3. Stereokemija

3. Stereokemija
Izv. prof. dr. sc. Lidija Barišić
•
Stereokemija: grana kemije koja proučava trodimenzijsku strukturu molekula,
CH4
•
Nobelove
CH3−CH3
nagrade
za
istraživanja
području organske stereokemije:
1965. R. B. Woodward
1969. D. H. Barton i O. Hassel
1975. Vladimir Prelog i J. W. Cornforth
u
CH3−CH2−CH3
•
Zašto je važno poznavati trodimenzijsku
strukturu molekula?
•
Temeljni
preduvjet
za
postizanje
funkcionalnosti biomolekula jest strukturna
komplementarnost liganda (
i receptora (
,
,
)
) - trodimenzijske strukture
moraju odgovarati jedna drugoj oblikom,
veličinom, itd.,
•
proteinski okusni receptori
•
vezivanje aspartama na humani receptor za slatko
heksan
CH3
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
109.5o
•
tetraedarska (sp3) hibridizacija
cikloheksan
120o
•
Baeyerova teorija kutne napetosti za cikloalkane: mjera njihove stabilnosti je
odstupanje unutrašnjeg kuta odgovarajućeg geometrijskog lika od tetraedarskog kuta,
•
cikloheksan je cikloalkan najmanje napetosti (kutna
napetost 10.5 °?!) ⇒ cikloheksan nije planaran!
ekvatorijalne veze
aksijalne veze
•
ciklopentan je planaran
(109.5° - 108°)
Dvodimenzijski prikaz etana (C2H6)
1. klinasta formula
2. perspektivna formula
∼40o
90o
2
C2
C1
1
3. Newmanova formula
.
C1
C2
Izomeri
• različiti spojevi koji imaju jednaku molekulsku formulu.
izomeri
stereoizomeri
konstitucijski
konfiguracijski
konformacijski
enantiomeri
• posljedice izomerije su razlike u fizičkim, kemijskim i biološkim svojstvima.
dijastereomeri
• konstitucijski izomeri: imaju jednaku molekulsku formulu, a različitu vrstu ili redoslijed
kovalentno vezanih atoma i skupina
O
0
1
H
4
C
CH3 CH2 CH2 CH2 O H
CH3 CH2 O CH2 CH3
butanol
eter
tv = 117.7 °C
tv = 35 °C
C5H12
CH3
CH3 CH2 CH CH3
CH3 CH2 CH2 CH2 CH3
izopentan
pentan
tv = 28 °C
tv = 36 °C
• stereoizomeri: imaju jednaku konstituciju (jednak slijed kovalentno vezanih atoma), a
različit prostorni raspored:
- konformacijski: pri sobnoj temperaturi rotacijom oko jednostruke veze lako prelaze
jedni u druge; ne mogu se razdvojiti
- konfiguracijski: pri normalnim uvjetima teško prelaze jedni u druge; mogu se razdvojiti
3
3
H
C
H
C
H
O
H
C
2
H
C
3
H
H H
O
C
2
H
C
3
H
• konformacijski stereoizomeri: slobodnom rotacijom oko jednostruke C2−C3 veze u
molekuli butana nastaju različiti prostorni rasporedi skupina s različitim torzijskim
napetostima (torzijska napetost ili vezno odbijanje: odbojna međudjelovanja veza
susjednih atoma koja ograničavaju rotaciju),
e
M
Me
Me
Me
60
o
60
o
60
e
M
Me
anti-zvjezdasta − konformer
zasjenjena
kosa zvjezdasta
(najstabilnija konformacija)
Me
Me Me
Me
Me
60
o
60
o
Me
zasjenjena
kosa zvjezdasta
zasjenjena
o
•
konfiguracijski izomeri dijele se na dijastereomere i enantiomere.
- enantiomeri: konfiguracijski izomeri koji su u zrcalnom odnosu,
- dijastereomeri: svi konfiguracijski izomeri koji nisu u enantiomernom odnosu; različita
O
H
C
O
H
C
fizikalna svojstva, mogući su kod spojeva koji sadrže dva i više kiralnih centara
*
H
O
H
H
O
H
*
*
*
H
O
2
H
C
H
O
2
H
C
*
H
H
O
O
H
H
H
O
H
*
H
O
enantiomeri
H
H
O
H
*
H
O
H
H
O
H
*
D-glukoza
L-glukoza
O
H
C
H
O
H
*
H
O
H
*
H
O
H
*
H
O
H
*
H
O
2
H
C
D-galaktoza
•
cis-trans izomeri (geometrijski izomeri): dijastereomeri nastali uslijed ograničene rotacije
u spojevima sa dvostrukom ugljik-ugljik vezom ili cikličkim spojevima
H
CH3
H3C
H
H
H
H3C
CH3
CH3
CH3
H3C
H
H
H
H3C
H
H3C
H
CH3
H
trans-izomeri
H
H3C
H
CH3
cis-izomeri
•
indeks manjka vodika (IHD, Index of Hydrogen Deficiency): osnova za predviđanje broja
višestrukih veza i prstena u nekom spoju,
•
osnovni zasićeni ugljikovodik s 4 C atoma imao bi 10 H atoma CnH2n+2 = C4H10
•
u promatranoj formuli C4H8 nedostaju dva H atoma ⇒ IHD = 1 ( za svaka se dva
vodikova atoma koji nedostaju pripisuje IHD = 1) ⇒ svi njegovi mogući konstitucijski
izomeri moraju imati ili jedan prsten ili jednu dvostruku vezu!
H3CH2C
H
H
C C
H3C
H
H
H
H
C C
C C
CH3
H
CH3
CH3
CH3
pet mogućih konstitucijskih izomera C4H8
•
eksperimentalni podaci pokazuju da je moguće pripraviti šest spojeva koji imaju
molekulsku formulu C4H8?
•
dva spoja od pripravljenih šest ne
odnose se kao konstitucijski izomeri;
odnose se kao konfiguracijski izomeri
(cis-trans izomeri)
H3C
H
H
H
C C
H
C C
CH3
trans-but-2-en
H3C
CH3
cis-but-2-en
- enantiomeri: odnose se kao predmet i njegova zrcalna slika koji se ne mogu preklopiti;
uglavnom jednaka fizikalna svojstva, ali različito biološko djelovanje, miris i optička
aktivnost
COOH
COOH
COOH
180 o
CH3
Cl
H3C
Cl
Cl
H
H
C
3
H
C
3
H
O
O
H
C
3
H
3
H
C
H
2
H
C
2
H
C
(R)-karvon
(S)-karvon
H
CH3
•
enantiomeri se ne preklapaju sa
svojom zrcalnom slikom,
•
enantiomeri su kiralni spojevi
(grčki, cheir = ruka),
•
ruka se ne preklapa sa svojom
zrcalnom slikom (nema ravninu
simetrije)
•
posljedica kiralnosti je optička aktivnost,
Elementi molekulske simetrije
•
Ravnina simetrije σ: dijeli molekulu na dva dijela koji se međusobno odnose kao
predmet i njegova zrcalna slika,
Cl
Cl
H
•
H
os simetrije Cn: pravac koji prolazi kroz molekulu tako da njezina rotacija za 360o/n oko
tog pravca daje trodimenzijsku strukturu koja se ne razlikuje od početne,
180o
120o
N
O
H
H
H
H
H
C2
C2
C3
C3
C1
C2
Br
COOH
H
*
H
*
H
CH3
NH2
* asimetrični (kiralni) centar
KIRALNE, OPTIČKI AKTIVNE MOLEKULE
•
kiralne molekule ne sadrže σ ravninu
•
posljedica kiralnosti je optička aktivnost
*
Br
C2
σ1
O
OH
σ2
Br
C
*
H
H
H
H3C
H3C
AKIRALNE, OPTIČKI INAKTIVNE MOLEKULE
(imaju ravninu simetrije)
H
σ1
C3
σ2
H
O
H
H
Cl
Cl
C2
Cl
AKIRALNE, OPTIČKI INAKTIVNE MOLEKULE
Vrste kiralnosti
•
Raspored strukturnih podjedinica (liganada)
(i) središnja kiralnost
u kiralnoj molekuli može se promatrati u
odnosu na:
(i) središte
*C
(ii) os (aleni i bifenili)
(iii) ravninu
(iv) uzvojnicu
(ii) osna (aksijalna)
kiralnost
(iii) ravninska (planarna)
kiralnost
O
C sp2
C2
C sp
C2
2
C sp
O
(iv) uzvojnična (helična)
kiralnost
Apsolutna konfiguracija
•
Sekvencijsko pravilo (Cahn-Ingold-Prelogov sustav)
1
1
C
4
2
3
(S)
(lat. sinister = lijevo)
C
4
2
3
(R)
(lat. rectus= desno)
•
enantiomeri imaju suprotnu konfiguraciju!
•
enatiomeri zakreću ravninu polarizirane svjetlosti za isti
iznos, ali u suprotnom smjeru
1
2
3
1
1
1
90o
4
C
3
4
3
3
2
4
2
2
3
1
2
4
⇒ (R)
•
dvostrukom zamjenom ne mijenja
se apsolutna konfiguracija!!!
Određivanje prioritetnog slijeda liganada
•
Atomi izravno vezani na kiralni centar svrstavaju se prema opadajućem atomskom broju:
Br > Cl > C > H,
•
ako su atomi vezani na kiralni centar (atomi 1. pojasa) istovrsni, uspoređuju se atomi
vezani neposredno na njih (atomi 2. pojasa), itd.
4
4
H
O
H
H
1
*
C
H
H
C
C
C
H
H
H
H
C
H
3
1
H
2
2
Cl
3
H
H
(S)
*
*
Br
Br
n
CH3 CH CH CH3
broj stereoizomera = 4 (2 )
3
CH3
H
S *
CH3
Br
Br
R *
CH3
1
Br
H
σ
Br
*
S
H
H
*
R
2
S
*
CH3
CH3
CH3
I
II
III
•
enantiomeri: I i II
•
dijastereomeri: I i III, II i III
•
meso-oblik: III (optički inaktivan)
•
optički aktivni: I i II (zakreću ravninu polarizirane
racemat: 50% I +
4
H
H
1
3
svjetlosti za isti iznos, ali u suprotnim smjerovima)
•
Br
Br
R *
50% II (optički inaktivan)
4
1
2
3
2
4
R
(R)
(S)
vezno mjesto
receptora
Biološki aktivan!
Biološki inaktivan!
H H
N
O
6R
H
5R
S
O
N
O
2S
H
CH3
CH3
COOH
penicilin
•
prirodni penicilin (2S, 5R, 6R) izoliran iz plijesni − antibiotik
•
njegov enantiomer, sintetski penicilin (2R, 5S, 6S) – biološki inaktivan
H
COOH
CH3
(S)-ibuprofen
•
(S)-ibuprofen − analgetik, antiinflamatorik
•
(R)-ibuprofen − inaktivan
O
N
*
O
N
H
O
O
•
(S)-talidomid − sedativ, antiinflamatorik
(sprječava mučninu kod trudnica)
•
(R)-talidomid − teratogeni učinak
(izaziva malformacije kod novorođenčadi)

Download Report