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