralny
konfigurację powiązano ze skręcalnością
na drodze obliczeń teoretycznych
COOH
OH
HO
COOH
H
HOOC
HO
OH
H
COOH
COOH
OH
HO
COOH
OH
COOH
HO
OH
COOH
HO
CHO
OH
OH
aldehyd
D-glicerynowy
CUKRY
CHO
CHO
CHO
HO
H
CHO
H
OH
szereg L
(konfiguracja S)
OH
H
OH
HO
H
OH
H
OH
szereg D
(konfiguracja R)
CHO
CHO
H
OH
HO
H
OH
H
OH
HO
H
OH
H
OH
H
H
D-treoza
D-erytroza
H
OH
OH
OH
CHO
H
CHO
OH
HO
H
H
HO
H
OH
H
OH
OH
OH
OH
OH
D-ryboza
D-arabinoza
D-ksyloza
D-liksoza
OH
szereg D
O
O
O
O
OH
HO
HO
HO
HO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
O
OH
OH
HO
OH
HO
O
O
OH
HO
O
HO
HO
HO
HO
HO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
All Altruits Gladly Make
Gum In Gallon Tanks
Alloza altroza glukoza mannoza
guloza idoza galaktoza taloza
Wyznaczanie konfiguracji absolutnej
metodami rentgenograficznymi
Dyfrakcja promieni X na lekkich jądrach (H, C, N, O)
daje obraz zależny jedynie od położenia.
Tym samym zgodność faz nie zależy od tego, po której
stronie (prawej czy też lewej) znajduje się atom
Tą metodą można określić TYLKO WZGLĘDNĄ konfigurację
Jądra ciężkich atomów pochłaniają promienie X w pewnym
zakresie krzywej absorpcji. Jeśli λ odpowiada progowi
absorpcji ciężkiego atomu to obok absorpcji nastąpi
przesunięcie fazowe (anomalna absorpcja). To zjawisko
pozwala określenie na ułożenia atomów w przestrzeni
Podstawowe zainteresowanie chemii organicznej
To wyznaczanie konfiguracji WZGLĘDNEJ !!!
Jeśli konfiguracja przynajmniej jednego centrum
stereogenicznego jest znana
To tym samym znamy konfigurację absolutną
wszystkich pozostałych centrów
JAK ROZRÓŻNIĆ ZWIĄZKI w łatwy sposób
trans
cis
trans
Forma dl (+/-) racemat
Forma mezo
Jak łatwo rozróżnić obie formy ???
Czasami poprzez analizę spektralną
Czasami poprzez korelacje chemiczne
W reakcjach chemicznych pod nieobecność ‘zewnętrznych’
źródeł chiralności powstają zawsze związki nieczynne
optycznie
Mogą to być albo układy achiralne (np. kwas mezo-winowy)
albo też racemiczne (równomolowe mieszaniny) np. kwasu
R,R-winowego oraz S,S-winowego)
Racematy mogą różnić się temperaturą topnienia od czystych
enancjomerów!!!
Jeśli zatem mamy ‘wzbogacony’ racemat (tzn. mieszaninę
enancjomerów np. w proporcji 85:15) to czysty enancjomer
można otrzymać przez krystalizację.
Wykresy fazowe krystalicznych mieszanin
konglomerat
racemat
Roztwór stały
H
Me
OH
O
HO
COOH
HOOC
O
oś C2
brak σ
Me
O
H
O
chiralny
H
Me
HO
COOH
OH
HOOC
O
O
H
Me
środek i
O
achiralny
O
Wyznaczanie konfiguracji względnej poprzez analizę
spektralną
Przede wszystkim STAŁE SPRZĘŻENIA 1H NMR
H1
R
R
H
H
R
J1,2 = ~ 15 Hz
R
H
H
J1,2 = ~ 11 Hz
H4
H3
H2
J1,2 ~ 10 Hz
J2,3 = 3-5 Hz
J3,4 ~ 3-4 Hz
Efekty NOE oddziaływanie przez przestrzeń
H
Ph
H
H
RO
1
9
H
H
RO
5
H
H
CH2OH
OR
H1-H5, H1-H8, H6-H9
OAc
H
10
1
O
9
BnO
H6-H10
H3-H4"
H7-H9
H5-H7
9.5%
5.2%
4.5%
4.2%
H'
H''
4
6
H
OMOM
OBn
H10-H3
H1-H2
H1-H9
H6-H8
5.2%
3.2%
6.2%
4.5%
grupa C2
Br
Br
grupa Cs
Br
S
S
Br
Br
Br
Br
Br
S
S
O
O
Br
Br
Br
S
S
O
Br
Br
O
tożsame
Br
Br
Br
S
S
O
O
różne
CO2H
CO2H
CO2H
CO2H
tożsame
CO2H
CO2H
CO2H
CO2H
różne
Ustalanie konfiguracji względnej metodami chemicznymi
O
galaktoza
[α]D = 0
HO
OH
OH
OH
HO
OH
CO2H
HO
[α]D = 0
HO
lub
HO
HO
OH
OH
OH
OH
CO2H
OH
galakcitol
[α]D = 0
lub
CO2H
HO
HO
O
pochodna
liksozy
[α]D = 0
OH
CO2H
O
pochodna
rybozy
[α]D = 0
OH
OH
OH
CO2H
OH
[α]D = 0
OH
OH
OH
CO2H
Cyklostereoizomeria
Cyklostereoizomeria
Cykloenancjomeryczne cykloheksyloalaniny
SKRĘCALNOŚĆ, skręcalność optyczna, właściwość substancji
optycznie czynnej, polegająca na skręcaniu płaszczyzny polaryzacji
światła podczas przechodzenia światła spolaryzowanego przez tę
substancję;
¾skręcalność właściwa — skręcenie (w stopniach) płaszczyzny
polaryzacji światła monochromatycznego podczas przechodzenia
przez 10-centymetrową warstwę roztworu związku optycznie
czynnego zawierającego 1 g tego związku w 1 cm3;
¾skręcalność molowa — iloczyn skręcalności właściwej i 1/100
masy molowej związku optycznie czynnego; kąt skręcenia
(mierzony w odpowiednich warunkach, zwykle w temp. 20°C)
płaszczyzny
polaryzacji
światła
monochromatycznego
charakteryzuje daną substancję — jest jej indywidualną cechą,
w przypadku roztworów związków optycznie czynnych — zależy
także od stężenia;
Pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła jest
wykonywany w polarymetrach.
Zjawiska chiralooptyczne
Oddziaływania światła spolaryzowanego z chiralnym ośrodkiem
a. Światło płasko polaryzowane
b. Światło kołowo spolaryzowane w prawo
Zjawiska chiralooptyczne
Oddziaływania światła spolaryzowanego z chiralnym ośrodkiem
c. Oddziaływanie wektorów
elektrycznych światła kołowo
spolaryzowanego w prawo
i w lewo w próżni
d. Oddziaływanie
składowych EP oraz EM
o niezgodnych fazach
e. Oddziaływanie
składowych EP oraz EM
o zgodnych fazach lecz
różnej wielkości
f. Połączony efekt przesunięcia fazowego i
zróżnicowanej absorpcji EP oraz EM
Oddziaływanie HELIS EP oraz EM z chiralnym ośrodkiem jest diastereoizomeryczne tzn. w każdym przypadku powstaje inny (nawet skalarny)
wynik. W szczególności gdy obie te składowe przenikają przez ośrodek
chiralny zarówno szybkość jak i współczynnik absorpcji składowej lewoi prawo-skrętnej różnią się między sobą co powoduje pojawienie się
opóźnienia fazowego oraz prowadzi do zróżnicowania wielkości
wektorów. Sumowanie wektorów o niezgodnych fazach daje wypadkowy
wektor wirujący (rys. d), wypadkowa wektorów o różnej wielkości
wyznacza elipsę (rys. e). Wspólny efekt jednoczesnego wystąpienia obu
zjawisk to utworzenie elipsy wirującej wokół osi głównej (rys. f)
Zróżnicowane opóźnienie lewo- i prawoskrętnie
spolaryzowanego światła wytwarza
dwójułomność kołową
[α] = π/λ (nM – nP.)
n wsp. refrakcji
Zróżnicowana absorpcja prowadzi do
dichroizmu kołowego
φ = π/λ (kM – kP.)
Skręcalność właściwa
α – skręcalność zmierzona
k wsp. absorpcji światła
kołowo spolaryzowanego
[α]λ = 100 α / l c
l – długość; c stężenie wyrażone w gramach na 100 mL
Zależność między
widmem w obszarze UV,
dyspersją skręcalności
optycznej (ORD) i
dichroizmem kołowym CD
dla kwasu
(+)kamforosulfonowego
Przejście jest optycznie czynne wtedy gdy wytwarza się elektryczny
moment dipolowy (µ) jak i magnetyczny moment przejścia (m)
Efekt Cottona
DODATNI
Efekt Cottona
Ujemny gdy ujemne maksimum ORD (oraz CD)
występuje przy niższych częstościach
Chromofory genetycznie chiralne
Achiralne chromofory sprzężone dynamicznie
Chiralnie zaburzone chromofory achiralne
Quasi
enancjomery
Przewidywanie znaku efektu Cottona dla niektórych
genetycznie chiralnych chromoforów
Przewidywanie znaku efektu Cottona dla niektórych
genetycznie chiralnych chromoforów
Symetria przejścia n – π*
REGUŁA OKTANTÓW
Spektroskopia CD pozwala na
1.
Potwierdzenie czynności optycznej związku
2.
Na podstawie reguł empirycznych na określenie
konfiguracji absolutnej
BnO
BnO
7S
BnO
BnO
7R
BnO
OH
OH
O
OMe
H
OH
BnO
O
OMe
H
OH
Mol. CD
2
313.5 nm, 1.48
OH
HO
7S
1
H
R
0
HO
-1
H
315.5 nm, -1.25
-2
250
300
350
H
7R
OH
R
400
R
R
H
Wavelenght [nm]
H
H
OH
HO
(-)
Mo
Mo
Konformacje związków węgla
energia oddziaływania
niewiążącego
Enw = Be-µr - A/r6
przy zbliżaniu dwóch chemicznie związanych
jąder atomów wystąpi pewna odległość
międzyjądrowa, dla której sumaryczna energia
wykazuje minimum. To tzw. równowagowa
długość wiązania (l 0). Rozciąganie (lub ściskanie)
wiązań wywołuje reakcję jak w przypadku sprężyn,
a generowaną przy tym energię określa prawo
Hooka
El = 1/2 kl(l - l 0)2
Podobna zależność występuje dla kątów
Eθ = ½ kθ (θ – θ 0)2
Kθ stała siłowa = 80 – 320 kJ/mol-1 rad-1
Konformacje etanu
H
H
H
60 °
H
H
H
obrót o 60 °
H
H
H
H
H
H
H
H
H
0°
H
H
HH
H
H
H
H
H
Konformacje butanu
H
H
CH3
Me
CH3
H
H
H
H
H
H
Me
obrót o 180 °
H
CH3
H
H
H
CH3
60 °
H
H
0°
H
H
MeMe
antyperiplanarna
synperiplanarna
synklinalna
antyklinalna
Jak oszacować
populację konformerów
(uwzględniamy tylko
synklinalne i antyperi
planarne)
różnica energii
między konformerami:
∆G°=G° - G°
1
2
∆ G° = ∆ H° - T ∆S
K = exp(- ∆ G 0 / RT)
∆ H ° = 3.05 KJ / mol
∆ G ° = 3.05 – 1.76 = 1.29 KJ / mol
K = exp(- ∆ G 0 / RT)
konformacje mają jednakową ilość stopni swobody
uwzględniamy zatem tylko czynnik statystyczny = 2
konformacje synklinalne są enacjomeryczne zatem
∆S ° jest równoważna entropii mieszania wynikającej
z tworzenia mieszaniny racemicznej;
jej wartość w każdym przypadku wynosi R ln 2
K = 1.7
a : b = 1.7
a = 63%; b = 37%
Zależność między ilorazem populacyjnym konformerów (stałą K) aoraz
procentową zawartością głównego składnika w mieszaninie
H
H
H
H
OH
H
H
H
O
H
OH
HO
H
H
H
O
H
H
OH
O
H
H
H
H
Konformacja
uprzywilejowana
O
O
s-trans
s-cis
s-trans
ν (C=O) = 1674 cm-1
ν (C=C) = 1643 cm-1
s-cis
ν (C=O) = 1698 cm-1
ν (C=C) = 1631 cm-1
STEREOIZOMERIA CZĄSTECZEK CYKLICZNYCH
Zamknięcie łańcucha z utworzeniem pierścienia
powoduje wzrost symetrii układu w rezultacie
zaniku grup końcowych
STEREOIZOMERIA CZĄSTECZEK CYKLICZNYCH
X
X
X
Grupa C3v
X
X
trójpodstawione
X
Grupa Cs
CYKLOHEKSAN
A
A
A
A
A
A
Oś C6
6xs v
Temat do ćwiczeń: znaleźć wszystkie elementy symetrii
tego układu jeśli pierścień sześcioczłonowy jest płaski (a
wszystkie podstawniki są takie same np. H)
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
B
C
A
B
D
F
E
Przypadek ogólny
Ilość izomerów = 26 = 64
C
A
D
F
E
Jeden z 64 stereoizomerów
B
A
C
F
H
H
H
D
E
H
H
Wiązania aksjalne
Wiązania ekwatorialne
H
Konformacja
krzesłowa
Sachse jako pierwszy (w 1890 r.) wykazał, że cykloheksan
nie jest płaski i może występować w dwóch formach:
krzesłowej oraz łodziowej
Konformacja krzesłowa
Konformacja łodziowa
Konformacja
skręconej łódki
oś C3
Środek symetrii
C
Chair = C
C
C
C
C
C2
C
3xσv
3 ┴ osie C2
oś C2
Grupa D3v
Grupa C2v
Boat = B
oś C2
TB
Grupa chiralna
Grupa D2
bardzo silne oddziaływania
destabilizujące
A
CH3
CH3
H
H
występuje tylko
ten konformer
B