stereo he mija
TRANSCRIPT
STEREOHEMIJA
Hibridizacija atomskih orbitala, kao i definisani prostorni pravci orbitala uslovljavaju prostornu orjentaciju kovalentnih veza – konfiguraciju.Izomerna jedinjenja koja imaju istu strukturu a različitu konfiguraciju, i čiji se molekuli ne mogu preklopiti, nazivaju se stereoizomeri.
Dele se u dve klase:
1. Enantiomeri (optički izomeri) čije postojanje je posledica molekulske disimetrije, tj. hiraliteta (predmet i lik u ogledalu, obično poseduju optičku rotacionu sposobnost).
2. Diastereoizomeri obuhvataju sve izomerne prostorne odnose koji nisu enantiomerni (na primer cis-trans geometrijska izomerija koja je posledica prostornog rasporeda kod olefina i prstenastih sistema. Kod olefina cis-trans izomerija ne može usloviti enantiomeriju a samim tim ni optičku aktivnost, dok kod cikličnih jedinjenja cis-trans izomerija može biti praćena i enantiomerijim).
Asimetrični atomi kao uzrok stereoizomerije tipa enantiomerije (optičke izomerije)
Prvi uslov za pojavu enantiomerije je hiralitet. Znači imamo najmanje 2 konfiguracije: predmet i lik u ogledalu koji sene mogu preklopiti. Ako se mogu preklopiti to znači da su simetrični tj. poseduju jedan ili više elemenata simetrije: ravan, centar ili naizmeničnu osu simetrije.
Znači asimetrija je posledica asimetrične ili disimetrične strukture, što znači potpuno odsustvo elemenata simetrije.
d
be
aa
b
d
e
d
be
aa
b
d
e
Grafičko predstavljanje: na primeru mlečne kiseline H3C
OH
COOHHC*
CH3
OHH
COOH COOH
H OH
CH3CH3
OH
COOH
H
tetraedarskaPerspektivnatrodimenzionalna
Fišerovadvodimenzionalna
H3C
HOH
COOH COOH
HHO
CH3CH3
OH
COOH
H
tetraedarskaPerspektivnatrodimenzionalna
Fišerovadvodimenzionalna
(+) mle na kiselina
(-)mle na kiselina
č
č
JEDINJENJA SA JEDNIM ASIMETRIČNIM C ATOMOM
Pravila:1. Fišerova formula se nikad ne sme obrtati izvan ravni hartije (dobija se drugi enantiomer)2. Kako su vertikalne ispod a horizontalne iznad ravni hartije, zabranjeno je obrtanje za 90 stepeni ili 270 stepeni (dobija se drugi enantiomer), ali je dozvoljeno obrtanje za 180 stepeni3. Dva supstituenta ne smeju menjati mesta, ali mogu tri supstituenta istovremeno ili sva četiri u parovima
CH3
HO H
COOH
(-)
CH3
OHH
COOH
(-)
H
HO CH3
COOH
(-)
obrtanje za 180 grupno 3 supstituenta,jedan ostaje fiksiran
o
izmena u parovima
H
COOHH3C
OH
(-)
Enantiomerija i optička aktivnost asimetričnih heteroatoma
N
R3
R2R4
R1+
N
R2
R1R3
O+
-
i ali neR3
NR2
R1
:R3
N
R2
R1
:
R3
NR2
R1
:
JEDINJENJA SA DVA ILI VIŠE ASIMETRIČNIH C-ATOMA
CHO
CH OH
C OHH
CH2OH
*
CHO
C HHO
CHO H
CH2OH
*
enantiomeri
CHO
CHO H
C OHH
CH2OH
*
CHO
C OHH
CHO H
CH2OH
*
enantiomeri
diastereoizomeri
broj stereoizomera 2n
aldotetroza HOH2C-CHOH-CHOH-CHO 22 = 4* *
Jedinjenja sa konstituciono jednakim asimetričnim C-atomima
vinska kiselina
2,3,4-trihidroksi glutarna kiselina
COOH
COOH
*
* R
R
COOH
COOH
*
*S
S
enantiomeri
COOH
HOOC
*
*
RR
COOH
COOH
*
*S S
* *
mezo mezo
inaktivni diastereoizomeri
C3 nije asimetričan(vezan za dve konstituciono i konfiguraciono identične grupe)
C3 je asimetričan(vezan za konfiguraciono i konstituciono različite grupe)
COOH
C(R)
H OH
C(R)
HHO
COOH
*
COOH
C(S)
HHO
C(S)
H OH
COOH
*
enantiomeri
COOH
C(R)
H OH
C(S)
OHH
COOH
*
COOH
C(S)
HHO
C(R)
HO H
COOH
*
(-)(+)mezo (inaktivan)
ELEMENTI SIMETRIJE
OHH
COOH
COOH
OHH
.
H OH
COOH
COOH
HO H
N
H
CH3
CH3
H
CH3H
H
H3C
za 90o
360o
90o= 4
ravan simetrije centar simetrije naizmeni na osa simetriječ
Sistem D i L konfiguracije (relativna konfiguracija)
Potreba za pouzdanim utvrđivanjem strukture hiralnog centra.Relativan raspored atoma u molekulu – relativna konfiguracijaApsolutna konfiguracija – strukturnom analizom X zracima (dobija se trodimenzionalni raspored atoma) možese utvrditi i hemijskom korelacijom sa podacima dobijenim kristalografskom analizom.
Kao reper uzet 2,3-dihidroksipropanal (gliceraldehid)
H
OHHOH2C
HC
O
H
HOCH2OH
CH
O
D(+)gliceraldehid L(-)gliceraldehid
Iz njega se lako mogu izvesti brojni hiralni molekuli.Kada se OH grupa nalazi sa desne strane – D oblik, a kadaje sa leve – L oblik.
CHO
CH2OH
OHH
HHO
OHHOHH
*
*
*
*
Kad ima više hiralnih centara, položaj OH grupe na predposlednjem tj. poslednjemhiralnom C atomu, određuje da li je jedinjenje D ili L. U ovom slučaju konfiguracijaprezentovanog šećera je D. U izvesnim slučajevima D i L konfiguracije označavaju relativnu konfiguraciju, kao kodprimera vinske kiseline, gde konfiguracija zavisi od izbora hemijskih transformacija.
1. Cijanhidrinska sintezaCHO
CH2OH
OHH
D(+)gliceraldehid
HCN
CH2OH
OHH
CN
OHH+
CH2OH
OHH
CN
HHO
smesa diastereoizomera
H3O+
oksidacija
COOH
OHH
COOH
OHH+
COOH
OHH
COOH
HHO
D oblik
mezo vinska (-)vinska
2. Redukcija (-)vinske kiseline
COOH
OHH
COOH
HHO
(-)vinska
HI
CH2
COOH
COOH
HHO NH3
CH2
CONH2
COOH
HHO
NaOCl
CH2NH2
COOH
HHOHNO2
CH2OH
COOH
HHOred.
CH2OH
CHO
HHO
L(-)gliceraldehid
Kada cijanhidrinskom sintezom transformišemo D-gliceraldehid, između ostalog, dobija se D-vinska kiselina.Po analogiji, redukcijom D-vinske kiseline treba da dobijemo, polazni D-gliceraldehid, međutim to nije slučaj jer je proizvod redukcije L-gliceraldehid.
Sistem R i S konfiguracije (apsolutna konfiguracija)
Kan-Ingold-Prelogova pravila, primenljiva na sve tipove jedinjenja.Za svaki hiralni C*atom (ponaosob) se određuju prioriteti supstituenata. Prioriteti se određuju:
1. Prioriteti opadaju sa smanjivanjem atomskog (rednog) broja atoma koji je direktno vezan za C*. Br(35) > Cl(17) > S(16) > O(8) > N(7) > C(6) > H(1)
Cl
C
H
COOHBra
b
d
e
2. Ako su dva ili više atoma koji su vezani za C* identični (imaju iste atomske brojeve) relativni prioriteti se određuju upoređivanjem atomskih brojeva atoma koji su vezani u supstituentu.
CH3CH2-CHOH-CH3*
CH2CH3
C
H
CH3HOa
b
d
e
3. U slučaju dvostrukih i trostrukih veza, atomi na tim vezama se udvostručuju odnosno utrostručuju.
C
O
H
C
O
OH
C
HCCH
CH
CH
HC
C vezan za O, O i H
C vezan za O, O i OH
C vezan za CH, CH i C
Primenjujući ova pravila sledi opadajući niz prioriteta supstituenata:
-Br > -Cl > -OCOR > -OR > -OH > -NO2 > -NR2 > -NH2 > -CCl3 > -COCl > -COOH > -COR > -CHO >
> -CH2OH > -C6H5 > -CR3 > -CH3 > -D > -H
Kada se odredi redosled prioriteta supstituenata na C* određuje se apsolutna konfiguracija koja može biti R ili S, u zavisnosti od toga da li redosled prioriteta opada u smeru kazaljke na satu (R) ili suprotno od smera kazaljke na satu (S).
e C
b
d
a
b
C
eda a C
b
e
d
R konfiguracija
e C
b
a
d
b
C
ead d C
b
e
a
S konfiguracija
H C
CH2CH3
OHCH3
CH2CH3
C
HCH3HO HO C
CH2CH3
H
CH3ili
2-(R)-butanol
CHO
CH2OH
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
R
S
R
R
2(R), 3(S), 4(R), 5(R), 6 - pentahidroksiheksanal
CHO
C
CH2OH
OHH
CHO fiksirano,izmena H, CH2OH i OH
CHO CH2OH
CHO
H
a
b
d
e
(R)-2,3-dihydroxypropanal
RACEMSKE MODIFIKACIJE
Racemska smeša je ekvimolarna smeša dva enantiomera (50:50 odnos D i L tj. R i S).
Racemske modifikacije (smeše) mogu nastati:1. Mešanje2. Sinteza
COOH
CH H
CH3
COOH
CBr H
CH3
COOH
CH Br
CH3
50% 50%
+
racemska modifikacija
Br2/P
H3C
C
COOH
O
H
H
H
H
PtH C
CH3
COOHOH
+
50%
HCH3C
HOOCHO 50%
racemska modifikacija
Pirogrožđana kiselina
Mlečna kiselina
3. Racemizacija Proces kod koga polazeći od jednog enantiomera u ravnotežnoj smesi dobijamo racemsku.
Mehanizmi racemizacije
A
CB
E
D
A
C
E B
+ D..
A
CB
E
D
preko planarnog karbokatjona
A
CB
E
D
A
C
E B
+ D..A
CB
E
D
preko planarnog radikala
A
CB
E
D
A
C
E B
.A
CB
E
D+D
.-D
+DA
CB
E
..
A
C BE
preko planarnog karbanjona stabilizovanog rezonancijom
A
CB
E
D .
A
CB
E
D+D
.-D
+DA
CB
E
..
A
CB
E
preko enantiomernih karbanjona koji se brzo pretvaraju jedan u drugi
-D
-D
Racemizacija je potpomognuta i olakšana kad je u susednom položaju od *C-H prisutna grupa sa-I i -R efektom; onda je H-C* kiseo i lako se odvaja.
Razdvajanje racemskih smeša
1. Mehanički2. Biohemijski3. Preko diastereoizomera
Frakciono odvajanje diastereoizomernih derivata
+-
E (+) E(-) E + 2 (+) R*
(+) E (+) R* + (-) E (+) R*
diastereoizomeri
frakciona
destilacija
(+) E (+) R*
(-) E (+) R*
ist diastereoizomer
ist diastereoizomerč
č
č
regeneracija
regeneracija
(+) E + (+) R*
(-) E + (+) R*
čist enantiomer
čist enantiomer
E = organska kiselina R = opti ki aktivni prirodni alkaloid (baza)č
E = organska baza R = opti ki aktivna organska kiselinač
E = neutralna jedinjenja prevode se u derivate sposobne da grade soli
R CHR1
OH
* +
COOH
COOCHR1
O
O
O
piridin
R
*
COOH
COOCHR1
R
brucin
COO- H-brucin+
COOCHR1
R
**
brucin. HCl
HCl+-
alkohol+-
kiseli ftalatanhidridftalne kiseline
odvojeni (+) ftalat i (-) ftalat
+
NaOH
H2OCOONa
COONa
*
+R CHR1
OH
*
(+) ftalat ili(-) ftalat
Stereohemija nukleofilne supstitucije
R-X + Y- = R-Y + X-
Kada je R grupa koja može nagraditi stabilan karbokatron ( tercijarna ili mešovita alkil, aril) onda je reakcija monomolekulska v = k (R-X) SN1 : R-X = R+ + X- sporo i određuje brzinu reakcije R+ + Y- = R-Y brzo
a kada je R primarna reakcija je bimolekulska v = k (R-X)(Y-) SN2 : Y- + R-X = (Y......R......X)- = Y-R + X-
kompleks čije formiranje određuje brzinu reakcije
SN1 : proizvod je racemska smeša
R
CR1
R2
X
A
C
E B+X..
R
CR1
R2
Y
planarankarbokatjon
Y..
Y..+
+
R
CR1
R2
Y
+
inverzijakonfiguracije
retencijakonfiguracije
racemskasmeša
SN2 : proizvod nukleofilne supstitucije je sa inverzijom konfiguracije
R
CR1
R2
X+ Y-
napad sasuprotne strane
Y C X
R
R1R2
-R
CR1
R2
Y
inverzija
STEREOHEMIJA KOD NEZASIĆENIH JEDINJENJA
a
C
b
C
a
b
a
C
b
C
a
d
a
C
b
C
b
a
a
C
b
C
d
a
cis ili Z trans ili E
diactereoizomeri
Kad je jedan ili su oba graditelja dvostruke veze heteroatomi umesto cis se upotrebljava sin a trans je anti.
Određivanje konfiguracije cis – trans izomera
1. Hemijskim putem (na primer ciklizacijom – cis izomer se lakše ciklizuje)2. Hemijskom korelacijom (do zaključka se dolazi posredno, korelacijom sa poznatim reakcijama)3. Fizičkim metodama (izračunavanjem dipolnih momenata, el. Difrakcijom X zraka, UV, IR, NMR)
Pretvaranje nestabilnijeg (obično cis) u stabilniji (obično trans) zagrevanjem, pomoću katalizatora. Obrnuto je teško, jedino ako se trans izomer ozrači UV zracima (fotohemijska izomerizacija).
H
Z
RH
R
H
Z
RR
HR
H
R
H
+Z rotacija-Z
R
H
H
R
Enantiomerija kod alena i srodnih jedinjenja
Molekul kao celina mora biti disimetričan (odsustvo bilo kakvog elementa simetrije).
a
b
C
b
a a
b
C
b
a
4-metilcikloheksiliden sirćetna kiselina(S)
(E)CO2H
H
H
H3C
(R)(Z)
HO2C
H
H
CH3
Stereohemija cikličnih jedinjenjaDiastereoizomerija (cis, trans) i enantiomerija prstenastih sistemaCiklopropan
COOH
H
a) jedan supstituent b) tri supstituenta (dva ista u geminalnom položaju)
cikopropan karbonska kiselina
nema cis, transnema enantiomerije
(S)
CH3
CH3
COOH
H
(R)
CH3
CH3
COOH
H
2,2-dimetilciklopropan karbonska kiselina
nema cis, transpostoji enantiomerija
c) dva razli ita supstituentač
(R) (S)
CH3
H
COOH
H
(S)(R)
CH3
H
COOH
H
(S) (S)
H
CH3
COOH
H
(R)(R)
H
CH3
COOH
H
2-metilciklopropan karbonska kiselina
enantiomeri enantiomeri
cis transdiastereoizomeri
c) dva ista negeminalna supstituenta
(R) (S)
COOH
H
COOH
H
(S) (S)
H
COOH
COOH
H
(R)(R)
H
COOH
COOH
H
1,2-ciklopropan dikarbonska kiselina
enantiomericis transdiastereoizomeri
mezo
ciklobutan - bez obzira na tip supstituenata ne pokazuju enantiomeriju zbog prisustva elemenata simetrije - pokazuju cis, trans izomeriju
ciklopentan i cikoheksan
R
R1
R
R1
R
R1
R1
R
cis trans
(R)
(R)
(S)
(R)
R
R
R
R
cis trans