keto-oblik CH b. Izomerija položaja CH a. Izomerija niza...
Transcript of keto-oblik CH b. Izomerija položaja CH a. Izomerija niza...
1
SSTTEERREEOOIIZZOOMMEERRIIJJAA
▪ Izomeri su jedinjenja iste molekulske formule:
Konstitucioni (strukturni) izomeri – razlikuju se po strukturi tj. po redosledu vezivanja atoma:
a. Izomerija niza CH3
CH3CH2CH2CH3
butanCH3CHCH3
2-metilpropan
(C4H10)
b. Izomerija položaja
Cl CH2CH2CH3
Cl
1-hlorpropan 2-hlorpropan
CH3CHCH3(C3H7Cl)
c. Izomerija funkcionalnih grupa
OH O CH3CH3CH2
etanol(etil-alkohol)
CH3
metoksimetan(dimetil-etar)
(C2H6O)
d. Tautomeri (nalaze se u ravnoteži)
CH3 C
O
H CH2 C
OH
H (C2H4O)
keto-oblik enolni-oblik
2
Stereoizomeri (prostorni izomeri) – izomeri čiji su atomi vezani na isti način, ali se razlikuju po svom prostornom rasporedu:
a. Enantiomeri – predmet i njegov lik u ogledalu ne mogu se poklopiti.
CH
CH3OH
COOH
CH
CH3OH
COOH
* *
b. Diastereomeri – ne odnose se kao predmet i njegov lik u ogledalu.
Primer: Cis- i trans-izomeri (geometrijski izomeri)
cis- trans-
1,4-dimetilcikloheksan
cis- trans-
2-buten
Ne odnose se kao predmet i lik u ogledalu
c. Konformeri (konformacioni izomeri) takođe su primeri stereoizomera.
CH3
H H
HH
CH3
CH3
H HH
H CH3
anti-rotamer butana
gauche-rotamer butana
H
CH3 H
CH3ekvatorijalni aksijalni
metilcikoheksan
e
a
3
Neki osnovni pojmovi u stereohemiji
● Hiralnost
● Hiralni centar
● Enantiomeri
● Diastereomeri
● Apsolutna konfiguracija (R,S–sistem)
● Relativna konfiguracija (D,L–sistem)
● Optička aktivnost
HIRALNOST
▪ Hiralnost je osobina da se 2 predmeta odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu i ne mogu se poklopiti jedan sa drugim.
▪ Enantios, grčki, nasuprot.
4
▪ Ahiralnost je osobina da se 2 predmeta odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu i mogu se poklopiti jedan sa drugim.
HIRALNI I AHIRALNI MOLEKULI
Hiralni molekuli:
• molekuli koji se ne mogu poklopiti sa svojim likom u ogledalu.
▪ Parovi molekula koji se odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu i ne mogu se poklopiti su enantiomeri.
▪ Takva jedinjenja su hiralna.
5
Primer: mlečna kiselina
C
H
OH
COOHCH3*
stereocentar ili aisimetrican atom(vezan za 4 razlicita supstituenta)
CH
CH3OH
COOH
CH
CH3OH
COOH
CH
OHCH3
COOH
* * *
(A) (B) (B')ravan refleksije
rotacija za 180o
(osa rotacije: veza C-COOH)*
translacija
■ Strukture A i B' se NE mogu poklopiti – NISU identične. ■ A i B su ENANTIOMERI (enantios, grčki, suprotan) – stereoizomeri koji se međusobno odnose kao predmet i njegov NEpoklopivi lik u ogledalu. ▪ Da bi se preveli jedan u drugi neophodno je raskinuti veze.
Ahiralni molekuli – molekuli koji se mogu poklopiti sa svojim likom u ogledalu.
H
HClCl
H
H ClCl
H
HClCl
A i B' se mogu poklopiti
ogledaloA B
rotacija B za 180o
B'
translacija(ravan refleksije)
6
▪ Molekuli sa 1 stereocentrom su uvek hiralni! ▪ Molekuli sa više stereocentara ne moraju biti hiralni.
▪ Hiralni i ahiralni molekuli se razlikuju prema tome da li imaju ili nemaju ravan simetrije:
hiralni molekuli nemaju ravan simetrije ahiralni molekuli imaju najmanje 1 ravan
simetrije.
■ Ravan simetrije: zamišljena ravan koja deli molekul na 2 jednake polovine koje se odnose jedna prema drugoj kao predmet i lik u ogledalu.
metan hlormetan dihlormetan bromhlormetan bromfluorhlormetan 6 ravni 3 ravni 2 ravni 1 ravan nijedna
ahiralan ahiralan ahiralan ahiralan hiralan
7
OPTIČKA AKTIVNOST
▪ Jedina fizička osobina po kojoj se razlikuju ENANTIOMERI je interakcija sa planarno polarizovanom svetlosti tj. obrtanje ravni planarno polarizovane svetlosti.
enantiomer Pravac zakretanja ugla polarizovane svetlosti
oznaka
dekstrotatorni U pravcu kretanja kazaljke na časovniku
(+)-enantiomer
levorotatorni Suprotno kretanju kazaljke na časovniku
(–)-enantiomer
▪ Enantiomeri se nazivaju i optički izomeri (antipodi), a fenomen optička aktivnost.
▪ Optička rotacija se određuje polarimetrom.
Na lampa
λ = 583 nm
8
▪ Specifična rotacija optički aktivnog molekula:
• fizička konstanta karakteristična za taj molekul (kao i Tt, tačka Tklj i ρ).
CH2CH3
CH3BrH
CH2CH3
CH3 BrH
(-)-2-brombutan (+)-2-brombutan
[α]D25 = -23,1o [α]D
25 = +23,1o
▪ Enantiomeri obrću ravan polarizovane svetlosti:
• za isti ugao ali
• u suprotnim smerovima.
▪ Smesa istih količina (+)- i (–)- enantiomera je optički NEaktivna i naziva se racemska smesa.
▪ Racemska smesa se označava simbolom (±).
9
OZNAČAVANJE KONFIGURACIJE ENANTIOMERA
APSOLUTNA konfiguracija: R,S–sistem RELATIVNA konfiguracija: D,L–sistem
APSOLUTNA konfiguracija: R,S–sistem
▪ Stvarni prostorni (trodimenzioni) raspored atoma u molekulu.
▪ Nema direktne veze između znaka zakretanja polarizovane svetlosti i strukture enantiomera.
▪ Apsolutna konfiguracija se određuje:
• eksperimentalno rentgenostrukturnom analizom (ispitivanjem supstance pomoću x-zraka),
• hemijskom korelacijom (hemijskim transformacijama) sa jedinjenjem čija je apsolutna konfiguracija poznata.
▪ R,S–sistem: Cahn–Ingold–Prelog (1956. god).
▪ Kako se obeležava okruženje asimetričnog C–atoma (stereocentra)?
▪ Rangiranje sva 4 supstituenta na asimetričnom C–atomu.
▪ Prioritet se određuje sekvencionim pravilima.
▪ a – najveći prioritet; b – drugi prioritet; c – treći prioritet; d – najniži prioritet.
10
▪ Pravilo posmatranja – hiralni centar mora biti posmatran sa suprotne strane od strane supstituenta sa najnižim prioritetom!
▪ Supstituent sa najnižim prioritetom se postavi što dalje od posmatrača! ▪ Dva moguća rasporeda ostala tri supstituenta prema opadajućem prioritetu:
OOddrreeđđiivvaannjjee pprriioorriitteettaa ssuuppssttiittuueennaa sseekkvveenncciioonniimm pprraavviilliimmaa ▪ Pravilo 1: Prioritet se određuje prema atomskim brojevima (Z) vezanih atoma – atom većeg Z ima prednost.
C
H
CH3BrI H C
I
CH3
Br
C
I
CH3 Br
a
bc
da
b
c
d
(R)-1-brom-1-jodetan
isto je što i
Z(H) = 1, Z(C) = 6,Z(Br) = 35, Z(I) = 53
I > Br > C > H
11
▪ Pravilo 2: Ukoliko su dva supstituenta istog prioriteta (kada se porede atomi vezani direktno za stereocentar):
• rangiraju se elementi duž niza u supstituentu, dok se ne dođe do atoma na kome je moguće razlikovati prioritete između dva niza.
C
H
H
H C
H
H
C
H
H
Hmetil
nižeg prioritet od
etilniži viši
C
H
H
C C
C
H
C
etil
niži
1-metiletil
viši
(izopropil)
jednaki
nižeg prioritet od
H3
H3 H3
C
H
H
C
H
C
H
C
H
H
C
H
C
C
niži viši
jednaki
butil 2-metilpropil(izobutil)
nižeg prioritet od
H3
H3H2CH3
C
C
C
CC
H
H
C
H
C
C
(izobutil)
2-metilpropil 1,1-dimetiletil(terc-butil)
nižeg prioritet od
H3 H3
H3H3
H3
12
▪ Odluka o prioritetu donosi se na mestu razlikovanja duž inače sličnog supstituentskog niza (konstitucija ostatka niza je nevažna).
▪ Kada se dođe do mesta grananja supstituentskog niza, izabere se grana višeg prioriteta.
I
CH CH2CH3
CH3
C(CH3)3
CH
CH2CH3
CH(CH3)2
a
b
c
d
a
b
cd
(R)-2-jodbutan (S)-3-etil-2,2,4-trimetilpentan
13
▪ Pravilo 3: Dvostruke i trostruke veze tretiraju se kao da su zasićene, a broj njihovih atoma se udvostručuje ili utrostručuje – docrta se još jedna ili dve veze na svakom od atoma u nezasićenoj vezi i za njih se veže udvostručeni, fantomski, atom sa drugog kraja veze.
▪ Fantomski atom, zamišljeni atom koji ima atomski broj Z = 0. Obeležava se indeksom "0" ili se stavi u oblu zagradu.
C
H
C
C
H
R
C
C C
H H
R
C C R C
C
C
C
C
R
C
C
O
H
C
O
OH
C
O
H
O
C
C
O
OH
O
C
tretira se kao
tretira se kao
tretira se kao
tretira se kao
Fantomski atom ima MANJI prioritet od realnog, iste vrste, SAMO ukoliko je to JEDINO mesto razlikovanja nakon primene svih ostalih sekvencionih pravila!Inace se tretiraju jednako.
( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( )
( )
( )
OH
CH
CH2OHCHO
CH
CH
CH3
OH
CH2
a
b
c
a
b
cdd
R R
14
FFiisscchheerr––oovvee pprroojjeekkcciioonnee ffoorrmmuullee
▪ Dvodimenzionalne projekcije trodimenzionalnih modela molekula.
▪ Predstavljanje 2 enantiomera A i B Fscher–ovim projekcionim formulama:
CC
C C
a
bcd
a
bc
d
c
d
a
b
c
a
b
c
d
b
d
a
b
c
d
trodimenzionalnimodel
a
klinasta struktura
Fischer-ovaprojekciona
formula
horizontalne crte: veze usmerene ka posmatracu
vertikalne crte: veze usmerene od posmatraca
A B
Važno: Nedozvoljene transformacije sa Fischer–ovim projekcionim formulama menjaju konfiguraciju hiralnog centra u strukturnoj formuli!!!
15
▪ Neke od dozvoljenih transformacija:
1. Rotacija u projekcionoj ravni (ravni papira) za 180°:
I
H
Br
Cl
Br
Cl
I
H
R
rotacija za 180o
isto kaoR
2. Zamena mesta 3 supstituenta u grupi:
I
H
Br
Cl
Br
I
H
Cl
Cl
I
Br
H
Risto kao
Risto kao
R
3. Zamena mesta 4 supstituenta (2 para):
I
H
Br
Cl
H
I
Cl
Br
Br
Cl
I
H
Risto kao
Risto kao
R
16
▪ Neke od nedozvoljenih (pogrešnih) transformacija:
1. Zamena mesta dva supstituenta (1 par):
I
H
Br
Cl
H
I
Br
Cl
H
I
Cl
Br
R S R
2. Rotacija u projekcionoj ravni (ravni papira) za 90° ili 270°:
I
H
Br
Cl
Cl
I
H
Br
H
Br
Cl
I
R SS
rotacija za 90orotacija za 270o
▪ Fischer–ovim projekcionim formulama je definisana apsolutna konfiguracija (supstituent najmanjeg prioriteta u jednoj od vertikalnih pozicija):
OH
CH2CH3
CH3
H
OH
H
CH3
CH2CH3
RSd
a c
b
d
a c
b
17
JJeeddiinnjjeennjjaa ssaa 22 iillii vviiššee sstteerreeoocceennttaarraa
▪ Konfiguracije svakog stereocentra mogu biti R- ili S-, te mogu postojati različite izomerne strukture.
1. Hiralni C-atomi sadrže različite supstituente
▪ Za n stereocentara, broj stereoizomera = 2n.
CH3
BrH
H
CH3
Cl
CH3
Br H
H
CH3
Cl
CH3
Br H
Cl
CH3
H
CH3
BrH
Cl
CH3
H
CH3 CH
Br
CH
Cl
CH3
CH3 CH3
ClHBr
H
CH3 CH3
HClBr
H
CH3 CH3
HClH
Br
CH3 CH3
ClHH
BrR
S
R
R
R
S
S
S
(2S,3S)- (2R,3R)-
(2S,3R)- (2R,3S)-
2-brom-3-hlorbutan
* *
predmet
lik u ogledalu
R S
S R
22 = 4 stereoizomera
enantiomeri
diastereomeri
enantiomeri
S S
RS
R R
R S
▪ Npr. (2R,3R)-izomer enantiomeran je (2S,3S)-jedinjenju i istovremeno je diastereomeran (2S,3R)- i (2R,3S)-strukturama.
18
▪ Stereoizomeri koji se ne odnose kao predmet i lik u ogledalu, i zbog toga nisu enantiomeri, zovu se DIASTEREOMERI (dia, grčki, preko).
Diastereomeri
Različiti molekuli sa različitim fizičkim i hemijskim osobinama,
Mogu se odvojiti jedan od drugog:
• frakcionom destilacijom,
• kristalizacijom ili
• hromatografijom.
▪ Cis- trans-izomeri su ciklični diastereomeri.
H
Br
Cl
H
H
Br
Cl
H
H
Br
H
Cl
H
Br
H
Cl
R
S
S
R
cis-1-brom-2-hlorciklobutan
R
S
S
R
trans-1-brom-2-hlorciklobutan
22 = 4 stereoizomera
19
2. Hiralni C-atomi sadrže iste supstituente
▪ Za n stereocentara, broj stereoizomera < 2n.
CH3 CH3
HBrBr
H
CH3
BrH
H
CH3
Br
CH3
Br H
H
CH3
Br
CH3
Br H
Br
CH3
H
CH3
BrH
Br
CH3
H
CH3 CH
Br
CH
Br
CH3
CH3 CH3
BrHBr
H
CH3 CH3
HBrH
Br
CH3 CH3
BrHH
BrRS
enantiomeri
enantiomeri?
diastereomeri
R
S
R
R
R
S
S
S
(2S,3S)- (2R,3R)-
(2S,3R)-
2,3-dibrombutan
* *3 stereoizomera
Ne! Identicni su!(mezo)
(2R,3S)-
(2S,3R)- isto kao (2R,3S)-
S S R R
R S
▪ (S,R)-stereoizomer je AHIRALAN i nije optički aktivan, iako ima 2 stereocentra.
▪ Jedinjenje koje sadrži 2 (ili više od 2) stereocentra, a koje se može preklopiti sa svojim likom u ogledalu, zove se mezo-jedinje (mezo, grčki, srednji).
▪ Mezo-jedinja sadrže ravan simetrije.
CH3
H Br
H
CH3
BrR
S
mezo-2,3-dibrombutan
20
Primer: vinska kiselina
H OH
OH H
COOH
COOH
OH H
H OH
COOH
COOH
OH H
OH H
COOH
COOH
OHH
OHH
COOH
COOH
S
S
R
R
2,3-dihidroksibutan-dikiselina (vinska k.)
R
S
(2R,3R)- (2S,3S)-
3 stereoizomera
(2S,3R)-
R
S
mezo-vinska k.
(2R,3S)-
Oba oblika imaju ravan simetrije;Rotacijom u ravni papira za 180o
prelaze jedan u drugi.
(2R,3S)- isto kao (2S,3R)-
21
▪ Cis- trans-izomeri su ciklični diastereomeri.
H
Br
Br
H
H
Br
Br
H
H
Br
H
Br
R
S
S
S
R
R
trans-1,2-dibromciklobutan
cis-1,2-dibromciklobutan
1R,2S isto kao i 1S,2R
3 stereoizomera
▪ Trans-izomer 1,2-dibromciklobutana je hiralan. ▪ Cis-izomer je mezo-jedinjenje i optički je neaktivan.
22
SSTTEERREEOOHHEEMMIIJJAA HHEEMMIIJJSSKKIIHH RREEAAKKCCIIJJAA
▪ Dobijanje hiralne strukture iz ahiralnog polaznog materijala kao rezultat daje racemsku smesu.
1. Bromovanje butana (radikalski lančani mehanizam)
C
Br
CH3CH2CH3
H
C
CH3
CH2CH3HH
H CCH3
CH2CH3
CH CH3
Br
CH2CH3
ahiralan
Br2
butan
Br -HBr.
C
.
*
(S)-2-brombutan
(R)-2-brombutan
Br+.
Br+.
hiralan
hiralan
Racemska smesa
ahiralan
radikal
*
planaran
23
2. Elektrofilna adicija HBr na cis- ili trans-2-buten (jonski mehanizam)
C
Br
HCH2CH3
CH3
CCH3 H
Br
CH2CH3
CH3 CH
CH2CH3
CH CH CH3CH3
Br
*
(R)-2-brombutan
(S)-2-brombutanhiralan
hiralan
Racemska smesa
-C
ahiralan
karbokatjon
+
cis- ili trans-2-buten
H+
ahiralan
*
planaran
24
RRaazzllaaggaannjjee:: rraazzddvvaajjaannjjee eennaannttiioommeerraa
▪ Čiste enantiomere hiralnog jedinjenja je moguće dobiti razlaganjem racemata (racemske smese) u enantiomere.
▪ Najčešće se razlaganje racemata bazira na konverziji u smešu diastereomera, dodatkom optički čistog regensa (S- ili R- konfiguracije).
XR
YS
XS+
XR +YS XS
opticki cist reagens YS
racemska smesa (enantiomera):komponente imaju iste fizicke osobine
diastereomeri: komponente imaju razlicite fizicke osobine
razdvajanje distereomera(frakciona kristalizacija, destilacija ili hromatografija)
XR YS YSXS
raskidanje raskidanje
XR XS+ YS + YS
razdvajanje i regenerisanjeYS
razdvajanje i regenerisanje YS
XR XScist cist
25
CH
NH2
COO
OHH
HOH
COOH
H3N
H
CH3
C CH COO
OHH
HOH
COOH
C CH
H3N
H
CH3
NH2
H
CH3
C CH
C CH
NH2
H
CH3
H OH
OH H
COOH
COOH
CH3CHC
racemski (R,S)-3-butin-2-amin
(+)-vinska k.,H2O, nekoliko dana
_ + _ +
+
R S
(+)-tartaratna so R-amina (-)-tartaratna so S-amina
K2CO3, H2O K2CO3, H2O
R S
(R)-(+)-3-butin-2-amin
47 % 51 %
R
kristališe iz rastvora ostaje u mat. lugu
[α] = +24,4D
22 oC [α] = -24,1D
22 oC
(S)-(-)-3-butin-2-amin
[α] = +53,2D
22 oC[α] = -53,2
D
22 oC
t.k. 82-84 oC t.k. 82-84 oC
R
26
ZADATAK Pomoću Fischer-ove projekcione formule prikažite (3S,4S)-3,4-dibromheksan. Označite prioritet grupa na svakom C-atomu i način razmišljanja.
C2H5
BrH
H
C2H5
Br
C2H5
HBr
R'
Br
Br
R'
BrH
C2H5
R'
C2H5Br
H
R'
C2H5Br
H
S
3
4
(3S,4S)-3,4-dibromheksan
R' = CH(Br)C2H5
CH3CH2CHCHCH2CH3
3 4 S
a
c
b
d a
d
c
b(S)
33 44a
c
b
d a
d
c
b(S)
ZADATAK Pomoću Fischer-ove projekcione formule prikažite (3S,4R)-3,4-dibromheksan. Označite prioritet grupa na svakom C-atomu i način razmišljanja.
C2H5
BrH
Br
C2H5
H
C2H5
BrH
R'
Br
Br
R'
BrH
C2H5
R'
C2H5Br
H
R'
BrH5C2
H
R
3
4
(3S,4R)-3,4-dibromheksan
R' = CH(Br)C2H5
CH3CH2CHCHCH2CH3
3 4 S
a
c
b
d a
d
c
b(S)
33 44 a
c
b
d a
d
c
b(R)
27
ZADATAK 1. Prikažite 1-brom-1-jodetan klinastim formulama (oba enantiomera) a zatim klinaste formule prevedite u Fischer-ove:
klinaste:
C
HI
CH3
Br
C
HI
CH3
Br
**
Fischer-ove:
CH3
Br
I
H
I
Br
CH3
Hravan refleksije
1.1. Odredite apsolutnu konfiguraciju enantiomerima iz zadatka 1, označite prioritet supstituenata i objasnite način razmišljanja. Kod klinastih formula, pri određivanju konfiguracije, formulu orijentišite u skladu sa "pravilom posmatranja":
klinaste:
CCH3 I
Br
CI CH3
Br
C
HI
CH3
Br
C
HI
CH3
Br
ac
b
ac
b
S R
a
c
b
d
a
c
b
d**
Prioritet opada u nizu I > Br > C > H, prema 1. sekvenc. pravilu, čime je određen prioritet supstituenata a, b, c, i d.
..................... Klinastu formulu obavezno
orijentisati u skladu sa pravilom posmatranja!
Fischer-ove:
CH3
Br
I
H
I
Br
CH3
H
ac
b
d
a c
b
d
S R
U konkretnom primeru, apsolutna konfiguracija se može odrediti bez dodatnih transformacija (supst. najmanjeg prioriteta je u vertikalnoj poziciji, na dnu formule)!
..................... U nekim slučajevima je Fischer-
ovu projekcionu formulu potrebno transformisati (koristeći dozvoljene tranformacije) tako da se može odrediti apsolutna konfiguracija!