Οργανική Χημεία Πέτρος Ταραντίλης Αναπληρωτής Καθηγητής Εργαστήριο Χημείας, Τμήμα Επιστήμης Τροφίμων και Διατροφής του Ανθρώπου Ιερά Οδός 75, 118 55 Αθήνα e-mail: ptara@aua.gr, Τηλ.: 210 529 4262, Fax: 210 529 4265 1
Στερεοχημεία 2
Στερεοχημεία 1. Εισαγωγή στη Στερεοχημεία 2. Εναντιομέρεια 3. Οπτική Ενεργότητα 4. Σχετική και Απόλυτη Απεικόνιση 5. Διαστερεομέρεια 6. Διαμόρφωση Ελεύθερη Περιστροφή 7. Γεωμετρική Ισομέρεια 3
Στερεοχημεία Αντικείμενα της Οργανικής Χημείας Μεταξύ των άλλων είναι και η Μελέτη της δομής των οργανικών ενώσεων 1. Στερεοχημεία των οργανικών ενώσεων 2. Φασματοσκοπία Φασματοσκοπικές Μέθοδοι Ανάλυσης 4
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Πώς γράφουμε τις οργανικές ενώσεις; Μοριακός Τύπος: C 5 12 Δομή Kekulé και Δομή Lewis Συμπυκνωμένη δομή και Μερικώς συμπυκνωμένη δομή Σκελετική δομή Δομή Kekulé Συμπυκνωμένες δομές Σκελετική δομή 5
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Πώς γράφουμε τις οργανικές ενώσεις; Μοριακός Τύπος: C 5 12 Δομή Kekulé και Δομή Lewis Συμπυκνωμένη δομή και Μερικώς συμπυκνωμένη δομή Σκελετική δομή 6
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Η Οργανική Χημεία είναι η επιστήμη των τριών διαστάσεων και η μοριακή διάταξη μιας ένωσης στο χώρο έχει συνήθως καίρια σημασία για τον καθορισμό της χημικής συμπεριφοράς 7
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Τι είναι η Στερεοχημεία; Είναι ο κλάδος της χημείας που ασχολείται με τη μελέτη της τρισδιάστατης δομής των ενώσεων δηλ. με τη δομή των ενώσεων στο χώρο. Τι είναι Στερεοχημικοί τύποι; Οι τύποι που παριστάνουν τη διευθέτηση στο χώρο των ατόμων ενός μορίου. 8
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Στερεοχημικός τύπος Ο στερεοχημικός τύπος είναι μια τρισδιάστατη αναπαράσταση του μορίου η οποία δείχνει την ακριβή θέση του κάθε ατόμου μέσα στο μόριο. Τα άτομα αναπαρίστανται από σφαίρες και αν μεταξύ δύο ατόμων υπάρχει ομοιοπολικός δεσμός οι δύο σφαίρες μπορεί να επικαλύπτονται. Γωνία δεσμού 109,5 ο Μήκος δεσμού 1,10Å 9
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Μοριακός Τύπος: C 4 Συντακτικός Τύπος: Δείχνει τη διευθέτηση των ατόμων σ ένα μόριο στο επίπεδο Στερεοχημικός Τύπος: Δείχνει τη διευθέτηση των ατόμων ενός μορίου στο χώρο 10
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Ισομερή: Ενώσεις με τον ίδιο μοριακό τύπο αλλά διαφορετικές δομές. 2 C 3 π.χ. C 4 C C 3 10 Διαφορετικοί ανθρακικοί σκελετοί π.χ. C 2 6 Ο 3 C C 2 Βουτάνιο C 3 C C 3 Ισοβουτάνιο C 3 C 2 O C 3 OC 3 Διαφορετικές Αιθυλική αλκοόλη Διμέθυλο αιθέρας χαρακτηριστικές ομάδες π.χ. C 3 9 N Διαφορετικές θέσεις χαρακτηριστικών ομάδων Προπυλαμίνη N 2 C 3 C 2 C 2 N 2 C 3 CC 3 Ισοπροπυλαμίνη Συντακτικά ισομερή: Διαφορετική σύνδεση μεταξύ των ατόμων 11
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Ισομερή: Ενώσεις με τον ίδιο μοριακό τύπο αλλά διαφορετικές δομές. π.χ. C 2 6 Ο Οι δύο ενώσεις έχουν τον ίδιο μοριακό τύπο αλλά διαφέρουν με τον τρόπο που τα άτομα είναι ενωμένα μεταξύ τους. Ο διμεθυλο αιθέρας είναι άχρωμο αέριο, η αιθανόλη είναι υγρό. Διαφορετικές χαρακτηριστικές ομάδες Συντακτικά ισομερή: Διαφορετική σύνδεση μεταξύ των ατόμων 12
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Ισομερή: Ενώσεις με τον ίδιο μοριακό τύπο αλλά διαφορετικές δομές. π.χ. C 10 14 Ο O O 5-isopropyl-2-methylphenol Chemical Formula: C 10 14 O Molecular Weight: 150 Ρίγανη Καρβακρόλη 2-isopropyl-5-methylphenol Chemical Formula: C 10 14 O Molecular Weight: 150 Θυμάρι Θυμόλη Διαφορετικές θέσεις χαρακτηριστικών ομάδων Συντακτικά ισομερή: Διαφορετική σύνδεση μεταξύ των ατόμων 13
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Ισομερή: Ενώσεις με τον ίδιο μοριακό τύπο αλλά διαφορετικές δομές. π.χ. C 3 6 Ο 3 C 3 C(O)COO O 3 C C COO Γαλακτικό οξύ OOC Στερεοϊσομερή: μόρια που έχουν τα άτομα ενωμένα με την ίδια σειρά, διαφέρουν στον τρόπο με τον οποίο τα άτομα αυτά διευθετούνται στο χώρο. C C 3 O 14
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Γιατί μας ενδιαφέρει η μελέτη ύπαρξης των στερεοϊσομερών μορφών; COO O 3 C C O 3 C C COO Γιατί τα διαφορετικά στερεοϊσομερή έχουν διαφορετικές βιολογικές ιδιότητες. 15
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Γιατί μας ενδιαφέρει η μελέτη ύπαρξης των στερεοϊσομερών μορφών; O COO OOC O O D-Dopa (καμιά βιολογική δράση) N 2 2 N O L-Dopa (φαρμακευτική δράση κατά της νόσου του Parkinson) S(+) ιβουπροφαίνη δραστικό αναλγητικό R(-) ιβουπροφαίνη αδρανές 16
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Γιατί μας ενδιαφέρει η μελέτη ύπαρξης των στερεοϊσομερών μορφών; O COO OOC O O O D-Dopa (καμιά βιολογική δράση) N 2 2 N O L-Dopa (φαρμακευτική δράση κατά της νόσου του Parkinson) O C 3 C 3 (+)-Καρβόνη (στους σπόρους του αγριοκύμινου) (-)-Καρβόνη (στο εκχύλισμα του δυόσμου) 17
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Γιατί μας ενδιαφέρει η μελέτη ύπαρξης των στερεοϊσομερών μορφών; Στα φαρμακευτικά προϊόντα, μικρές διαφορές στην τρισδιάστατη χωροδιάταξη μπορεί να ευθύνονται για τη δράση τους. Ισομερή που έχουν τον ίδιο τρόπο σύνδεσης των ατόμων τους αλλά διαφορετική τρισδιάστατη χωροδιάταξή τους καλούνται ΣΤΕΡΕΟισομερή 18
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία 19
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Τι πρέπει να γνωρίζουμε για να μελετήσουμε τη στερεοχημική διάταξη μιας ένωσης; Τη στερεοχημική δομή των ατόμων της, δηλαδή τη κατεύθυνση των μονάδων σθένους στο χώρο Στερεοχημική δομή του άνθρακα 20
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Στερεοχημική δομή του άνθρακα Kekulé και Couper ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο διατύπωσαν την άποψη ότι πάντα ο άνθρακας έχει τέσσερις «μονάδες συγγένειας». Δηλαδή ο άνθρακας είναι τετρασθενής Friedrich August Kekulé 21 21
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Στερεοχημική δομή του άνθρακα van't off και Le Bel διατύπωσαν την απόψη ότι οι τέσσερις δεσμοί του άνθρακα έχουν συγκεκριμένη κατεύθυνση Τα άτομα με τα οποία είναι συνδεδεμένος ο άνθρακας τοποθετούνται στις γωνίες ενός κανονικού τετραέδρου, με τον άνθρακα στο κέντρο Η διακεκομμένη γραμμή κατευθύνεται πίσω από το επίπεδο της σελίδας Οι κανονικές γραμμές βρίσκονται πάνω στο επίπεδο της σελίδας Η γραμμή με παχύ άκρο (σφήνα) κατευθύνεται έξω από το επίπεδο της σελίδας J.. van t off 22 22
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Στερεοχημική δομή του άνθρακα Τετραεδρικό Άτομο Άνθρακα Δεσμός προς τα πίσω της σελίδας Δεσμοί στο επίπεδο της σελίδας κανονικό τετράεδρο Δεσμός έξω από το επίπεδο της σελίδας Τετραεδρική διάταξη του άνθρακα 23 23
Εισαγωγή στη Στερεοχημεία Στερεοχημική δομή του άνθρακα Τετραεδρικό Άτομο Άνθρακα - Στερεοσκοπική άποψη Γωνία δεσμού 109,5 ο Μήκος δεσμού 1,10Å 24 24
Στερεοϊσομέρεια Χειρομορφία Κάθε αντικείμενο μπορεί να αντικατοπτριστεί σε έναν καθρέφτη αποκαλύπτοντας το είδωλο του. Το αντικείμενο και το είδωλο του ταυτίζονται αν τοποθετηθούν με υπέρθεση Το αντικείμενο και το είδωλο του δεν ταυτίζονται αν τοποθετηθούν με υπέρθεση Είστε ένα χειρόμορφο αντικείμενο. Κοιταχτείτε στον καθρέφτη και υψώστε το δεξί σας χέρι. Το είδωλό σας υψώνει το αριστερό του χέρι. 25
Στερεοϊσομέρεια Χειρομορφία Μερικά αντικείμενα δεν είναι τα ίδια με τα κατοπτρικά είδωλα τους (δεν έχουν κανένα επίπεδο συμμετρίας) Ένα δεξί γάντι είναι διαφορετικό από ένα αριστερό γάντι, και επομένως ένα γάντι αριστερού χεριού δεν μπορεί να χωρέσει στο δεξί χέρι, γιατί ένα δεξί χέρι είναι διαφορετικό από ένα αριστερό χέρι Η ιδιότητα αυτή καλείται συνήθως «χειρικότητα ή χειρομορφία» Αριστερό χέρι Δεξί χέρι 26
Εναντιομέρεια Χειρομορφία Πολλά οργανικά μόρια (συμπεριλαμβανομένων των περισσότερων βιοχημικών ενώσεων) παρουσιάζουν το φαινόμενο της χειρικότητας ή χειρομορφίας που συνδέεται άμεσα με την τετραεδρική στερεοχημεία του άνθρακα Αριστερό χέρι Δεξί χέρι 27
Εναντιομέρεια Χειρομορφία: Μόρια τύπου CXYZ C Μόριο Κάτοπτρο Κατοπτρικό είδωλο 28
Εναντιομέρεια Χειρομορφία: Μόρια τύπου CXYZ C Μόριο Κατοπτρικό είδωλο Κάτοπτρο Ένα μόριο καλείται εναντιομερές όταν δεν είναι πανομοιότυπο με το κατοπτρικό του είδωλο (δηλαδή δεν ταυτίζονται μεταξύ τους). Αν το μόριο και το κατοπτρικό του είδωλο είναι πανομοιότυπα ή δεν είναι πανομοιότυπα εξαρτάται από τους υποκαταστάτες. 29
Εναντιομέρεια Χειρομορφία: Μόρια τύπου CXYZ C Μόριο Κάτοπτρο Κατοπτρικό είδωλο Όταν οι υποκαταστάτες είναι διαφορετικοί, το μόριο και το κατοπτρικό του είδωλο ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ πανομοιότυπο (δηλαδή δεν ταυτίζονται). Τότε το μόριο λέγεται ότι είναι εναντιομερές. 30
Εναντιομέρεια Χειρομορφία: Μόρια τύπου CXYZ C Μόριο Κάτοπτρο Μόρια που δεν ταυτίζονται με τα κατοπτρικά τους είδωλα και επομένως απαντούν με δύο εναντιομερείς μορφές καλούνται χειρικά ή χειρόμορφα. Εναντιομέρεια ή χειρομορφία (chirality) Κατοπτρικό είδωλο 31
Εναντιομέρεια Χειρομορφία: Μόρια τύπου CXYZ Κάτοπτρο C C Αριστερό χέρι Δεξί χέρι Μόρια που δεν ταυτίζονται με τα κατοπτρικά τους είδωλα και επομένως απαντούν με δύο εναντιομερείς μορφές καλούνται χειρικά ή χειρόμορφα. 32
Εναντιομέρεια Χειρομορφία: Μόρια τύπου CXYZ Γαλακτικό οξύ X C Y Z Δεν συμπίπτουν Δεν συμπίπτουν Δεν συμπίπτουν Δεν συμπίπτουν 33
Εναντιομέρεια Μόρια τύπου CΗ 4 CΗ 3 Χ, CΗ 2 ΧΥ Τα μόρια CΗ 4, CΗ 3 Χ, CΗ 2 ΧΥ είναι πανομοιότυπα, ταυτίζονται με το είδωλο τους, άρα δεν εμφανίζουν χειρικότητα. 34
Εναντιομέρεια Το αίτιο της χειρικότητας στα μόρια Ένα μόριο δεν μπορεί να είναι χειρόμορφο, εάν περιέχει κάποιο επίπεδο συμμετρίας. Επίπεδο συμμετρίας, διαχωρίζει ένα αντικείμενο ή μόριο σε δύο κομμάτια με τέτοιο τρόπο, ώστε το ένα κομμάτι να αποτελεί ακριβές είδωλο το άλλου. Έχει επίπεδο συμμετρίας Δεν έχει επίπεδο συμμετρίας 35
Εναντιομέρεια Το αίτιο της χειρικότητας στα μόρια Ένα μόριο, το οποίο διαθέτει επίπεδο συμμετρίας, είναι πανομοιότυπο με το είδωλο του και χαρακτηρίζεται ως μη χειρόμορφο. Μόριο 36
Εναντιομέρεια Το αίτιο της χειρικότητας στα μόρια Ένα μόριο, το οποίο διαθέτει επίπεδο συμμετρίας, είναι πανομοιότυπο με το είδωλο του και χαρακτηρίζεται ως μη χειρόμορφο. Επίπεδο συμμετρίας ΟΧΙ Επίπεδο συμμετρίας Προπανοϊκό οξύ (μη χειρομόρφο) Γαλακτικό οξύ (χειρομόρφο) 37
Εναντιομέρεια Το αίτιο της χειρικότητας στα μόρια Η χειρομορφία στα οργανικά μόρια οφείλεται στην παρουσία ενός ατόμου άνθρακα συνδεδεμένου με 4 διαφορετικές ομάδες. * Ασύμμετρο άτομο άνθρακα *C, ασύμμετρο κέντρο, ή στερεογονικό κέντρο ή χειρόμορφο κέντρο 38
Εναντιομέρεια Παραδείγματα Cl F Cl C Cl C I Έχει επίπεδο συμμετρίας (ορίζεται από Cl - Cl - C) Μη χειρόμορφο Έχει ασύμμετρο κέντρο Δεν έχει επίπεδο συμμετρίας Χειρόμορφο 39
Εναντιομέρεια Παραδείγμα 5-Βρωμοδεκάνιο (χειρομόρφο) Υποκαταστάτες στον άνθρακα 5 40
Εναντιομέρεια Παραδείγματα Επίπεδο συμμετρίας * Μεθυλοκυκλοεξάνιο (μη χειρομόρφο) Δύο ίδιοι υποκαταστάτες Δεν υπάρχει στερεογονικό κέντρο 2-Μεθυλοκυκλοεξανόνη (χειρομόρφο) Τέσσερεις διαφορετικοί υποκαταστάτες Ο 2-άνθρακας είναι στερεογονικό κέντρο 41
Εναντιομέρεια Παραδείγματα Καρβόνη (αιθέριο έλαιο του δυόσμου) Νουτκατόνη (αιθέριο έλαιο του γκρέιπφρουτ) 42
Εναντιομέρεια Πρόβλημα Κωνειίνη (από το δηλητήριο κώνειο) Μενθόλη (συστατικό αιθέριων ελαίων) Δεξτρομεθορφάνιο (αντιβηχικό) 43
Εναντιομέρεια Πρόβλημα Απάντηση Κωνειίνη (από το δηλητήριο κώνειο) Μενθόλη (συστατικό αιθέριων ελαίων) Δεξτρομεθορφάνιο (αντιβηχικό) 44
Εναντιομέρεια Πότε ένα μόριο παρουσιάζεται με δύο μορφές; Όταν δεν είναι συμμετρικό: Δεν έχει επίπεδο συμμετρίας Δεν έχει κέντρο συμμετρίας Ασύμμετρα: δεν έχουν κανένα στοιχείο συμμετρίας 45
Στερεοϊσομέρεια Στερεοϊσομερή: τα μόρια που έχουν τα άτομα ενωμένα με την ίδια σειρά, διαφέρουν στον τρόπο με τον οποίο τα άτομα αυτά διευθετούνται στο χώρο Εναντιομερή, Χειρόμορφα ή Αντίποδες: τα μόρια που έχουν σχέση ειδώλου προς αντικείμενο. 1. Δεν μπορούν να ταυτιστούν με το είδωλο τους 2. Δεν έχουν επίπεδο ή κέντρο συμμετρίας Ρακεμικό μίγμα: έχει τον ίδιο αριθμό μορίων από κάθε εναντιομερές Ρακεμοποίηση: η μετατροπή ενός αντίποδα στο ρακεμικό μίγμα. 46
Οπτική Ενεργότητα Biot (1830) Ενώσεις όπως τα σάκχαρα στρέφουν το επίπεδο του πολωμένου φωτός Pasteur (1849) Ανακάλυψε τα εναντιομερή του μετά νατρίου και αμμωνίου άλατα του τρυγικού οξέος Kekule (1858) Αρχή της τετρασθενίας του άνθρακα και ισοτιμίας των μονάδων σθένους του van t off και Le Bel (1875) Τετραεδρική γεωμετρία του άνθρακα 47
Οπτική Ενεργότητα Το φως που διέρχεται από έναν πολωτή είναι μοναδικό και ονομάζεται πολωμένο στο επίπεδο φως. Όταν μια δέσμη πολωμένου στο επίπεδο φωτός διέλθει από ένα διάλυμα μη χειρόμορφων ενώσεων παραμένει σε αυτό το επίπεδο. Διάλυμα χειρόμορφων ενώσεων στρέφουν το επίπεδο της πόλωσης και οι ενώσεις αυτές ονομάζονται οπτικά ενεργές. Το φαινόμενο αυτό μελετήθηκε για πρώτη φορά από τον Biot στις αρχές του 19ου αιώνα. Παρατηρητής Φωτεινή πηγή Μη Πολωτής πολωμένο φως Κυψελίδα δείγματος Αναλυτής 48
Οπτική Ενεργότητα 49
Οπτική Ενεργότητα Η στροφή που προκαλεί το διαλύματα οπτικά ενεργών ουσιών μετριέται με το πολωσίμετρο. Το μέγεθος της στροφής συμβολίζεται με α και εκφράζεται σε μοίρες Οπτικά ενεργά μόρια που είναι: D-Dextrorotary, "δεξιόστροφο" (+) L-Levorotary, "αριστερόστροφο" (-) Παρατηρητής Φωτεινή πηγή Μη Πολωτής πολωμένο φως Κυψελίδα δείγματος Αναλυτής 50
Οπτική Ενεργότητα Ειδική στροφή [α] D Παρατηρητής Φωτεινή πηγή Μη Πολωτής πολωμένο φως Κυψελίδα δείγματος [α] D = α / (l x C) α = Μετρούμενη γωνία στροφής, σε μοίρες Αναλυτής [α] D = Ειδική γωνία στροφής, χαρακτηριστική για δεδομένη ένωση l = Μήκος οπτικού διαστήματος, σε dm C = Συγκέντρωση (g/ml) Ειδική στροφή [α] D : Είναι αυτή που παρατηρείται σε διάλυμα 1 g/ml σε κυψελίδα διαδρομής 10 cm χρησιμοποιώντας το φως που εκπέμπουν λάμπες Νατρίου (589 nm) 51
Οπτική Ενεργότητα Τα "χειρομορφικά" μόρια είναι "οπτικά ενεργά", παρουσιάζουν δηλαδή μια οπτική στροφική ικανότητα. Το φαινόμενο παρατηρείται με τα πολωσίμετρα Τα "εναντιομερή" λέγονται και "οπτικοί αντίποδες" Ρακεμικό μίγμα: μίγμα των δύο αντιπόδων σε ίσες ποσότητες Το Ρακεμικό τους μίγμα είναι οπτικά ανενεργό 52
Οπτική Ενεργότητα Που οφείλεται η οπτική ενεργότητα; Στην ασύμμετρη κατασκευή των κρυστάλλων Δύο κρυσταλλικές δομές με σχέση ειδώλου προς αντικείμενο μεταξύ τους Οπτική Στροφική Ικανότητα ή Οπτική Ενεργότητα Παρουσιάζουν οργανικές και οι ανόργανες ενώσεις Οι οργανικές ενώσεις διατηρούν την ιδιότητα και 1. στην υγρή και 2. στην αέρια κατάσταση Οπτικά Ισομερή Ίδιες φυσικές και χημικές ιδιότητες Διαφέρουν στο ότι στρέφουν δεξιά ή αριστερά το επίπεδο του πολωμένου φωτός, κατά την ίδια απόλυτη τιμή 53
Στερεοχημική απεικόνιση (configuration) Με τον όρο στερεοχημική απεικόνιση ή απλά απεικόνιση εννοούμε τη διάταξη στο χώρο των ατόμων ή ομάδων ατόμων ενός στερεοϊσομερούς. Υπάρχουν δύο τρόποι απεικόνισης: η σχετική απεικόνιση και η απόλυτη απεικόνιση. 54
Προβολές κατά Fischer Προβολή των στερεοχημικών απεικονίσεων σε μια επίπεδη επιφάνεια κατά Fisher A Δ C Γ B Δ A C B Δ A B Γ Γ 55
Προβολές κατά Fischer Προβολή των στερεοχημικών απεικονίσεων σε μια επίπεδη επιφάνεια κατά Fisher O COO C C 3 Οι δεσμοί που εξέρχονται από το επίπεδο Οι δεσμοί στο επίπεδο της σελίδας COO C 3 O 56
Προβολές κατά Fischer Επιτρεπτές κινήσεις στις προβολές κατά Fisher 1. Μια προβολή κατά Fisher μπορεί να περιστραφεί στο χαρτί κατά 180 ο Περιστροφή 180 ο 2. Μια προβολή κατά Fisher μπορεί να διατηρήσει αμετακίνητη τη μια ομάδα και οι υπόλοιπες να περιστρέφονται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα. Αμετακίνητη ομάδα COO Ίδιο με 3 C O 57
Σχετική απεικόνηση Βασίζεται στη συσχέτιση της της δομής μιας ένωσης με τη δομή της Γλυκεριναλδεΰδης: OC 2 *C(O)CO Διαθέτει ένα στερεογονικό κέντρο και επομένως δύο εναντιομερή Η συσχέτιση αυτή καθιερώθηκε από τον Fischer Ο πλέον οξειδωμένος υποκαταστάτης επάνω CO O C C 2 O D- γλυκεριναλδεΰδη L- γλυκεριναλδεΰδη Κάτοπτρο Dextrus = δεξιός Laevus = αριστερός 58
Σχετική απεικόνιση π.χ. γαλακτικό οξύ D-γαλακτικό οξύ L-γαλακτικό οξύ CO O C C 2 O Κάτοπτρο D- γλυκεριναλδεΰδη L- γλυκεριναλδεΰδη Οι οπτικά ενεργές ενώσεις ταξινομούνται στην D- και L- σειρά με βάση τη δομή της D- και L- γλυκεριναλδεΰδης. 59
Σχετική απεικόνιση π.χ. αμινοξέα L-αμινοξύ COO L- σερίνη 2 N C 2 O L- γλυκεριναλδεΰδη L- γλουταμινικό οξύ Οι οπτικά ενεργές ενώσεις ταξινομούνται στην D- και L- σειρά με βάση τη δομή της D- και L- γλυκεριναλδεΰδης. 60
Απόλυτη απεικόνιση Ο συσχετισμός των οπτικών αντιπόδων με τις D- και L- γλυκεριναλδεΰδη δεν είναι πάντα εφικτός. Για το λόγο αυτό προτάθηκε από τους Cahn, Ingold και Prelog η Απόλυτη Απεικόνιση R ή S των ασυμμέτρων ενώσεων σύμφωνα με τους κανόνες προτεραιότητας των υποκαταστατών. R - S - Σειρά προτεραιότητας: 1. Προηγούνται οι υποκαταστάτες με το μεγαλύτερο ατομικό αριθμό 2. Μεταξύ των ανθρακούχων ομάδων, προηγούνται οι πιο πολύπλοκες και εκείνες με το μεγαλύτερο βαθμό οξείδωσης. 3. στους άνθρακες με διαφορετικό υβριδισμό έχουμε τη σειρά: sp > sp2 > sp3, -Ι > -Βr > -Cl > -F > -SO 3 > -SC 3 > -S > -O > -NR 2 - > -N 2 > -COOC 3 > -COO > -CON 2 > -C=O > -C(C 3 ) 3 - > - C 2 C 3 > -C 3 > - 61
Απόλυτη απεικόνιση Κανόνες προτεραιότητας Οι κανόνες αυτοί είναι: 1. Μεγαλύτερη προτεραιότητα έχουν οι υποκαταστάτες των οποίων τα άτομα που είναι ενωμένα με το στερεογονικό κέντρο έχουν τον μεγαλύτερο ατομικό αριθμό. Για παράδειγμα το Ο (Ζ=8) έχει προτεραιότητα έναντι του Ν (Ζ=7). 2. Εάν δύο υποκαταστάτες έχουν όμοια άτομα συνδεόμενα με το στερεογονικό κέντρο, ελέγχουμε τα δεύτερα άτομα. Αν και αυτά είναι όμοια τα τρίτα κ.ο.κ. Για παράδειγμα το C 2 C 3 (αιθύλιο) το C 3 (μεθύλιο). Τα πρώτα άτομα είναι όμοια (άνθρακες). Τα δεύτερα για μεν το μεθύλιο είναι τρία υδρογόνα για δε το αιθύλιο δύο υδρογόνα και ένας άνθρακας. Ο άνθρακας έχει ατομικό αριθμό 6 και το υδρογόνο 1. Επομένως υψηλότερη προτεραιότητα έχει το αιθύλιο. 3. Έστω ο υποκαταστάτης Α=Β. Το άτομο Α θεωρείται ότι συνδέεται με δύο άτομα Β. Ας θεωρήσουμε τους υποκαταστάτες C=O (φόρμυλο) και C 2 O (υδροξυμέθυλο). Τα πρώτα άτομα είναι ίδια (άνθρακες). Τα δεύτερα είναι για μεν την φόρμυλο ομάδα δύο άτομα οξυγόνου και ένα υδρογόνου για δε την υδροξυμέθυλο ομάδα ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου. Ο ατομικός αριθμός του οξυγόνου είναι 8 ενώ του ατόμου υδρογόνου 1. Άρα η φόρμυλο έχει υψηλότερη προτεραιότητα. 62
Απόλυτη απεικόνιση Α) Το σύστημα Cahn, Ingold και Prelog 1. Χρησιμοποιώντας τους ατομικούς αριθμούς, καθορίστε την προτεραιότητα των 4 ομάδων που συνδέονται με το χειρομορφικό κέντρο 2. Περιστρέψτε το μόριο στο χώρο έτσι ώστε η ομάδα χαμηλότερης προτεραιότητας να είναι στραμμένη προς την αντίθετη κατεύθυνση από εσάς 3. Εξετάστε εάν η σειρά προτεραιότητας των ομάδων 1 2 3 ακολουθεί τη φορά των δεικτών του ρολογιού (δεξιόστροφη) ή την αντίθετη (αριστερόστροφη) φορά 4. Δεξιόστροφη = R και Αριστερόστροφη = S 63
Απόλυτη απεικόνιση Το σύστημα Cahn, Ingold και Prelog 1. Χρησιμοποιώντας τους ατομικούς αριθμούς, καθορίστε την προτεραιότητα των 4 ομάδων που συνδέονται με το χειρομορφικό κέντρο ΠΡΟΣΟΧΗ: Η προτεραιότητα βασίζεται στο πρώτο σημείο διαφοροποίησης, ΟΧΙ στο άθροισμα των ατομικών αριθμών 64
Απόλυτη απεικόνιση Γλυκεριναλδεΰδη β 120 o α αμετακίνητη β δ αμετακίνητη α γ γ D - R - β β 120 o γ δ δ L - S - α δ α γ 65
Απόλυτη απεικόνιση Προβολή Newman Παρατηρητής Απεικόνιση R Δεξιά στροφή του τιμονιού 66
Απόλυτη απεικόνιση 2-χλωρο-2-υδροξυ-ακεταμίδιο γ αμετακίνητη γ 120 o β α δ β R γ δ α Προβολή Newman β α 67
Απόλυτη απεικόνιση Γαλακτικό οξύ Προβολές Newman α β Απεικόνιση R γ α β γ Απεικόνιση S 68
Απόλυτη απεικόνιση Χαρακτηρίστε ως R ή S τη δομή 1 2 S αμετακίνητη 3 4 1 3 C 6 8 O C C 6 O 8 O 2 4 1 3 Απόδοση προτεραιότητας με βάση τον ατομικό αριθμό Cahn-Ingold-Prelog 69
Απόλυτη απεικόνιση Χαρακτηρίστε ως R ή S τη δομή α Cl α Cl Απάντηση S β Cl 2 C C(C 3 ) 2 γ C 3 δ Cl 2 C β C(C 3 ) 2 γ Το C 3 που είναι τελευταίο στην προτεραιότητα, προβάλλεται πίσω από το επίπεδο του χαρτιού και δεν εξετάζεται στον καθορισμό της σειράς 70
Απόλυτη απεικόνιση Β) Τρόπος εύρεσης απόλυτης απεικόνισης με τη χρήση του χεριού 1ο βήμα: Καθορίζουμε την προτεραιότητα των υποκαταστατών με βάση τους κανόνες προτεραιότητας. 2ο βήμα: Συμβολίζουμε με αριθμούς (1,2,3,4) ή με γράμματα (α,β,γ,δ) τους υποκαταστάτες κατά σειρά ελαττούμενης προτεραιότητας. 3ο βήμα: Τοποθετούμε τον αντίχειρα του δεξιού μας χεριού στην κατεύθυνση του τέταρτου υποκαταστάτη, ο οποίος έχει και τη χαμηλότερη προτεραιότητα. 4ο βήμα: Κλείνουμε τα υπόλοιπα τέσσερα δάκτυλα του δεξιού μας χεριού. Αν η φορά κλεισίματος των δακτύλων ταυτίζεται με την ακολουθία 1 2 3 των υποκαταστατών τότε η απεικόνιση χαρακτηρίζεται ως R (Rectus = δεξιός) αν όχι ως S (Sinister = αριστερός). 71
Απόλυτη απεικόνιση Προσδιορισμός της απεικόνισης R S 4 4 2 1 1 2 3 R-Γαλακτικό οξύ 3 S-Γαλακτικό οξύ 72
Απόλυτη απεικόνιση Χαρακτηρίστε ως R ή S τη δομή 2-χλωροβουτάνιο 4 3 2 1 R 73
Απόλυτη απεικόνιση Προσδιορισμός απεικονίσεων R ή S στις προβολές κατά Fisher Προβολή των στερεοχημικών απεικονίσεων σε μια επίπεδη επιφάνεια κατά Fisher O COO C C 3 Οι δεσμοί που εξέρχονται από το επίπεδο Οι δεσμοί στο επίπεδο της σελίδας COO C 3 O 74
Απόλυτη απεικόνιση Γ) Προσδιορισμός απεικονίσεων R ή S στις προβολές κατά Fisher 1. Προσδιορίζουμε τις προτεραιότητες των τεσσάρων υποκαταστατών. 2. Εκτελούμε κάποια από τις δύο επιτρεπτές κινήσεις ώστε η ομάδα χαμηλής προτεραιότητας να τοποθετηθεί στην κορυφή της προβολής κατά Fisher. i. Μια προβολή κατά Fisher μπορεί να περιστραφεί στο χαρτί κατά 180 ο ii. Μια προβολή κατά Fisher μπορεί να διατηρήσει αμετακίνητη τη μια ομάδα και οι υπόλοιπες να περιστρέφονται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα. 3. Προσδιορίζουμε την κατεύθυνση της περιστροφής μεταβαίνοντας από τον υποκαταστάτη με υψηλότερη προτεραιότητα στον υποκαταστάτη με χαμηλότερη προτεραιότητα. 4. Καθορίζουμε την απεικόνιση: Αν η ακολουθία 1 2 3, των τριών άλλων υποκαταστατών, ακολουθεί τη φορά κίνησης των δεικτών του ρολογιού τότε η απεικόνιση χαρακτηρίζεται ως R αν όχι ως S 75
Απόλυτη απεικόνιση Προσδιορισμός απεικονίσεων R ή S στις προβολές κατά Fisher 2 4 1 2 4 3 3 1 R 2 1 2 4 1 Αμετακίνητη ομάδα 3 3 R 76
Απόλυτη απεικόνιση Προσδιορισμός απεικονίσεων R ή S στις προβολές κατά Fisher 4 2 COO 4 1 O R CO C 3 3 2 1 2 N 4 C 3 3 Παραμένει ακίνητο 2 OOC N 2 1 C 3 3 S 77
Απόλυτη απεικόνιση Προσδιορισμός απεικονίσεων R ή S στις προβολές κατά Fisher 1,2- διμεθυλοκυκλοπεντανόλη 2 O 1 4 Προβολή Fischer 3 Αμετακίνητη ομάδα S 78
Διαστερεομέρεια Η διαστερεομέρεια αποτελεί γενικότερη περίπτωση στερεοχημικής ισομέρειας, που εμφανίζουν ενώσεις με δύο ή περισσότερα ασύμμετρα άτομα C. 1. Οι διαστερεομερείς ενώσεις δεν έχουν σχέση ειδώλου με αντικείμενο. 2. Παρουσιάζουν οπτική ενεργότητα, αλλά η γωνία στροφής παρουσιάζει διαφορές. 79
Διαστερεομέρεια 80
Διαστερεομέρεια Σχετική Απεικόνιση 2,3,4-τριυδροξυβουτανάλη: OC-CO-CO-C * * 2 O D θρεο (1) L θρεο (2) D ερυθρο (3) L ερυθρο (4) (1)-(2) και (3)-(4): εναντιοστερομερή-οπτικοί αντίποδες (1)-(3), (1)-(4), (2)-(3) και (2)-(4): διαστερεομερή Διαστερεομερή: στερεοϊσομέρη τα οποία έχουν δύο ή περισσότερα ασύμμετρα άτομα άνθρακα τα οποία δεν είναι εναντιομερή (δεν έχουν σχέση ειδώλου με αντικείμενο). ν = *C, 2 ν : διαστερεομερή και 2 ν-1 : ζεύγη εναντιομερών ή οπτικών αντιπόδων 81
Διαστερεομέρεια Σχετική Απεικόνιση * * τρυγικό οξύ: ΟΟC-CO-CO-CΟΟ D θρεο L θρεο D ερυθρο (5) (6) (7) (5)-(6): εναντιομερή-οπτικοί αντίποδες και L ερυθρο (8) (7)-(8): είναι όμοια μεσομορφές, i- (inactivus=ανενεργός) Επομένως όταν υπάρχει επίπεδο συμμετρίας τα διαστερεομερή είναι 2 ν -1. 82
Διαστερεομέρεια Απόλυτη Απεικόνιση R, S 1 C 3 Br 2 4 C 3 3 Br 1 2 * S 2 * 4 R 3 * Cl 1 2 3 * Cl C 3 4 3 C 3 83
Διαστερεομέρεια Απόλυτη Απεικόνιση R, S 1 C 3 Br 2 * 2S 2R 3S 3R 3 * Cl C 3 4 84
Διαστερεομέρεια Απόλυτη Απεικόνιση R, S C 3 Br Br C 3 C 3 Br Br C 3 Cl Cl Cl Cl Cl C 3 C 3 C 3 C 3 2S,3R 2R,3S 2S,3S 2R,3R εναντιομερή εναντιομερή διαστερομερή 85
Διαστερεομέρεια Απόλυτη Απεικόνιση R, S Κάτοπτρο 2-αμινο-3-υδροξυβουτανοϊκό οξύ Κάτοπτρο εναντιομερή διαστερομερή εναντιομερή 86
Διαστερεομέρεια Απόλυτη Απεικόνιση R, S Br C 3 C 3 Br C 3 Br Br C 3 * * Br Br Br Br C 3 C C C 3 3 3 (2R,3R) (2S,3S) (2R,3S) (2S,3R) εναντιομερή Μεσο-ενώσεις 87
Διαστερεομέρεια Απόλυτη Απεικόνιση R, S Κάτοπτρο τρυγικό οξύ: Κάτοπτρο εναντιομερή Μεσο-ενώσεις Επίπεδο συμμετρίας 88
Στερεοϊσομέρεια Φυσικές Ιδιότητες Στερεοϊσομερών Τα εναντιομερή διαφέρουν ως προς πρόσημο της στροφής του πολωμένου στο επίπεδο φωτός, αλλά οι άλλες φυσικές τους ιδιότητες είναι ίδιες. Τα διαστερομερή έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες Τα ρακεμικά μίγματα αποτελούν μίγματα των (+) και (-) εναντιομερών, σε αναλογία 50:50. Τα ρακεμικά μίγματα πρέπει να εμφανίζουν μηδενική οπτική στροφή. Τα ρακεμικά μίγματα και τα μεμονωμένα διαστερομερή διαφέρουν ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες. 89
Ισομέρεια Ισομερή Συντακτικά Ισομερή Στερεοϊσομερή Εναντιομερή (κατοπτρικά είδωλα) Διαστερεομερή (μη καπτροπτικά είδωλα) Διαστερεομερή απεικόνισης, D-L, R-S Διαστερεομερή Cis-Trans, Z-E (Γεωμετρικά ισομερή) 90
Στερεοχημεία Σχετική Βιβλιογραφία Οργανική Χημεία για τις Επιστήμες της Ζωής David Klein Κεφάλαια: 1, 2, 4, 5, «Οργανική Χημεία», Wade JR. 6η έκδοση, Κεφάλαια: 3, (3.7-3.16), 5 «Οργανική Χημεία», John McMurry, 6η έκδοση, Κεφάλαια 3, 4, 6, 9, 26.2, 26.3 91