1

C C1 wiązanie wychodzi do tyłu, za kartkę( linia przerywana )

Jak przedstawiamy cząsteczkę z węglem tetraedrycznym:

Stereochemia

C 2 wiązania leżą w płaszczyźnie kartki( linia prosta )

C

C C1 wiązanie wychodzi do przodu, przed kartkę( linia pogrubiona )

2

W przeciwieństwie do cząsteczek CH3X i CH2XY, cząsteczka CHXYZ nie jest identyczna ze swoim odbiciem lustrzanym.

Nie da się nałożyć modelu cząsteczki na model jej odbicia w lustrze.

To są dwie różne cząsteczki:

C CYZ

H

ZY

XX

H

H

X XY

Z

H

ZY CC

3

Cząsteczka, która nie jest identyczna ze swoim odbiciem lustrzanym, stanowi specjalny rodzaj stereoizomeru, zwanego enancjomerem ( od greckiego enantio – „przeciwny”).

Cząsteczki, które nie są identyczne ze swoimi odbiciami lustrzanymi i w związku z tym istnieją w dwóch formach enancjomerycznych, nazywane są chiralnymi.

( od greckiego cheir – ręka).

Nie można nałożyć cząsteczki chiralnej i jej odbicia lustrzanego (enancjomeru) w taki sposób, by wszystkie atomy się pokrywały.

Cząsteczka nie może być chiralna, jeśli ma płaszczyznę symetrii.

Mówimy, że taka cząsteczka jest achiralna (niechiralna).

4

Najczęstszą (chociaż nie jedyną) przyczyną chiralności cząsteczek organicznych jest obecność w nich atomu węgla związanego z czterema różnymi podstawnikami.

Takie atomy węgla nazywane są centrami asymetrii (równieżasymetryczny atom węgla). Zaznaczamy je „gwiazdką” *

Centrum stereogeniczne - miejsce w cząsteczce (niekoniecznie atom), przy którym zamiana miejscami dwóch podstawników prowadzi do powstania stereoizomeru (R,S i E,Z)

5

CH3

CH2

CH2CH2

CH2

CH2

CH3 H

65 4 3

21

12 34 5 6

CCH3

HCH2CH2CH2 CH2CH2 CH24

CH3

6

xx

CH3CH3

CH3CH3

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

x

7

Pamiętaj : atomy węgla grup -CH2 -, -CH3, C=C i C≡Cnie mogą być centrami chiralności.

8

α

rurka pomiarowa analizatorpolaryzatorźródło światła

obserwator

Oprócz określenia wielkości kąta skręcenia α, oznacza sięrównież jego kierunek.

Z punktu widzenia obserwatora pewne związki optycznie czynne skręcają płaszczyznę polaryzacji w prawo (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) i nazywane są prawoskrętnymi –jak na rysunku.

Inne skręcają w lewo (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) i nazywane są lewoskrętnymi.

9

Zgodnie z konwencją skręceniew prawo oznaczamy znakiem plus ( + ) / dawniej d /, a skręcenie w lewo znakiem minus ( - ) / dawniej l /.

10

Skręcalność właściwa

αt

λ=

c lα

gdzie: α = zmierzony kąt skręceniac = stężenie roztworu ( g/cm3)

lub gęstość ( g/cm3)l = długość drogi optycznej (dm)

długość rurki polarymetrycznejt = temperaturaλ = długość światła

11

Konfiguracja absolutna R, S

Aby określić dokładnie budowę przestrzenną cząsteczki przyjęto pewną konwencję.

Określamy ważność wszystkich 4 podstawników zgodnie z regułami pierwszeństwa CIP = Cahna-Ingolda-Preloga.

Cząsteczkę ustawiamy tak

aby 4, najmniej ważny podstawnik był skierowany do tyłu.

C C4 4

12

C C12

3

4 1 2

3

4

Rectus (łac.)– prawy (uczciwy)

R S

Sinister (łac.)– „lewy”

13

Reguły Cahna – Ingolda – Preloga CIP

Reguła pierwszeństwa 1.

Ustaw atomy bezpośrednio przyłączone do węgla w kolejności ich liczb atomowych.

Np.:

x16781735

I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H > para elektronowa16 91553

14

CCl

OHCH3H

CCH2CH3

SHINH2

16781735I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H

16 91553

1 Cl2 OH3 CH34 H

1 I2 SH3 NH24 CH2CH3

15

Reguła pierwszeństwa 2.

Jeżeli atomy bezpośrednio przyłączone do węgla nie różnią się liczbą atomową, należy rozważyć drugie, trzecie,..., kolejne atomy, aż do momentu, kiedy napotka się różnicę.

-CH3 -CH2CH3

-CH2CH2CH3

-CH2CH2OH

C HH

HC CH H

HHH

C CH

HC

H HH

HHC CH H

HHO H

mniej ważny ważniejszy

mniej ważny ważniejszy

16

CH2CH2CH2Br CH2CH2OH

CHNH2

CH3CHCH2ClCH3

C CH

HC

H HBr

HHC CH H

HHO HC C

H

HC

H HBr

HHC CH H

HHO H

mniej ważny ważniejszy

mniej ważny ważniejszy

C CH

ClH

H

CH3

CH

CH3

NH2

17

Reguła pierwszeństwa 3.

Atomy przyłączone wiązaniami wielokrotnymi sąrównoważne z odpowiednią liczbą atomów przyłączonych wiązaniami pojedynczymi.

jest równoważne CH

OO

CC OH

x

CH

CC

HC

HCH

CH2

C CC

C

C

CHC C H

CN

NN C

CC N

CH

OO

CH

CC

C CC

C

CN

NN

18

CH COOH

CH3

HO1 2

3

4

HO

CH3

COOHHC

-CH3-COOH-H-OH

3241

4 podstawnik skierowany do nas

CH3CHCOOHOH

kwas mlekowy – kwas 2-hydroksypropanowy

19

CH COOH

CH3

HO1 2

3

4

1. Obrót wokół wiązaniaCo zrobić aby 4 (najmniej ważny podstawnik) znalazł się z tyłu?

3

RCH COOH

CH3

HO

3

HOOCC4

3

21

CH3

HOH

20

CH COOH

CH3

HO1 2

3

4

2. Dwukrotna zamiana miejscami dwóch podstawników

CH COOH

CH3

HO1 2

3

4

CHCOOH

CH3

HO1

2

3

4

HOOCC4

3

21

CH3

HOH

R

CH COOH

CH3

HO1 2

3

4

CHCOOH

CH3

HO1

2

3

4 C4

3

2

1CH3

HHO

COOHR

21

C C

Inne sposoby przedstawiania cząsteczki w przestrzeni.

obserwator

skierowane do nas

skierowane do tyłuod nas

C

22

CCOOH

HO HCH3

CCH3

HHO

COOH

Inne sposoby przedstawiania cząsteczki w przestrzeni.

obserwator

HO- i H- skierowane do nas

-COOH i –CH3skierowane do tyłu

(od nas)

HO

COOH

HO H

CH3

CCOOH

H

CH3

Projekcja Fischera

23

Projekcja Fischera

Tetraedryczny atom węgla jest przedstawiany w projekcji Fischera przez dwie prostopadłe przecinające się linie.

Linie poziome przedstawiają wiązania wystające przed płaszczyznę kartki,

a linie pionowe przedstawiają wiązania idące do tyłu , w głąb kartki.

Najdłuższy łańcuch węglowy powinien być umieszczony na linii pionowej.

Węgiel numerowany 1 w nazwie wg systematyki IUPAC

powinien być na górze.

24

Projekcja Fischera

COOH

OH

CH3

H

COOH

H

CH3

HO

CH3CH(OH)COOH123

COOH

CH3

COOH

CH3

25

Dozwolone są tylko dwa rodzaje przekształceń:

1. Projekcję Fischera można obrócić w płaszczyźnie o 180o:

COOH

H

CH3

HOHHO CCOOH

CH3

CH3

OH

COOH

H H CCOOH

CH3

OH

2. Dozwolona jest dwukrotna zamiana podstawników miejscami:

COOH

H

CH3

HO

COOH

CH3

H

HO

OH

CH3

H

HOOC

1

2 3

4

S4 podstawnik skierowany do tyłu

26

Przypisywanie konfiguracji R, S projekcjom Fischera:

1. Ustal kolejność ważności podstawników:

COOH

H

CH3

HO1

2

3

4

COOH

H

CH3

HO1

2

3

4

Ponieważ 4 podstawnik jest na linii poziomej, czyli jest skierowany do nas, rzeczywista konfiguracja jest przeciwna:

S

27

COOH

H

CH3

HO1

2

3

4

Drugi sposób:

Za pomocą dozwolonych przekształceń ustaw grupę najmniej ważną (4), jako dolną grupę w projekcji Fischera (skierowaną do tyłu)

S

COOH

CH3

H

HO

OH

CH3

H

HOOC1

2 34

COOH

H

CH3

HO

28

Konfiguracja względna D i L

CH2CHCHOOH OH

aldehyd glicerynowy 2,3-dihydroksypropanal2 enancjomery (+) d i (-) l

CHOOH

CH2OHH

CHOH

CH2OHHO

(+) (-) d l

D-glicerynowy L-glicerynowy

29

COOH

CH2OHNH2H

COOHH2N H

CH3

C

CH2OHOHHO

CH2OHC

HO HCH2OH

OCH2OH

D-erytruloza

L-alanina D-seryna

L-erytruloza

30

Ważne:

To, że dany związek ma konfigurację R czy D nie oznacza, że znak skręcalności będzie (+).

Znak skręcalności (+) lub (-) nie jest powiązany z oznaczeniem

R, S, D czy L.

31

L-alanina jest prawoskrętna (+)

Prawidłowe zapis: kwas (S)-(+)-2-aminopropanowy

L-alanina

COOHH2N H

CH3

COOH

NH2CH3 H

C CHCH3

NH2

COOH

S - alanina

1

2

3

4

32

aldehyd L-glicerynowy jest lewoskrętny (-)kwas L-glicerynowy jest prawoskrętny (+)

Prawidłowe pełne zapisy:

(S)-(-) –2,3-dihydroksypropanal

i kwas (S) – (+) – 2,3-dihydroksypropanowy

CHOH

CH2OHHO

COOHH

CH2OHHO

(-) (+)L LS S

33

Cząsteczki optycznie czynne nie posiadające tetraedrycznego węgla.

321

allen

C C CHH

HH

sp2sp

sp2

C CC w płaszczyźnie kartki

skierowane do nas

skierowane do tyłu

34

Cząsteczki optycznie czynne nie posiadające tetraedrycznego węgla.

321

allen

C C CXH

HY

C CCXH

HY

sp2spsp2

cząsteczka optycznie czynnabrak płaszczyzny symetrii

H

XC CC

H

Y

35

Cząsteczki optycznie czynne nie posiadające tetraedrycznego węgla.

C C CCH3

HHCH3

1,3-dimetyloallen

C C CXH

HX

C C CXH

HY

C C CXH

ZY

C C CXT

ZY

36

C C CCH3

CH3

HCH3

1,1,3-trimetyloallen

C CCCH3CH3

HCH3

płaszczyzna symetrii

cząsteczka nie jest optycznie czynnajest achiralna

37

Inne chiralne cząsteczki:

38

Cząsteczki z większą liczbą centrów stereogenicznych

Cząsteczka z n centrami stereogenicznymi ma najwyżej 2n stereoizomerów

H3C

H3C

H3C

HHO H H

HCH3

CH3

Cholesterol ma 8 centrów chiralności Teoretycznie możliwych jest28 = 256 stereoizomerów.Tylko jeden występuje w przyrodzie.

H3C

H3C

H3C

HHO H H

HCH3

CH3

HO

H

H

H

39

Diastereoizomery

Diastereoizomery są stereoizomerami, które nie są wzajemnymi odbiciami lustrzanymi.

Diastereoizomerami są np.: izomery geometryczne cis-trans czy E – Z.

Diasteroizomerami są również izomery optyczne różniące siękonfiguracją na niektórych centrach stereogenicznych.

Jeżeli różnią się konfiguracją na wszystkich centrach są wówczas enancjomerami.

40

COOHNH2HOH

CH3

H

COOHNH2HH

CH3

HO

COOHHH2NH

CH3

HO

COOHHH2NOH

CH3

H

enancjomery enancjomery

I II III IV

2R,3R 2S,3S 2R,3S 2S,3R

I i III, I i IV, II i III oraz II i IV są diastereoizomerami.

Spośród czterech stereoizomerów treoniny, tylko izomer 2S,3R (IV) występuje naturalnie w organizmach

roślin i zwierząt.

treonina CH3CH(OH)CH(NH2)COOH

22 = 4 stereoizomery

41

Związki mezo

COOHCH(OH)CH(OH)COOH

kwas winowy

22 = 4

COOHOHHH

COOHHO

COOHHHOOH

COOHH

COOHOHHOH

COOHH

COOHHHOH

COOHHO

IVIIIIII

2S,3R2R,3S2S,3S2R,3Renancjomery związek mezo

płaszczyznasymetrii

Związki, które są achiralne, ale zawierają centra chiralności, nazywane są związkami mezo.

Tak więc kwas winowy istnieje w trzech formach izomerycznych: dwie enancjomeryczne i jedna mezo.

42

COOHOHHOH

COOHH

COOHHHOOH

COOHH

COOHOHHH

COOHHO

2R , 3R 2S , 3S 2R , 3Skwas L-winowy D-winowy mezo-winowy

43

Mieszanina racemiczna –równomolowa mieszanina dwóch enancjomerów (racemat).

Oznaczamy ją symbolem ( ± ) lub dawniej dl.Mieszaniny racemiczne mają zawsze sumaryczną skręcalność

równą 0.Nierównomolowe mieszaniny enancjomerów wykazują

wypadkową skręcalność:Jeżeli jeden z enancjomerów ma np. skręcalność właściwą

[α] = - 50o to jego enancjomer będzie miał skręcalność właściwą[α] = + 50o .Mieszanina 60% (-) i 40% (+) będzie wykazywała skręcalnośćwłaściwą:

0,6 (-50) + 0,4(+50) = -30 + 20 = -10o

44

Nadmiar enancjomeryczny (ang. enantiomeric excess, skrót ee) –stosunek różnicy zawartości poszczególnych enancjomerów do sumy ich zawartości w określonej mieszaninie wyrażony w procentach.Powszechnie przyjęto że wartość ee jest zawsze dodatnia, więc jeśli izomer R znajduje się w przewadze to wzór przyjmie wartość:

ee = [R] - [S]

[R] + [S]x 100%

zaś gdy izomer S jest w przewadze, wzór wygląda następująco:

ee = [S] - [R]

[S] + [R]x 100%

gdzie [S], [R] - liczba moli lub stężenie molowe w mieszaninie, odpowiednio izomeru S i R.

45

Właściwości fizyczne stereoizomerów

Enancjomery mają wszystkie właściwości fizyczne identyczne (te same tt, tw., rozpuszczalności, gęstości itp.).

Różnią się jedynie znakiem skręcalności światła spolaryzowanego w płaszczyźnie.

Natomiast diastereoizomery są zasadniczo innymi związkami i mają odmienne właściwości fizyczne.

Jeszcze inne są właściwości mieszaniny racemicznej.

Mimo, że są to mieszaniny enancjomerów, racematy często zachowują się tak, jakby były czystymi związkami,

odmiennymi od każdego z enancjomerów.

46

20,61,78800206( ± )

125,01,66600146 - 148mezo

139,01,7598- 12168 - 170( - )

139,01,7598+ 12168 - 170( + )

Rozpuszczalność w 20oC

[g/100ml H2O]

Gęstość

{g/cm3][ α ]D

Temp. topnienia

[ oC ]

Stereoizomer

Niektóre właściwości stereoizomerów kwasu winowego

(+) to 2R,3R kwas L-winowy(-) to 2S,3S kwas D-winowy

47

Rozdzielanie mieszanin racemicznych

Wykorzystuje się reakcję z optycznie czynnym substratem.

Mieszanina racemiczna (±) reagując ze związkiem np. (+) daje dwa produkty:

[(+)(+)] i [(-)(+)].

RS + R R R

S R

48

Te dwa produkty są diastereoizomerami, są więc różnymi związkami o różnych właściwościach chemicznych i fizycznych.Można je rozdzielić stosując normalne techniki laboratoryjne –

np krystalizację, destylację.Po rozdzieleniu diastereoizomerów, przeprowadzamy reakcje,

aby otrzymać z powrotem chiralny reagent i rozdzielone enancjomery.

RS + R R R

S R

R R

S R

R + R

S + R

49

Chiralność a biologia

(-) - karwonmięta

(+) - karwonkminek

OCH3

CCH3CH2

OCH3

CCH3CH2

H2N COO

OH2N COO

ONH3H NH3

H

L-asparaginasmak gorzki

D-asparaginasmak słodki

(S)-asparagina (R)-asparagina

50

(S)-(-)-Thalidomidedziałanie teratogenne

(R)-(+)-Thalidomidelek. o działaniu uspokajającym

i słabo nasennym

N

O

ONH

OH

O

N

O

O

NHO

OH

Cl

C(CH3)3

Cl

C(CH3)3H

H H

H

OHHO

N

NNN N

N

(R,R) –paklobutrazol (S,S) –paklobutrazolśrodek grzybobójczy regulator wzrostu roślin

51

CH3O

CH3

CH3O

CH3

COOHH HHOOC

(S)-naproksen (R)-naproksenlek przeciwzapalny toksyczny dla wątroby

H

HCl

OH

OH HO

Cl

OHH

H

NHCOCHCl2

NHCOCHCl2

(R,R)-chloramfenikol (S,S)-chloramfenikolantybiotyk nieaktywny w stosunku do bakterii

52

O

1 – OCH2CH2CH32 – CH2CH33 – CH34 - H

CH3CH2CHOCH2CH2CH3

CH3

CH3CH2COCH2CH2CH3

CH3

H

OH

R4 podstawnik skierowany do tyłu

53

Metopren substancja imitująca juwenilny hormon owadzi jest stosowany u zwierząt domowych przeciw pchłom. Działa on przez zapobieganie rozwojowi jaj i larw pchły. Forma aktywna metoprenu jest optycznie czynna. Wskaż centrum chiralności (gwiazdka) i określ jego konfigurację (R,S). Koniecznie zaznacz kolejnośćpodstawników.

CH3O O

H3C H O

54

CH3O OH3C H O

CH3OCCH2CH2CH2CCH2CHCH3

CH3

CH3

HCHC

CH3CHCOCH(CH3)2

O

CH2CH CHCCH3

CHCOCH(CH3)2

O1

CH3OCCH2CH2CH2

CH3

CH3

2

CH3 – 3H - 4

S – ponieważ4 podstawnik jestskierowany do nas

55

Zanacz czy poniższe pary związków to enancjomery, diastereoizomery czy ten sam związek.

Zanacz konfigurację R, S na każdym centrum asymetrii.

HO Br

CH3

H OHBr

CH3

Hi

BrHO

CH3

H

enancjomery

12

3

4 R4 podstawnik skierowany do tyłu

56

Zanacz czy poniższe pary związków to enancjomery, diastereoizomery czy ten sam związek.

Zanacz konfigurację R, S na każdym centrum asymetrii.

COOH

CH3

H OH

CH3

COOH

HO HiCH3

HO H

COOH≡

obrót o 180o :

CH3

HO H

COOHten sam związek1

2

3

4

R4 podstawnik skierowany do nas

57

Zanacz czy poniższe pary związków to enancjomery, diastereoizomery czy ten sam związek.

Zanacz konfigurację R, S na każdym centrum asymetrii.

Br

Br

Br

Br i

płaszczyzna symetriizwiązek mezo-

ten sam związek

58

Zanacz czy poniższe pary związków to enancjomery, diastereoizomery czy ten sam związek.

Zanacz konfigurację R, S na każdym centrum asymetrii.

HO

O Cl

OH

HO

O

OH

Cl

i

HO

O Cl

OH

HO

O

OH

Cl

i

R

R S

S

enancjomery